師大地球科學系 陳卉瑄、彭葦 撰
1. 斷層怎麼動？
斷層可以安靜了幾百年後才蓄勢待發，對應到大規模地震; 它可以常以小地震釋放能量; 它，也可以是平常緩慢穩定地滑動著，稱作潛移斷層(creeping fault) 。台灣東部的池上斷層，雖然在地表以每年2-3公分的速度在運動，但規模6以上的地震並沒有在這裡缺席！而它旁邊，還緊鄰著孕震能力相匹敵的中央山脈斷層。這種世界上為數不多的複合型斷層(compound fault)活動型態，讓池上斷層成為研究潛移斷層特性和發震機制的指標地。
2. 池上斷層哪裡鎖定、哪裡潛移，過去的限制是什麼？ 位於花東縱谷南端的池上斷層，為世界上少數的潛移逆衝斷層。沒有地震時，池上斷層在地表每年以～3公分的位移量穩定地動著，但這不代表它在深部無法孕震。過去一百年內，池上斷層發生了至少三次規模超過6的地震，分別在1951年11月、2003年12月、和2022年3月（圖一b紅線右方三個星號）。不僅如此，毗鄰的中央山脈斷層(圖一bc綠線)亦在近期發生了兩起規模分別為6.5和7.0的地震（2022年9月的關山池上地震，簡稱關池地震），兩個斷層在「震間期」(inter-seismic period) 如何牽制和互動？過去對中央山脈斷層的分段特性和震間期變形行為所知甚少，因此這個問題並不容易釐清。
要怎麼精準的量化斷層面上哪裡在鎖定、哪裡會穩定滑移？ 過去仰賴的手段，是利用大地測量資料進行逆推。然而，池上斷層為一向外海傾沒的逆衝斷層，僅靠陸地上的大地測量點位解算，會在斷層深處(15公里以下)失去解析度。為彌補此缺憾，本團隊利用重複地震所得到之深部滑移速率，發展出一套結合「大地測量」以及「重複地震」的逆推方式，重新詮釋池上斷層在震間期的變形行為，以推估大規模地震的再現週期。除此之外，我們亦嘗試釐清中央山脈斷層的活動，如何影響池上斷層的震間期滑移速率。
圖一、(a) 台灣地質構造分區圖，由西至東分別是海岸平原(CP)、西部麓山帶(WF),雪山山脈(HR)、中央山脈(CeR)、海岸山脈(CoR)。(b) 研究區域地震活動分佈示意圖。綠色以及紅色線分別標記了中央山脈斷層以及縱谷斷層南段之池上斷層。紅色星號代表歷史大地震(1950-1990年之間規模大於6)，而黃色星號則代表1991年以後之規模大於6的地震。黑色圓圈為1991以後規模大於3之背景地震。藍色方塊則為規模大於2的重複地震。(c)沿圖(b)之AA’剖面圖。
3. 為什麼重複地震可以貢獻到斷層滑移速率的逆推?
重複地震，是一群波形高度相似、震源位置非常接近的地震群(破裂面積重疊至少50%)。小規模重複地震在不同的構造環境紛紛被發現後，理論模型、數值模擬與實驗室速率-狀態摩擦實驗提出了共同的物理機制：地震在同一破裂區域重複發生的必要條件，是周圍區域必須有穩定滑移特性(Beeler et al., 2001; Sammis and Rice, 2001; Johnson and Nadeau, 2002; Nadeau and McEvilly, 2004; Chen and Lapusta, 2009)。而重複地震多久發生一次，於是被認為受控於周圍穩定滑移區域「每年貢獻多少能量、並累積在重複地震的破裂區」。這樣一來，重複地震的觀測就有了話語權，其大小和週期，隱含了鄰近穩定滑移區的「滑移速率」資訊 -- 周圍穩定滑移區每年動得快，重複地震的復發週期就短，周圍動得快，重複地震的復發週期就長些。重複地震的觀測，被視爲無震滑移的一項重要特徵，並廣用來推估斷層深部的滑移速率（請參見兩篇回顧型文章，Uchida and Burgmann, 2019; Uchida, 2019）。
池上斷層是重複地震的好發區（圖一藍色方塊），由於發生深度介於10-30公里間，其對應的深部滑移速率，正好可用來當作斷層模型的約制！
4. 大地測量和重複地震聯合反演斷層滑移速率
利用2007-2011年的大地測量(GPS, InSAR)和重複地震資料，我們嘗試建立池上的運動學模型如圖二。斷層的滑移速率空間分佈顯示了兩個黃色區域，這個較低的滑移速率分別發生在最北端 (延斷層走向的距離區間落於70-80 km) 和南段 (20-30 km距離區間)，標記出「平常動得很慢」的兩個可能鎖定區。
經由聯合反演可得到斷層面上任一小區塊的滑動率（V_int），它相對於該斷層的長期滑動率（V），到底差多少？這提供了地震潛能計算的重要的資訊。差得多，代表在這個小區塊平常不大動，正在有效率的累積能量，是個鎖定區。若利用耦合率(Inter-seismic Coupling, ISC) 可以更精準的量化如下式：
ISC = 1 - (V_int / V)
ISC～0代表這個區塊上一直在快速的滑移（以「等同於長期滑移速率」的大小在動），此為穩定滑移; ISC~ 1則代表鎖定狀態，近期的滑動率幾乎為0。
一般而言，耦合率低、並且無顯著地震活動的區域，可稱為潛移區，這些區域不易累積應力，主要利用無震滑移的形式釋放能量，震間滑移率較大; 而耦合率高的區域則被稱作主要孕震區，震間滑移率較小，其應變能持續累積著。那在池上斷層，我們看到的又是什麼？
圖二、(a) 聯合反演所得到的震間滑移速率分佈圖。其顏色對應到滑移速率(0-40 mm/yr不等)，而池上斷層和中央山脈斷層分別由紅和藍線表示。 (b)、(c)、(d) 分別為聯合反演所使用的GPS、InSAR和重複地震推求之滑移速率資料。
若將斷層面平行擺在我們眼前如圖三，背景顏色標記著耦合率，對應著無震滑移行為的重複地震和群震活動以藍色和綠色圓圈標記，而兩個規模6地震的「同震滑移量」（co-seismic slip, 此為該次主震發生的位移量分佈）和「震後滑移量」(post-seismic slip, 為主震發生後斷層面仍持續變形，此為震後位移量) 由等值線表現。我們發現規模6地震的同震和震後滑移區對應著高耦合率(ISC>0.5，即圖三被等值線包覆的深橘色區域)，此為「主要孕震區」。斷層面上耦合率< 0.2 、無地震活動的區域(圖三淺黃色區域)，為「穩定滑移區」。耦合率在0.2~0.5間的區域則可稱為「過渡區」（圖三與藍、綠圓圈重疊的深黃色區域），這裡充滿了小地震、重複地震和群震，並區隔了潛移區以及主要孕震區。過渡區平常雖以無震滑移的方式釋放能量，但鄰近地震的應力觸發效應，常在這裡導致頻繁的餘震。
將這個模型極簡化為圖四，可將池上斷層簡略分成兩個主要孕震區(等值線區域)、兩個過渡區(綠色區)和兩個穩定滑移區(黃色區)。若假設孕震區每年皆以一樣的滑移虧損速率(V - V_int)在累積能量，我們推估在斷層南側(2003成功地震區域)和北側(2022年玉里地震區域)發生規模大於6地震的再現週期，分別為28與78年。
圖三、池上斷層運動學模型示意圖。背景顏色標記了耦合率，白至黃色代表耦合率由低至高，粉色和藍色曲線則為2003成功地震和2022年玉里地震的同震滑移量之等值線，綠色曲線則為2003年成功地震的震後滑移區，紅色與藍色星號分別表示震源位置。藍色和綠色圓圈分別為重複地震與群震。
圖四、池上斷層運動學模型簡化示意圖。橘色為無震滑移區，背景白至黃色代表耦合率由高至低，灰色區域為斷層面上可累積應力的斷層嵌塊 (asperity)，綠色區域為重複地震與群震好發區，紅與藍星號分別表示2003年成功地震與2022年玉里地震之震源位置，而等值線則對應到這兩個地震的同震滑移分佈。
5. 中央山脈斷層扮演的角色?
然而以上的結果，是假設該區域的震間地表變形，皆貢獻在池上斷層上，但事實上而這樣的「單一斷層系統」符合現實嗎？旁邊的中央山脈斷層，震間期一樣會動，卻要如何考慮進去？為了釐清這一點，我們亦討論了「雙斷層」系統（向西傾的中央山脈斷層+向東傾的池上斷層）的逆推結果。
如圖五所示，「雙斷層」和「單一斷層」兩種斷層模型比較之下，池上斷層震間滑移速率的空間變異趨勢（隨深度變化、隨距離變化）非常相似。但若比較其絕對值，我們發現在雙斷層模型中，池上斷層的滑移速率少了0.2 – 1 cm/yr。一個向西傾的中央山脈斷層上，到底每年「分走」多少池上斷層的變形量？本研究推估，兩種模型得到的震矩速率差異約達10%，這說明中央山脈斷層的震間滑移行為的解析能力，對池上斷層的震間滑移速率推估有一定程度的影響力！ 這亦強調了未來在更多地質、構造、地球物理、大地測量資料的加入和約制下，雙系統斷層系統的考量在區域地震潛能推估上，勢必不能缺席。
圖五、(a) 雙斷層系統下震間滑移速率逆推結果 (b) 單一斷層系統下震間滑移速率逆推結果。向西傾的中央山脈斷層在深部的滑移速率為1.3 cm/yr（橘黃色區域），而向東傾的池上斷層在深部的滑移速率假設為4.0 cm/yr（黑色區域）。詳細斷層幾何和深部滑移速率的設計詳見原文文章。
本文於2023/9/11 發表於 Journal of Geophysical Research，在此可下載 --> (pdf) "Fault Coupling on a Creeping Thrust Fault: Joint Inversion Using Geodetic Data and Repeating Earthquakes"