GPS不只是路痴救星 也能帮科学家观察地球地壳变形

位于七彩湖的GPS连续观测站（台湾中研院苏宣翰先生提供）

（神秘的地球uux.cn报道）据美国国家地理网站（撰文：唐启贤）：你知道GPS除了能帮你轻松地找到想要去的地方之外，也被地球科学家用来观察地壳变形吗？

GPS的定位精度只要达到「公尺级」，即可满足日常生活中大多数的需求。 然而，板块移动速度缓慢，一年仅仅移动数公分，必须透过长时间的连续观测来提升精确度。 当GPS定位精准至「公厘级」，藉由观测站坐标随时间的变化，地球科学家便可得知地壳在何处变形，并推测地底下的断层活动与岩石的物理性质。

地壳变形与地震之间存在着密不可分的关联。 九二一集集大地震迄今已迈入第二十个年头，大地震后长达十年以上的地表位移时间序列，隐含源自于断层以及深层地壳的变形信息。 这些长期的观测有助于我们解析台湾造山带下部地壳的岩石变形特性，对于理解地震如何发生以及地震的再现周期而言是十分重要的一个课题。

地壳岩石的变形速率，与地壳内部能量累积的过程息息相关。 板块运动会造成地壳不断变形，上部地壳变形行为像木板，呈现「脆性变形」；下部地壳因为温压条件的改变，变形行为像年糕，能量容易以「塑性变形」的形式释放，而不易发生地震。 受到下部地壳持续变形的影响，上部地壳内部及断层带不断累积能量，承受不住时便引发地震。 假设断层带下部每年位移5公分，且地震能量每100年释放一次，当地震发生时便会伴随产生5公尺的位移量。

下部地壳的岩石变形行为受到岩石组成、结晶粒径、流体、岩压与温度等诸多物理条件控制，使得了解岩石如何在自然环境下受力变形一直是一大挑战。 然而，透过长期的GPS卫星观测数据，我们有希望突破传统上的限制。

大地震过后，地壳会经历一段短暂且快速的变形，藉此来释放掉地震当下尚未释放完的能量，其持续时间因地震而异，一般为数年至数十年不等，我们称之为「震后变形」。 震后变形的成因涉及地壳内部许多复杂的变形机制，但一般认为断层面上的持续滑移、以及下部地壳受地震激发的塑性变形是最主要的两个原因。 台湾高密度的GPS卫星观测网完整记录了九二一集集地震过后大量且长期的震后地表变形，帮助我们深入剖析台湾造山带下部地壳的岩石变形特性。

岩石的受力与变形速率通常被认为是一个简单的线性关系。 也就是说，当岩石受到两倍的力，变形速率也会相应增加为两倍。 然而，我们的成果发现，集集地震后的GPS数据无法以单一的线性关系来解释；相反地，受力和变形速率之间为非线性关系。 换句话说，岩石受力只要增加为两倍，岩石就可能会以八倍以上的速率产生形变。 这告诉我们地壳岩石的强弱在大地震过后有显著的变化，短期内快速的大量变形对台湾造山亦有显著的贡献。

除此之外，我们也结合实验室岩石试验测量到的岩石参数估算「地温梯度」，代表地壳温度随深度增加的比值，这对于研究山脉隆升的历程十分重要。 地温梯度越高，暗示山脉抬升速率快，使深层较热的岩石来不及冷却就往上隆起。 从台湾西部平原到中央山脉的地温梯度，大致从20°C/km向东递增为30°C/km，显示中央山脉为主要隆升区域的地温特征，与过去利用其他方法所推算的结果相去不远。

这说明，虽然实验室环境与大自然之间在时间与空间尺度存在巨大的落差，岩石的变形特性似乎并没有产生大幅度的偏差。 换言之，GPS卫星大地测量数据有可能弥合实验室以及大自然之间的差异，用来研究岩石变形行为和大地构造的演化过程，进而估算合适的物理参数做为地球动力学建立模型的参考依据，为地震孕震过程及台湾造山提供新的思维与见解。

文章来源：Tang, C.-H., Y.-J. Hsu, S. Barbot, J. D. P. Moore, and W.-L. Chang (2019), Lower-crustal rheology and thermal gradient in the Taiwan orogenic  belt illuminated by the 1999 Chi-Chi earthquake, Sci. Adv., 5, eaav3287.