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一 06, 2020 72次數

│焦點新聞│地下水也會引發微地震?成功改寫地震理論的馬國鳳

1999 年 9 月 21 日凌晨 1 時 47 分,全台一陣劇烈搖晃,台灣的胸口在天搖地動中被撕裂;起源於中部車籠埔斷層錯動,芮氏規模 7.3 的地震,造成全台 2415 人死亡、29 人失蹤,上萬人受傷、5 萬多間房屋全倒,這是台灣戰後最嚴重的地震,史稱「九二一大地震」。

民眾憂心忡忡,不禁問:台灣為何會有這樣的巨震?何時還會再發生?這一連串問題,同樣讓世界地震專家高度關注,紛紛搶進研究。

在尋找這些攸關台灣民生、重大急迫答案的研究中,台灣並沒有缺席,而是做出了重大貢獻。其中,領軍的是一位不讓鬚眉的女科學家──中央大學地球科學系教授馬國鳳。她是國際知名的地震學家,專門研究地震物理學,探討地震形成、破裂、結束的過程。


馬國鳳曾於 2011 年榮獲台灣傑出女科學家獎。圖/取自書籍《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界

放下計算,用斷層鑽探驗證理論

2004 年,馬國鳳參與並主持「台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」,透過台、美、日、德四國學者跨國際合作研究,鑽取斷層帶的岩芯試樣,探究九二一大地震的成因和生成機制,並將研究結果成功發表在《自然》(Nature) 期刊上。


馬國鳳曾進行國際合作研究,並將結果成功發表在《自然》(Nature) 期刊上。圖/jstor

幸運加上努力,他們取得了傲人的成績,對九二一地震的成因假設,透過取得的斷層岩芯均獲得驗證,詳細描繪出這場災難的全貌。

馬國鳳說:「這些理論以前只能透過數學物理計算來驗證,沒有人真正把那塊石頭拿出來看看是什麼樣子,而這次斷層鑽探,真正檢證了這些理論。」

這就好比愛因斯坦在 1905 年發表相對論後,沒有人可以確認對錯;直到 1919 年,英國愛丁頓爵士率領探險隊,發現在非洲觀測到日蝕光線的偏折角度,是牛頓理論預言偏折角的兩倍,這才證實了相對論,愛因斯坦旋即獲得諾貝爾獎。馬國鳳在地震理論界的學術貢獻,也許就如同當年驗證相對論的愛丁頓爵士。

以肉眼判讀,用微小訊號改寫地震理論

透過鑽取的岩芯內容,團隊發現到:「滑移帶的厚度」是了解地震能量的重要參數,而厚度則影響了能量的釋放。這是世界首次觀測到大型地震的斷層滑移帶的厚度,同時也成功量化出地震時的破碎能及熱能。

另外,「主要滑移帶」也看出了每一層紋路平穩類似,顯示地震的行為不斷重複,驗證了相似性質的地震會重複發生的假說。

也就是說,九二一地震這樣形式的大地震,在車籠埔斷層地區將會再度發生。不過,令人鬆一口氣的是,雖然 12 公分厚的滑移帶至少滑過 33 次,代表發生過 33 次地震,但推估起來,大概要到四百年後才會有機會再發生。

跨國合作中的在地研究優勢,讓馬國鳳團隊搶占先機;她卓越的整合能力,讓四國團隊發揮最大戰力,迅速繳出亮眼成績。

2012 年,馬國鳳發表在《科學》(Science) 雜誌的文章,更是真功夫的理論突破,更證實她的成功沒有任何僥倖。

這第二篇登上一流期刊的論文,成功改寫了地震的基本理論,馬國鳳訓練出的博士生林彥宇,秉持著她要求的科學信念:「要看別人看不到的東西」,因而捨棄機器判讀訊號,長達一年時間裡,透過肉眼天天研讀放在車籠埔斷層的井下探測儀訊號,發現到長期存在著「只有 P 波(上下動),沒有 S 波(左右動,也可以理解成第二波)」的特殊訊號,訊號雖微小,但十分奇特。

這種微小到一般學者會忽略、機器會濾去的訊號,在馬國鳳的眼裡卻看出不一樣的風景,成為她改寫地震理論的契機。


有些微小到一般學者會忽略、機器會濾去的訊號,在馬國鳳的眼裡卻看出不一樣的風景。圖/論文圖片

一般說來,地震形成的原因,包括:斷層錯動、火山活動、岩溶塌陷、隕石撞擊、地函物質相變化,以及地下核爆及其他人為因素,其中以斷層錯動為最主要的原因。但是,馬國鳳證實了一個新原因假說:「其實地下水水壓引發爆裂,也會引發微地震。」

這樣的假設,過去理論界也有很多,但都苦無證據。馬國鳳根據一年來的數據發現,這些極微小地震的震源,全都在車籠埔斷層面下方,大部分都位於深度 1300 至 1800 公尺處,那裡含有豐富的地下水,且具有高滲透性的桂竹林層(以砂岩與頁岩為主)。

馬國鳳推論,當年車籠埔斷層錯動時,巨大作用力把斷層面磨成極細的不透水斷層泥,造成地下水無法向上,只能繼續累積在下方,液壓不斷增加,最後將積水區周圍的岩石「瞬間撐裂」出 2 至 5 公分的裂縫(人造地震的特色是單一點引發,P 波遠大於 S 波,岩石爆裂也會造成類似 S 波甚微的效果),才引發了微地震。


車籠埔斷層說明圖。圖/經濟部中央地質調查所

這項有理有據的創新結果,成功改變了地震學的根本理論,成果發表在 2012 年 7 月 27 日的《科學》雜誌,該類型地震由馬國鳳命名為「均向地震」(Isotropic Events)。

難以想像的是,做出這些精彩學術研究的馬國鳳,另一個身分是兩個女兒的單親媽媽。不同於其他科學家常廢寢忘食,晚上還常流連實驗室長期抗戰,她的學生透露,老師下班時間一到一定準時回家,因為要做飯給兩個小孩吃。

科學家就是科學家,不分男女

什麼時間該做什麼事情,一切都要有效率、充分利用,這是馬國鳳的長處。儘管這樣拚命工作,也常「把自己逼到牆角,瀕臨崩潰」,反而激盪出驚人的爆發力,成就斐然。

跟其他同年齡的女性比起來,五十二年次的馬國鳳,算早婚生子。中央大學地球物理系、台大碩士畢業後,申請到美國加州理工學院地球與行星科學系博士班,與當時先生聯袂出國唸博士時,接連生了兩個女兒,一邊照顧女兒,一邊完成學業。博士資格考時,還抱著女兒去參加口試達三小時,進場時只能把嬰孩交給同學抱著。

資格考完後三個月,馬國鳳開始帶著女兒跑研討會,小孩才三、 四個月大。幸好主辦單位理解,讓她抱著小孩坐在最後排,小孩一哭,她就抱出去。輪到她報告時,小孩交給老美同學先抱著,每個經過的人都很疑惑,「為什麼一個老美抱一個華人小孩?」

從這裡就可以看出馬國鳳不服輸,打死不退的韌性。

不少留學生夫婦一旦生了小孩,做妻子的常放棄學業,以先生、子女為重。可是馬國鳳認為,好不容易進了這麼好的學校,應該堅持下去。這是頭一次,她把自己逼到牆角,戰鬥力大爆發,不但拿到博士,還是以四年半的驚人速度唸完。

「在職場上,我一直覺得並相信,科學家就是科學家,不分男女。但在家庭裡,世俗的期待還是男女有別的,沒有支援體系支持,女科學家還是相當辛苦,」馬國鳳娓娓道來箇中甘苦,她指出,二十五歲到三十五歲間,孩子小、研究生涯正是奮鬥期,是最艱難的時刻。

2006 年,當馬國鳳準備那篇重要的車籠埔斷層論文時,她同一時間身兼研究、行政(擔任系主任),加上家庭牽絆一併襲來,但她還是咬緊牙一一面對,設定目標,堅持到最後,她再度在置於死地之後,有了突出的學術表現。

像「車籠埔鑽探計畫」這樣的大型跨國計畫,必須協調多國學者,沒有過人的溝通整合能力難以推動,而當年竟交給了資歷最淺的馬國鳳主導,當時她才四十歲。

切菜也切得很科學,受哥哥啟發的研究路

馬國鳳一方面慶幸前輩的愛護,給她機會,但她不好意思地說:「就拍板分配這麼做、那麼做,大概我是女生,大家都讓著我,事情就這麼成了,哈哈!」或許這就是所謂有領袖魅力 (charisma) 的特質吧。

沒錯,多跟馬國鳳相處一會兒,會發現她時不時有著陽光般的燦爛笑聲,她自稱是無可救藥的樂觀主義者,是那種巴不得把所有事情掏心掏肺說給人聽的老師,她的學生形容:「老師在一樓說話,二樓都聽得到。」馬國鳳就是這樣一個人,說起話來手舞足蹈,頭也跟著擺動,說到興奮處,自己先哈哈大笑;說到低微處,眼中也淚光閃閃,讓聽者完全被她感染。

馬國鳳是怎麼走入這個冷門卻又重要的領域呢?「大概受我哥哥的影響很大吧!」她的大哥好思敏學,是個學者型人物,她回憶:「哥哥唸中學時,在課堂上學到什麼東西,就會告訴我。比如他切菜,切著切著就問:國鳳,你知道為什麼這麼切會比較好切?有什麼物理現象,連倒杯水也會跟我解釋表面張力。」


切菜也可以討論物理,生活處處是科學。圖/Giphy

大哥上國中時學到英文,也會教還在唸小學的馬國鳳,因此她提早接觸英文,也愛上英文;高中時,她猶豫要唸文組還是理組,大哥告訴她,理組轉文組相對容易,一槌定音,影響了她的一生。

受唸物理系的大哥影響,妹妹自此愛上數學與自然科學。想唸物理系,考大學選填志願,傻呼呼看到中央地球物理系有物理兩個字就填了,而且就考上了。完全沒有想到地球物理跟一般物理差距甚大。

「那個年代誰知道地球科學是什麼啊?」馬國鳳大咧咧地坦白,唸什麼也是緣分。大學聯考時,還沒考完最後一科物理,就自己鬆懈了,開起了慶功宴,「當時覺得好興奮,終於快考完了,只想著要把書全都燒了。」

「囂張」的結果,是最熱愛的物理考得最差,僅略高於低標。考完後,馬國鳳跟老師對答案,物理老師當場臉色鐵青,無比樂觀的她還安慰老師:「老師,考過就算了。」

既來之,則安之。在中央大學時,馬國鳳按部就班,該唸什麼就唸什麼,盡本分不蹺課,仍在班上維持前幾名。

直到大四修習地震學,一向喜歡數學、物理的馬國鳳,看到滿黑板的方程式,有些同學很吃力,她卻好像蜂兒看到花,開心得不得了,當老師在講台上說:「不好意思,寫了很多數學。」她還納悶:「教授幹嘛道歉?」

這門需要學習「波動方程式」、「破裂物理的力學」,結合了數學、物理還有地科知識的學問,讓馬國鳳完全入迷,從此決志要當一個地震學家。

為科學發現狂喜,為人生短暫執著

拿到博士後,馬國鳳已經成為一個對地震研究狂熱的科學家,九二一地震後回校召開地震研究成果記者會,馬國鳳當時只想著:這是重大的科學發現,跟我的研究符合。她陳述成果時喜形於色,下台後學生狐疑地問她:「老師,妳好像太興奮了?」

這時馬國鳳才驚覺,「對科學發現的狂喜」,讓自己忘記了這是場大災難,她也深自反省「地震學」這門災難科學的特殊性。做為「災難的獲利者」,她必須從地震成因的研究中,積極提出防災與減災的建言。

而這場地震,也讓馬國鳳首度震懾於造物者的巨大力量。在霧峰斷層的現場,她有著一次近乎「天啟」的奇特經驗。那天她看著大甲溪裡因地震板塊運動形成的大瀑布時,心中的驚詫讓她不停喃喃自語:「我相信板塊運動,我相信恐龍是會滅絕的!」

弔詭的是,對地震學家而言,「板塊運動」應該是近乎信仰、寫過 N 次的專有名詞。馬國鳳這時才體悟到,「知道跟相信,竟有如此的不同,」這時她才真的感覺到,地球是這麼動盪,人們覺得「不動」,是因為生命短暫。當時馬國鳳暗自下決心,人生短暫,必須做一些特別的東西。


體認到生命短暫,馬國鳳暗自下決心,人生短暫,必須做一些特別的東西。圖/取自書籍《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界

遇見科學界大師,學習「為科學而科學」

在學術這條路上,馬國鳳屢逢貴人。唸碩士時,她跟著中央研究院王錦華教授做研究,自此,有了第一個學術典範。她記得,王教授常對她說,做科學要想著:「我們可以為人類做什麼?」

申請博士班時,馬國鳳竟然申請到非常難申請的加州理工學院,當時台灣已經有十年沒有人進這所學校。馬國鳳說,收到入學許可時的情形,至今還歷歷在目。她形容:「當我知道要收我了,就從那個走廊頭一路跑到走廊尾,一直『啊──』這樣尖叫,衝到王老師辦公室報喜,說加州理工接受我了,探頭出來看的老師們也直呼不可置信!」

馬國鳳成為該系多年後第一個台灣學生。之後,台灣開始與世界頂尖的加州理工學院,在地震與地體構造研究上密切相連。

王錦華曾給馬國鳳許多第一流的文章閱讀,她從中認識了兩個大師的名字──加州理工學院的金森博雄 (Hiroo Kanamori) 與麻省理工學院 (MIT : Massachusetts Institute of Technology) 的安藝敬一 (Keiiti Aki),這兩位日裔學者,後來也成為她學術路上的貴人。

兩位大有來頭的教授,提攜馬國鳳不餘遺力;九二一大地震後,安藝曾訪台,晚餐時勉勵她:「國鳳,妳現在應該做的,就是把九二一地震所有的訊息整合,寫出妳非常重要的文章。」

「當時我說我會做,但到他過世的時候,我還沒有做完。我就覺得,他交代我的事情我還沒做完,他怎麼可以就過世了,」說到這,一直情緒高昂的馬國鳳突然靜默好一會兒。

在加州理工求學時,馬國鳳拜入另一位大師金森博雄門下,他學術成就斐然,現今地震學界通用測量地震大小的量度,就是他在 1977 年提出的;金森也是世界地震預警制度的重要推動者,日本為世界所稱道的預警制度,就由他奠基。

2005 年發生蘇門答臘大地震,引發大海嘯,讓金森十分懊悔,認為延誤了警告,是地震學家的失誤。因此,他開始研究如何在數分鐘內預警出規模九級的海嘯。這樣的努力讓後來日本三一一海嘯發生時,民眾儘快知道地震及海嘯的可能性而提前疏散。


2004 年蘇門答臘大地震直接影響的全部國家。圖/Wikimedia Commons

馬國鳳曾跟金森說,雖然三一一海嘯不幸造成一萬五千人死亡,但這要是發生在其他地方,死亡人數絕對超過。金森只遺憾地說:「我不喜歡聽到這種話,我們可以做更多。(We can do more.)」就是這種關懷社會的精神,深深影響著馬國鳳。「金森老師是我的人生導師 (mentor),我崇拜他!」她說。

金森曾建議馬國鳳,如果要對社會有更實質的貢獻,應該結合地震學與工程,對社群做出影響,這也成為馬國鳳現在努力的方向。

為了參與社會,少有學術第一線上的學者,像馬國鳳這麼勤於科普演講;用 Google 搜尋,你會發現她在全台包括北、中、南各地做地震教育演講的影片,遍及各高中、大學、活動中心。影片裡,她熱情洋溢地介紹豐富材料,每次到快結束時都焦慮地跟聽眾說:「我還有好多沒講完!」學生私下透露:「其實有的演講,車錢開支都比車馬費高。」

馬國鳳總結兩位大師對自己的影響:「他們不為功名、也不求名利,你會發現他們就是科學家,為科學而科學,就是這麼單純。」她說,他們不但科學研究非常先進,更與「應用」達到平衡,這也成為她追求的典範。

別停下腳步,下一步來研究地震的「稗官野史」吧!

有兩篇論文名列第一流的期刊《自然》與《科學》,馬國鳳自認對學術已有交代;現在手頭上最燙手的任務,是推動台灣地震模型計畫 (Taiwan Earthquake Model),目前已加入全球地震模型組織 (Global Earthquake Model) 這個聯合國世界地震組織的會員。推動這個計畫,需要國家科學委員會跟許多學者支持,處理很多行政事務,相當繁重。

「回到家時我常想,自己沒事找事做!孩子也大了,可以悠閒過生活了,幹嘛去提地震模型計畫啊?」馬國鳳苦笑。

但話鋒一轉,樂觀主義者馬國鳳又彷彿看到陽光,希望台灣走出去的使命感,深深影響了她,「台灣這方面的經驗,是值得全世界學習的。再者,我希望透過模型計畫,整合台灣地質、地震、工程設計;這些領域過去各自為政,但是現在能建立共識,這讓我很感動。」

說著說著,馬國鳳又拋出一個夢想:「我也希望可以做個有關地震的『稗官野史』。例如:1906 年的梅山地震,女性死亡比男性多,就是因為女性裹小腳,相關資料如果整理得齊全,也許能出書,哈哈!」講到高興處,笑容燦爛的馬國鳳又手舞足蹈起來。

看來,馬國鳳即便有一天沒在科研最前線,恐怕也沒有閒下來的時候。

新聞出處:
活躍星系核(民108年12月31日)。地下水也會引發微地震?成功改寫地震理論的馬國鳳——《她們,好厲害》,取自https://pansci.asia/

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