作者:龎鈞翰

審定:鄭弼升、嚴天浩

圖1 雷德的照片

圖片來源:www.jscholarship.library.jhu.edu/handle/1774.2/51168

19世紀末,由牛頓(Sir Isaac Newton)和虎克(Robert Hooke)等物理學家所整理出來的力學系統,已經在解釋各種自然現象獲得了偌大的成功,也是科學家們常使用的物理分析方法,其中,科學家們普遍有深知具有彈性的材料,受力會產生形變並且若該彈性材料受力到達它可形變量之極限的話,就會發生斷裂並反彈而位移。

1868年,英國地質學家萊爾(Sir Charles Lyell, the 1st Baronet)發現除了火山爆發所造成的地震外,大多數的地震都會發生在,因為岩層斷裂後所產生的斷層的附近,而且地震後會在老斷層周邊,產生更多相似於斷層的破裂岩層,因此斷定地震與岩層應該互相存在著關係,但20世紀前的地震學者,大多只留意到斷層在地震前後出現的高低落差,並不清楚其中確切的關連性。

圖片來源:www.en.wikipedia.org/wiki/Charles_Lyell 

圖片來源:<Charles Lyell and the 1855 Wairarapa, New Zealand Earthquake: Recognition of Fault Rupture Accompanying an Earthquake, by Richard H. Sibson > pp. 361

1859年,雷德出生於美國馬里蘭州巴爾的摩市(City of Baltimore, Maryland, the USA),但出生不久後,便隨著他的家人一同到瑞士洛桑(Lausanne, Switzerland) 生活與求學,或許是因為這個原因,雷德從兒時便對瑞士常見的冰川的成因,以及它們對地質施加的力學作用十分感興趣。並且,處於少年時期的雷德,養成了對登山的愛好,並且由於喜好練習體操的緣故,有著"短小而精實"的外表。

1876年美國知名學府約翰霍普金斯大學正式成立,雷德隨即返回美國進入該校就讀,並分別在1880年和1885年獲得該校物理學學士及博士學位,在博士班期間他曾跟隨著名物理學家羅蘭(Henry Augustus Rowland)和數學家西貝斯特(James Joseph Sylvester),學習與深入研究電磁學、力學、光譜學和物理相關的數學,因此對於相關學科有相當札實的基礎。在博士班畢業後的隔年,雷德進入了凱斯工學院(Case School of Applied Science, 現已改制為凱斯西櫥大學, Case Western Reserve University)擔任分別各三年的數學系和物理系教授,在教學之餘也從事冰川的相關研究;並在五年後回到約翰霍普金斯大學擔任地質系教授,該學系也在1911年因應歐洲普遍開始使用物理學知識研究地質學的風潮,改名為動力地質與地理學系。

1898~1905年雷德受馬里蘭州政府的委託,擔任馬里蘭地質調查局高速公路調查部門的主任,開始接觸和地震學有關的調查與研究,並學習使有時下最熱門的新儀器 - 地震儀,由於地震學在當時是剛被引進美國的新興學門,因此,雷德在當時可以說變成是相當炙手可熱的人才。

1906年加州年舊金山發生相當嚴重的大地震,受地震破壞影響的範圍大到涵蓋整個美國西部,對此美國聯邦政府組織了專門的研究中心,並請加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)及加州地震調查委員會(California State Earthquake Investigation Commission)代為運作。當時加州大學柏克萊分校的礦物學暨地質學系主任,是與雷德曾在約翰霍普金斯大學一同念讀博士班的洛森(Andrew Cowper Lawson),洛森便邀請雷德一同來加州研究這場地震,雷德也就成了該團隊裡唯一非加州人的研究成員。

圖4 1906年舊金山大地震後,舊金山市受破壞狀況的照片。

圖片來源:www.en.wikipedia.org/wiki/1906_San_Francisco_earthquake

當時的人雖然已經知曉地震與斷層是有關係的,但仍不清楚它們之間確切的關聯性,甚至大部分的學者僅會針對地震後,斷層處的岩層會新產生的高低落差進行研究,然而,雷德在查閱當時的地震學者,鮮少分析到的、地震前後,斷層周邊岩層的平面移動狀況,卻有了相當驚人的發現。

雷德比對地震前的1851年與1906年地震後,位於顯示地震破壞力最大的聖安地列斯斷層東、西二側的觀測站,發現在斷層西側的觀測站全都往北平移了接近10.4英尺,但是斷層東側的監測站卻沒有等量的往南平移,甚至在距離斷層東側23 英里處的觀測站是完全沒有平移的。雷德將聖安地列斯斷層東、西二側的所有觀測站,在地震前的1851年與地震後的1906年所有分布位置繪製成圖,發現在地震後斷層東側和西側的觀測站分布的樣式,居然是兩條曲線。

圖5 聖安地列斯斷層空拍照

圖片來源:www.en.wikipedia.org/wiki/San_Andreas_Fault

圖6 聖安地列斯斷層與其周邊其他小型斷層所在位置地圖

圖片來源:www.en.wikipedia.org/wiki/San_Andreas_Fault

雷德覺得,他觀察到了一個相當令人不解的現象,因為倘若發生移動的岩層是高硬度的岩石所構成的話,在斷層相同側、無論距離斷層多遠的觀測站,它們所平移的距離和方向都應該要都相等,所以理應不會發生像調查報告中所顯示的,在斷層東側離斷層愈遠有著觀測點位移卻越小的狀況 。

圖7 無彈性的材料受外力推動,互相產生移動的示意圖。

圖片來源:<The California earthquake of April 18, 1906, Volume II of the Report of the State Earthquake Investigation Commission> pp. 20

雷德看到經過地震後,位於斷層的東、西兩側之諸觀測站所在的地點,可以在地圖上畫成兩條曲線,進而聯想到彈性材料在受力形變,在發生斷裂後回彈會變成的樣子 - 雷德會這樣想的原因,是因為他知道彈性材料受到可以讓它產生形變的力量時,其會產生持續地形變直到力量大到材料沒有辦法承受後,材料就會發生斷裂,並且當斷裂發生時,彈性材料就會產生回彈的現象。除此之外,彈性材料會在逐漸受力發生形變的過程中,在材料內部累積能量,直到材料斷裂並發生回彈時,將這股潛在的能量釋放出來。這就如同受到壓迫力量影響的鋼板,在受力的過程中漸漸產生變形的狀況,並在形變到一定的扭曲量時,就會發生破裂並且在破裂處回彈,進而發出巨大的聲響,而這個巨大的聲響,即是累積在鋼板內部的能量被釋放出來的一種表現。


圖8 塑膠尺的受力形變示意照片

圖片來源:www.quora.com/What-is-stiffness-of-a-beam

圖9 從彈弓受拉伸的力產生形變,回彈後釋放它所儲存的能量之示意圖。

圖片來源:www.tes.com/lessons/zwDUNGd0wrLpPA/heat-and-volcanoes-year-11-earth-and-environmental-science

雷德基於上述的發現及推想假設,岩層也是具有彈性的物質所組成的,而1906年的加州舊金山大地震發生的原因,乃由於位於聖安地列斯斷層西側的岩層受到來自地底的不明力量往北位移,使得斷層西側的岩層長期發生形變並累積能量,最後在岩層斷裂時,長時間累積在岩層的能量一觸即發地被釋放出來,進而產生威力驚人的地震!

基於雷德的假設 - 若岩層其實是由具有彈性的材料所構成的話,據推測應該能在舊有的聖安地列斯斷層東、西兩側,於地震發生前,找到有產生局部形變的證據。並且位於斷層東側的岩層,應該會如同斷層西側的岩層一樣,會產生往北形變而有位移的現象;因為在地震後,位於斷層東側的觀測站和1851年的調查資料相比,普遍向南位移,但是位移量相較於斷層西側在同一時間區間內,向北位移的量是上小許多的,可見施加於岩層、使岩層移動的外力,應該主要是向北施加的,因此,若岩層真的是由具有彈性的物質所組成的話,在地震前,應該也是會產生向北的局部位移形變,直到斷裂後,才因回彈而向南位移。

圖10 聖安地列斯斷層與最東邊觀測點的位置(迪亞布洛山),和最西側觀測點的位置(法拉榮島燈塔)之位置關係圖。

圖片來源:雷德提出彈性回跳學說的論文 <The Elastic-Rebound Theory of Earthquakes, by REID, in 1911> pp. 419

由於1851~1907年間,美國海岸和大地測繪中心(United States Coast and Geodetic Survey;現已改制為美國國家大地測量中心, U.S. National Geodetic Survey)的總負責人蒂特曼(Otto Hilgard Tittmann)已經為聖安地列斯斷層周邊做了相當詳盡而精準的測量與繪圖,測繪和量測的範圍涵蓋了斷層東側直至距斷層23 英里的迪亞布洛山(Mount Diablo),及斷層西側直至距斷層23 英里的法拉榮島燈塔(Farallon Island Light House)區間的所有觀測點,因此,雷德進而調閱、整理了這些資料,並分析這些觀測點隨時間演進的位置變化;並將用以分析的時間點,分為地震前的1851~1866年的調查紀錄I、1874~1892年的調查紀錄II,和地震後之1906~1907年的調查紀錄III,發現:

在地震發生前的調查紀錄I和調查紀錄II中,位於斷層東、西二側的緊鄰斷層的觀察站一同向北移動了約4.6 英尺;而在1906年的地震前夕,這些地震站的位置和調查紀錄II中的位置相比,也是再一同向北移動了約5.8 英尺,而位於斷層愈遠的觀察站,和鄰近斷層的觀察站相比,卻有位移量愈來愈小的現象,這在位於斷層東、西二側的所有觀察站上,都有被觀察到。

在地震發生後,緊鄰斷層東側的觀測站居然從調查紀錄I以來到1906年的地震前夕,只有向北移動10.4 英尺的位移,變成和調查紀錄I相比往南約10英尺的位移,使得原來斷層東西二側緊鄰彼此的觀測站,形成了南-北反向約21 英尺的位置差;不過地震時產生的觀測站位移,也同樣是距離斷層愈近,位移量就愈大,而距離斷層愈遠,位移量就愈小,只不過位於斷層東側的各觀測站(尤其是迪亞布洛山周邊的),相較於斷層東西側的個觀測點產生的位移,實在是小上許多。

圖11 聖安地列斯斷層周邊的觀測站,再三次調查記錄期間(調查記錄I:1851~1866年;調查記錄II:1874~1866年;調查記錄III:1906~1907年),分別所在的位置之分布大略位置,及可以被繪製出來的曲線圖。雷德在接手該地震研究時,一開始只看到了1906~1907年的震後圖形。

圖片來源:<北京清華大學土木工程系碩士班, 抗震工程概論課程講義> pp. 10

根據上面一系列的分析後,雷德得到一個結論 - 組成岩層的岩石其實是種具有彈性的物質,這些具彈性的岩石,在受到長時間的外力影響,發生形變、遭受壓迫並在材料內部積累大量的能量後,在到達一定的形變量時,便會在舊有的斷層周邊發生斷裂、回彈並釋放出內部日積月累下來的能量,進而發生地震!而形變時對岩層造成的扭曲,也會有部分再地震發生後,於岩層上面留下痕跡。

圖12 以彈性回跳學說模擬地震成因的示意圖。

圖片來源:www.quizlet.com/175997769/earthquakes-flash-cards/

雷德將他的這種分析岩層與地震的方法稱作“彈性回跳學說”,並在1910年的<<周地震調查局報告,第二冊 - 1906年4月18日加州大地震調查報告>>(<<The California earthquake of April 18, 1906, Volume II of the Report of the State Earthquake Investigation Commission>>)中的<地震形成的機制>(<The mechanics of the earthquake>)這個章節中,以這種模型分析舊金山大地震的成因,並於加州大學博客來分校的公開演講中,正式發表了這個學說,並於1911年在該校的刊物<<University California Publication Bulletin Department of Geology>>上,以<地震的彈性回跳理論>(<The elastic-rebound theory of earthquakes>)作為文章名稱作刊登,而且在文中以同樣的手法分析了1872年的加州歐文斯谷地震(1872 Owens Valley earthquake)、1888年紐西蘭的北坎特伯雷地震(1888 North Canterbury earthquake)和1891年日本的美濃尾張地震(1891 Mino–Owari earthquake),都相當地符合該學說中的描述狀況。

在雷德的彈性回跳學說發表之後,隨及廣泛地被當時的地球科學家接受並應用;並且,使用如GPS與大地量測等工具,對地表上各觀測點的所在位置之逐年變化做紀錄,和利用鑽探的方式來偵測地底下岩層所累積的力量大小等調查,也都漸漸開始被納入地震預測的研究的參考數據中。甚至在雷德後世的所有地震學者,若提出和地震成因有關的新學說,也都是依據雷德的彈性回跳學說中之內容進行修正或補充的,類似的學說有布魯斯( Brace)和拜爾萊(Byerlee)在1966年提出的黏滑說(Stick-slip as a mechanism for earthquakes),及達斯(Das)等人的岩石破裂說(Rock Failure)。雖然,地震成因的相關研究至今仍在進行中,還未有高準確度的預測方法被提出,甚至雷德的彈性回跳學說,也被當今的科學家評論說,有許多自然界中的影響因子未被納入分析的考量,但雷德仍是為地震預測的研究科學化拉開了一個標誌性的序幕。

而現今的地球科學家也發現,引起岩層形變、並斷裂和回彈,進而引發地震的"神秘力量",就是海斯在他的海底括擴張學說中,所提及的引起板塊拉張和聚合的,軟流圈中的岩漿熱對流。

雷德在1900年代初期使用物理學觀念來進行冰川和地震等地球科學研究,因此被地球科學界公認,是美國史上第一位地球物理學者。