文／阿树
过去，如果有机会和对小朋友讲到地震成因时，我经常会提一个很简单又不简单的问题：
我：「地震是怎么来的？」
小朋友：「是板块运动！」
我：「那板块是什么？」
小朋友：「是我们脚下的地方」
我：「板块『运动』就会地震？那板块是地震时才运动？还是一直都在动呢？」
我可不是故意要刁难孩子们，而是在科普推广的经验中发现了许多常见的盲点，一有机会我就会想尽办法导正。过往许多教育或某些片段的科普知识，在「地震成因」的部分，经常会以板块构造运动的学说，来解释板块运动伴随而生的地震。
不过，事情才没这么简单呢！人们尝试用不同方式去了解地震成因的历史已有数千年，不过到了1906 年旧金山地震后，人们才连结了地震与断层的关联，至于1960 年代才兴起板块学说，也和地震的关系密不可分，板块学说可以用来解释地震，地震其实也是建构板块学说模型的佐证，今天我们不止谈科学，也谈历史，从地震的科学史来看人们探寻地震成因的脉络。
将地震和断层掺在一起的第一人：莱尹尔爵士
自古以来有许多人尝试了解地震，不过因为距离理论仍太遥远，我们直接跳到较重要的一位主角：英国地质学家莱尹尔爵士，你可能没听过他，但他是在地质学和演化论的发展上皆扮演了重要角色，他支持赫登的「均变说」，觉得世间的许多地质的现象都是经年累月慢慢形成的，就像滴水能穿石般的缓慢…而后来达尔文在发展演化论时，多少也受到地质学的影响( 这又是另一个故事，我们之后再聊) 。最早的人们观测地震的状况，不过就是「地在摇晃」而已，但因为大地没事不会摇晃，加上古代人也不会知道地下除了石头之外还有些什么，所以也根本想不懂地震是哪来的。
回到正题，莱伊尔走遍大江南北，看了很多「断层」，他的想法是：
「断层不是一天造成的！」
我们在国中课本上看到的断层，经常都会看得出它的「错动」方向，但实际上很多时候断层长得又是另一种样子，甚至断层两侧是八竿子打不着边的岩层，认真一算，搞不好从古至今滑动了好几十公尺。所以，莱伊尔就觉得这应该是一点一滴累积而成的。
这时，恰巧有一起证莱伊尔想法的地震发生，1855 年地震发生时纽西兰虽不能算是殖民地，但也是英国的好朋友，莱尹尔就从纽西兰地震后得到的资料，确认了地震与断层的关联。
不过对于当时莱伊尔的想法仅止于找出「相关」而非「因果」，这就像是鸡生蛋在先，还是蛋生鸡在先的问题一般，到底地震是「怎么样发生」 ，还无法解释。
时间跳到近50 年后，1906 年旧金山地震造成加州湾区严重的伤亡，但也因为它发生在人们已充分开发的地区，所以有完整的测量资料，就像是我们现在家家户户都有画好地图地籍一样。地震后重新测量，发现有些地方的错动量十分惊人啊！不止掺在一起想，还想了合理解释
欸？不对啊，这件事不是跟莱伊尔看到的状况一致？到底是要怎么看出断层「怎么动」的？
这时就要感谢辛勤的加州的畜牧业者，帮我们记下了断层在地面留下的痕迹，如果要开个牧场，势必要盖围篱。有些牧场的围篱就正好盖在断层线上，在地震过后，正好就发现了这些先来后到的围篱，记下了截然不同的变形。
如果是已经盖好非常久的围篱，地震后几乎完美的截成两半，明显的看出断层的变形。不过，如果是地震前没多久才盖好的围篱，却是断成弧形的，这样太奇怪了！
然后，在1906 地震后多达一千六百多页的报告中，有一篇「地震的机制」，作者里德(Henry Fielding Reid) 阐述了地震与断层的关系，提出弹性回跳理论来解释断层上发生的现象和地震之间的关系…真要细讲应该写个三个星期都讲不完，所以还是先跳结论—- 断层错动引发地震的过程可以分成三个阶段：
第一阶段：断层未受外力的作用也没产生变形的阶段然后，在1906 地震后多达一千六百多页的报告中，有一篇「地震的机制」，作者里德(Henry Fielding Reid) 阐述了地震与断层的关系，提出弹性回跳理论来解释断层上发生的现象和地震之间的关系…真要细讲应该写个三个星期都讲不完，所以还是先跳结论—- 断层错动引发地震的过程可以分成三个阶段：
第二阶段：随着力量的累积，变形也慢慢的变化，而此时断层面因为摩擦力的作用，是整块卡住还没有断开的，整块地层像有弹性般变形。
第三阶段：断层上面的作用力和摩擦力的平衡达到临界点，一口气错动开来，并同时发生地震，地震就是释放突然错动产生的能量变化。
就加州的圣安德列斯断层来说，断层上的地震便以这样的方式周而复始发生，在一次大地震后，就有点像是重置这个循环回到第一阶段一样。这个理论不是随便说说，而是建立在精密的震后测量上，包括前面提到的围篱变形方式。
我们先来看看，弹性回跳理论的基本示意图：
而前面提到的「型式二」的变形方式与弹性回跳理论并不矛盾，反而是忠实呈现接近同震的变形：
更重要的是，上述用围篱的示意方式，不仅仅是个概念上的理论，还能用数学式子来解释。因此现在我们才能运用地震波、精密测量与地震后的观察纪录来研究断层的行为，虽然并不是每个断层的特性都相同，但多数经过重覆的观察后都可以简化成上述的行为与方式，这也是目前我们对于地震成因的认识。
虽然这个理论至今仍普遍用来解释地震的成因，不过其实当时的这个理论还没办法完全帮我们解开问题。从前文的脉络至少就可以列出几点疑问：
- 这个理论有没有例外？
- 让断层附近变形和错动的「外力」是哪来的？
- 理论上提到的状况是已经有断层了，那断层又怎么「从无到有？」
我们先来聊聊「例外」的情况，有没有不是循这种模式的呢？有！譬如火山地区岩浆库内的岩浆增加、移动或冷却时所造成的地震。而就算是与断层作用相关的地震，也不是百分之分就能分成这三个阶段，有些断层经常缓缓的错动，不发生地震或是仅发生规模很小的地震，有些断层则是既会发生大地震，也会发生无震的滑移或是小地震，这些差异受了很多因素影响，像是断层面上的摩擦性质、外力作用的大小与变化，甚至邻近地区的大地震，也可能间接改变了断层面性质与能量累积的临界等，这种种差异，也让现今科学家不断修正、调整各项理论的看法。
至于第2 和第3 点疑问？其实现今的科学已早有解答。板块构造学说用板块运动解释了「为什么会有外力」让地表附近的岩层产生各种变形，而断层怎么「从无到有」，则又可以从实验室中岩石力学的实验来验证。不过这两项又得再花个两篇文章来细说分明，就暂且卖个关子或请参阅延伸阅读略知一二吧。
读到这里，可以发现「地震成因」在科学上仍然是个待解之谜，我们还有更长的路要走，这些假说、理论都还有调整修改的空间。即使如此，也没什么好泄气的，更不要想「这些理论又不一定是真理」而认为地震学者都在做些无意义的事，起码这些层层叠叠的前人肩膀，逐渐长高到让我们越来越靠近真理。未来若有人能完全解开所有的地震机制之谜，可以想见他也是像牛顿一样，站在巨人的肩膀上吧！
延伸阅读
感谢终于有人关心到地震成因 (by阿树)
关于地震机制的文献：
Scholz, CH The Mechanics of Earthquakes and Faulting 439New York: Cambridge University Press, 1990.
关于弹性回跳理论的文献：
Reid, HF, The Mechanics of the Earthquake, The California Earthquake of April 18, 1906, Report of the State Investigation Commission, Vol.2, Carnegie Institution of Washington, Washington, DC 1910
