自然科有約 從教育會考試題看地震知識試題組

地震是影響臺灣至大的天然災害之一,臺灣歷史上有多次重大的地震災害,數百年來已奪走無數生命。雖然隨著時代演進,科技逐漸進步,人民可做的防災作為變多了,然而,人口的增長也增加了震災風險區中的居民數目。1999年的臺灣,都會區高樓林立,而當年的集集地震造成超過2千人死亡,其中不乏因為倒塌的大樓喪命。2016年美濃-臺南地震、2018年花蓮強震的各種災況,都再再提醒我們對於地震風險要多一分認識。本文將從國中的學習內容、國中基測與教育會考自然科的試題切入,說明教育上可提供的防災觀念與其限制。

圖片來源:鄭世楠教授〈塵封的裂痕〉系列演講。

現行國民中學課程綱要及教材中的地震知識

九年一貫課程綱要中的內容細目提及地貌的改變包括地震與火山,而多數教科書會用一個章節來介紹地震相關的知識,若將相關的板塊構造運動內容也涵蓋進來計算,學習時數約莫是二至三堂課。在十二年國教課綱的草案中,亦將學習內容編寫在地殼與地貌的主條目下,由於與九年一貫課程綱要的書寫邏輯類似,故推測其篇幅與時數不會相差太多。而課文內容部分,會從地球內部分層、板塊構造學說的理論演變、板塊學說對臺灣島演化的解釋,一直延伸到認識斷層與褶皺,以及地震規模與震度(地震強度)的意涵......等等。然而本文欲探討的主軸為地震,故接下來舉例說明之試題,皆以直接評量地震相關的知識為範例。

最常令人混淆的迷思:規模與震度

學生對於規模與震度定義混淆是此類內容中最常見的迷思,當然也常作為評量的目標,在許多試題中皆可見融入此概念的影子,如以下的例題(一)、(二),例題(一)最主要的評量目標便是以規模和震度的辨別為主:

例題(一) 102年國中基測自然科第14題
14. 某村莊的地震測站記錄了四次地震,相關資料如表(二)所示。對這四次地震之間的相互比較,下列敘述何者正確?
(A) 1號地震所釋放的能量最少
(B) 2號地震所釋放的能量最多
(C) 3號地震對該村莊搖動破壞程度最小
(D) 4號地震對該村莊搖動破壞程度最大*

學生回答例題(一)時,僅需知道「釋放能量」可對應到的是地震規模、「搖動破壞程度」對應到的則是地震強度,即可作答此題。而例題(二)亦包括了此觀念:

例題(二) 103年教育會考自然科第22題
22. 阿芳蒐集同一地震、不同測站的資料,內容包含地震規模、地震強度、震源到震央的直線距離及測站到震央的直線距離。若阿芳將資料整理如表(四),其中甲、乙兩欄的資料數值不會隨地點而改變,丙、丁兩欄的資料數值會隨地點而改變,則下列有關表中四欄的敘述,何種組合較符合資料的特性?
(A)甲欄為地震規模,乙欄為測站到震央的直線距離
(B)甲欄為地震強度,乙欄為震源到震央的直線距離
(C)甲欄為地震規模,丙欄為測站到震央的直線距離*
(D)乙欄為地震強度,丁欄為震源到震央的直線距離

不過,實際上學生回答這題時,除了要具備知道例題(一)的觀念,還需進一步理解題幹中不同資料的特性。規模值因為代表的是地震釋放的能量,是一個客觀描述地震的方式,因此「同一地震」理應在不同的地方都仍會有一樣的地震規模值,但地震強度則是因地而異,理想上是離震央越近越大。題目中特別寫出測站到震央的直線距離,雖然評量的目標是資料特性,但其實這些距離分布和震度分布大致具有高度相關性。

了解定義,釐清迷思

至於為什麼地震規模和地震強度容易混淆?筆者進一步查詢資料,推論這類的混淆在國內、國外皆可見,因此在日本氣象廳、美國國家地質調查局都有相關的名詞解釋,且皆強調兩者的意義不同。這也說明這兩者本身就容易有誤用的情況,並不是國內才會出現「規模7級的地震」這種錯誤的用法。混淆的原因,筆者歸納後認為根本原因有3:

  1. 兩者皆為描述地震特性的方式。故對地震科學不熟悉的人們,時常會以為地震僅以一種方式描述。
  2. 兩者有類似的數值表示方式。各國會有不同震度分級,大致區分為8到12級的震度,與取對數值得到的地震規模的表示相近,甚至在不同華語圈也有不同的翻譯,譬如中國大陸與港澳地區是以「震級」表示地震規模,以「烈度」表示地震強度。
  3. 兩者的意義皆屬抽象,並不直觀。即使說明「一個是能量,一個是搖晃程度」,許多人仍難以體會其意義。

因此,筆者認為,或許需要引入這兩種描述地震的方式的發源典故、使用方法,才能更明確釐清迷思。

地震強度(震度)是較早出現的量度地震概念,在地震規模問世以前的年代,史料上的地震紀錄會描述地震時的情況,那便是地震強度本身的意涵。但早期還未明白地震的特性時,僅用這種方式來描述地震的大小,以現在的眼光來看,這就是有點誤把震度當規模的概念。到了1870年代,開始有人把「地震的感受」量化成震度階,切分成十級,用意在區分地震時的各地搖晃強度,而在這樣的出發點下,無論是人的體感、地震的頻繁程度、房屋的耐震程度,都會影響地震強度的畫分方式,這也可以說明,現今在不同國家、文化中使用的震度階,它的分級數量與方式都有一些差異。

接著我們再來看例題(三):

例題(三) 105年教育會考自然科第10題
10. 某防災研究單位,將各種不同設計方式的房屋模型,放在一個能模擬地震時搖晃程度的底座上,逐步增加搖晃的大小,直到房屋模型倒塌。此實驗是用來測試各種房屋設計的耐震程度,關於上述實驗中,底座搖晃程度的強弱變化與下列何者代表的意義最接近?
(A)震央位置           (B)震源深度
(C)地震強度*          (D)地震規模

這時,再來思考這樣實驗情境試題中的狀況,我們不難看出題幹中想闡述的觀念為震度。附帶一提,這樣的振動實驗設施,就在國家實驗研究院國家地震工程中心,該中心為國內地震工程主要的研究機構。

從地震強度到地震規模

但地震強度的描述,難以告訴我們「不同地震」的大小,除非我們將震度再做另一件事:繪製成等震度圖。這樣一來我們可以比較不同地震的影響範圍,進而作出比較,但這還是不客觀,而且十分難以定量研究,因此隨著地震學的發展,地震學家便發展出「地震規模」的量度方式。

地震學家芮克特(Charles Francis Richter)和古騰堡(Beno Gutenberg)兩位美國加州理工學院的地震學家,想出了一個方式來解決量測方式的問題:以地震波波形紀錄中的「最大振幅」來計算。但因為振幅的大小差距過大,所以用對數的方式來呈現,可以讓數字不致於太大,大致可以落在0至10之間。而以地震釋放能量的觀點來看,則會比振幅的差距再更大!簡化說,規模加1,就是多了32倍的能量、加2是多了近1000倍的能量,如下圖所示。

斷層與地震的誤解

在九二一集集地震後,人們見識到了斷層的力量,進而認識了斷層的危害。但對於斷層與地震的相關知識,卻偶見有空間觀念上的迷思。如例題(四)(此題為題組中的第二子題):

例題(四) 106年教育會考自然科第54題
圖(三十二)為某地的斷層與地震測站示意圖,★代表某次地震發生時的震央位置,粗黑線則是地震後地表發現的斷層破裂位置,甲、乙、丙、丁為四個地震測站。已知此四個地震測站與震央皆位於同一直線上,且地震發生時,四個地震測站中有三個地震測站感受到明顯搖晃,而另一個地震測站雖有儀器紀錄,但搖晃程度很小。
54. 為了解斷層在地下的分布與震源位置,將甲、乙、丙、丁四個測站的地下構造繪製在圖(三十三)的剖面示意圖上,下列關於斷層分布與震源位置的示意圖,何者最合理?

斷層呈現在地圖上時,會像是地表上的數條斷層「線」,而震央則是以一個地面上的「點」來呈現。然而實際上斷層「線」會往地下延伸,是以「面」的型式存在,當斷層發生錯動而地震時,地震的起始點「震源」,就會位於斷層上,震央則是震源向上投影至地表的位置,而學生若能理解斷層錯動引發地震的機制,並加上震源與震央的關係,便可回答此題。

結語:至關重要的地震「知識」

知道這些對防災有什麼幫助呢?地震的防災可謂人命關天,地震知識在人們的防災需求中,有益於理解地震發生當下的情境。譬如收到地震強度與地震規模資訊該如何理解,震度評估或斷層資訊又如何進一步幫助我們選擇居住地,這些都是地震知識與防災的重要連結。本文中所提及的地震知識,可以視為人民基本素養的知識內容,但在地震如此頻繁的臺灣,這些知識僅僅只有最低限度的標準,對於防災的應用仍遠遠不足。譬如斷層的致災型式、認識臺灣的活動斷層......等等,其內容過於深入,難以在有限時數的授課中發揮。但筆者認為其重要性不可低估,期許在制式教育中,地震與防災能有更多的著墨,不僅僅是學科領域,在各種課內外活動中,也能融入地震與防災的議題,以提高國人的防災意識。