地震預測計畫書

這是我在2008年9月15日完成的地震預測計畫書。

十二、研究計畫內容：

（一）研究計畫之背景及目的。請詳述本研究計畫之背景、目的、重要性及國內外有關本計畫之研究情況、重要參考文獻之評述等。

（二）初步研究成果。

（三）研究方法、進行步驟及執行進度。請分年列述：1.本計畫採用之研究方法與原因。2.預計可能遭遇之困難及解決途徑。3.重要儀器之配合使用情形。4.如為須赴國外或大陸地區研究，請詳述其必要性以及預期成果等。

（四）預期完成之工作項目及成果。請分年列述：1.預期完成之工作項目。2.對於學術研究、國家發展及其他應用方面預期之貢獻。3.對於參與之工作人員，預期可獲之訓練。

（一）研究計畫之背景及目的

1. 研究計畫之背景：

(1) 植物電訊號

植物電訊號的研究已經有一百四十年的歷史，舉其重要事件如下。1873年，達爾文的朋友Burden-Sanderson 首先觀測到植物電訊號。1924年，Bose(因為Bose-Einstein quantum effect而聞名於世的印度物理學家) 研究植物電訊號，並提出植物維管束相當於動物神經的獨特見解。1973年， Pickard設立實驗室研究植物電訊號。1981年，Davies從Pickard的實驗室學得研究植物電訊號的方法，從此投入植物電訊號的研究。1992，Wildon發表一篇番茄電訊號的論文於著名期刊 Nature，使得植物電訊號開始廣為人知。

目前植物電訊號的主要研究者包括Wildon和Davies等人，其論文常見於SCI期刊。這個領域主要在探討植物是否有其獨特的神經系統以及其對外界刺激產生的各種電訊號。

而最多學者探討的是植物在受到外界傷害時所產生的電訊號，以及這些電訊號在植物體內的傳遞路徑和電訊號所引起的反應。其中最重要的研究是植物對火以及機械性創傷的反應。最有名的就是Wildon的番茄實驗。Wildon發現以火燒番茄的葉片數秒鐘後，會使番茄葉片產生電訊號，這電訊號會傳到整株番茄，其傳遞速度大約為4mm/min，電訊號所到之處會產生特殊的化學物質PIN(Proteinase inhibitor， 蛋白酶抑制劑)。番茄的葉片受到機械性創傷時也會產生類似的電訊號。據推測，這是番茄對毛毛蟲攻擊的一種防衛機制：毛毛蟲啃食番茄葉片即會引發番茄葉片發送電訊號到整株番茄，於是整株番茄都會分泌PIN，使毛毛蟲吃了以後消化不良，因而達到防衛的目的。

此外，植物受到外來電刺激時，也會產生電訊號。

文獻中的火燒番茄葉片實驗，時間長度都在30分鐘左右。

本實驗室在做火燒番茄葉片實驗後，多做了後續幾天的觀察，因而發現番茄對汶川地震的反應。

(2) 地震預測

地震是主要的天災之一，往往會造成重大災害，威脅生命與財產，造成巨大的損失。最近一百三十年，各國投入大量人力物力研究，希望能以科學方法預測地震，可是並無明顯成果。

目前文獻中似乎可行的，只有Crampin和Niu的兩種方法。

Crampin利用地層裂縫兩種剪力波的時間差預測地震。Crampin聲稱他的地震觀測站可藉由比較兩種剪力波的時間差，在地震發生前數天至數月即預測地震的發生。他曾在1999年預測三個月內在Iceland會發生地震，結果在三天後發生地震。Crampin的方法需耗費鉅資蓋觀測站（每個觀測站需要US$ 4-10 million ，他希望在全球蓋1500個觀測站），而且誤差似乎太大。

Niu et al.今年七月登在Nature的文獻，是現在最被看好的地震預測方法。他們在地下埋設震波源和地震儀，測量震波的波速。結果發現波速平常是固定的，只有在地震前幾小時會變慢。這個方法仍然有耗費鉅資蓋觀測站的缺點，且距離實用還有一大段距離。

中國的地震局有一次成功的地震預測紀錄。海城地震發生前，中國的地震局即已預測到，並且撤離十萬居民，救了他們一命。當時在大地震前先發生了多次小地震，因此他們研判接著會發生大地震。可是這個方法對一般的大地震而言並不適用。

(3) 地震前兆

2008年5月12日汶川地震前幾天，美國航太總署的衛星觀測到汶川上方的電離層發出紅外光。中央大學的福衛三號衛星也偵測到汶川上方的電離層濃度下降。此外，汶川地區的動物也出現異常行為：蟾蜍大遷徙。台灣的鱷魚養殖場有鱷魚發出吼聲。日本地震前兆研究者Ikeya的實驗顯示，鰻魚和鯰魚在地震前會驚恐游動，鯰魚甚至會跳出水面。阪神大地震前，許多家庭飼養的貓狗出現異常的驚恐行為，例如躲在沙發底下不肯出來。日本官方已經宣布，最快從明年起將利用關西地區家庭中的貓狗進行地震預報實驗。

這些都佐證了我們的初步實驗結果，表示利用地震前兆預測地震的可能性。但是我們所採用的方法更為簡單而直接，涵蓋範圍更大，花費也更少。

2. 研究計畫之目的：

本研究計畫之目的為藉由分析植物電訊號而預測地震。我們在2008年5月12日汶川地震發生前幾天即已偵測到植物之異常電訊號，事後發現這應該是植物對汶川地震的反應。本研究計畫將研究植物電訊號與地震發生時間、位置、規模的關係。

3. 研究計畫之重要性：

如果我們能運用植物電訊號預測地震，將能使民眾在大地震發生前有充裕的時間撤離，以減少生命財產的損失。同時政府機關也能及早採取應變措施，例如預先補強重要設施、協助撤離災民、暫停行駛高鐵、暫停核電廠運轉等等。

（二）初步研究成果

1. 植物電訊號之偵測與分析：

研究如何偵測植物之電訊號並分析其特性。已獲得之初步研究結果如下：

(1) 植物對火的反應：主要以番茄進行實驗。發現以火燒番茄葉片10秒會使番茄產生30分鐘以上之電訊號，與文獻記載相同。

(2) 植物對地震的反應：主要以番茄、牛舌蘭、蘭花、仙人掌進行實驗。發現植物在地震前產生電訊號，似乎可用來預測地震。這是我們的新發現，目前正準備投稿SCI期刊。

2008年5月12日汶川地震前幾天宜蘭觀測站之番茄電訊號(經過0.1Hz高通濾波)如圖1：

圖1 汶川地震前宜蘭之番茄電訊號(經過0.1Hz高通濾波)

圖1的x軸0點是汶川地震發生時刻。

圖2是台北觀測站的番茄在2008年9月8日花蓮芮氏規模4.7地震及9月9日宜蘭芮氏規模6.1地震前產生之電訊號(經過0.01Hz高通濾波)：

圖2 花蓮及宜蘭地震前台北之番茄電訊號(經過0.01Hz高通濾波)

圖2中間的紅點是花蓮芮氏規模4.7地震發生時刻，右邊的紅點是宜蘭芮氏規模6.1地震發生時刻。

4. 參考文獻評述：

(1) 植物電訊號

a. Fromm et al, 2007：回顧一百四十年的植物電訊號研究史。

b. Brenner et al, 2006：試圖將植物電訊號研究擴展為 “Plant neurobiology”。

c. Davies, 2004：探討植物電訊號的新功能。

d. Dziubinska et al, 2001：探討向日葵體內兩種植物電訊號的傳遞路徑。

e. Rhodes et al, 1999：探討同一種番茄電訊號的兩種傳遞路徑。

f. Rhodes et al, 2006：探討番茄電訊號及其傳遞路徑。

g. Stankovic et al, 1996：探討兩種番茄電訊號都會誘發proteinase inhibitor之產生。

h. Vian & Davies, 2006：探討兩種番茄電訊號引發的生化反應。

i. Volkov et al, 2007：探討火燒蘆薈葉片時產生的電訊號。

j. Wildon et al, 1989：探討火燒番茄葉片時產生的電訊號。

k. Wildon et al, 1992：探討番茄葉片受到機械創傷及火燒時產生的電訊號，以及它們在整株番茄誘發的proteinase inhibitor。發表在Nature，是最常被引用的著名文獻。

(2) 地震預測

a. Geller, 1997：回顧一百二十幾年的地震預測研究史。

b. Ball, 2008：介紹地震預測現況，並描述Crampin的地震預測方法。

c. Niu et al, 2008：今年七月登在Nature的文獻，是現在最被看好的地震預測方法。

(3) 地震前兆

a. Ikeya, 1998：探討阪神地震的地震前兆，並試圖以物理原理加以解釋。

b. http://www.monstersandcritics.com/news, 2008：報導中央大學的福衛三號衛星在汶川地震前偵測到汶川上方的電離層濃度下降。

5. 參考文獻：

(1) Ball, Nature news: A broad view of quake ‘prediction’, doi:10.1038/news.2008.813, 2008.

(2) Brenner E D, Stahlberg R, Mancuso S, Vivanco J, Baluska F and Van Volkenburgh E, “Plant neurobiology: an integrated view of plant signaling”, TRENDS in Plant Science Vol. 11 No. 8, 2006.

(3) Davies E, “New functions for electrical signals in plants”, New Phytologist 161: 607-610, 2004.

(4) Dziubinska H, Trebacz K, Zawadzki T, “Tansmission route for action potentials and variation potentials in Helianthus annuus L.”, Journal of Plant Physiology 158.1167-1172, 2001.

(5) Fromm, J. & Lautner, S. Electrical signals and their physiological significance in plants. Plant, Cell and Environment 30, 249–257 (2007).

(6) Geller R J, “Earthquake prediction: a critical review”, Geophys. J. Int., 131,

425-450, 1997.

(7) Ikeya M, Matsuda T & Yamanaka C, “Reproduction of mimosa and clock anomalies

before earthquakes; Are they ‘Alice in the Wonderland Syndrome’?” Proc. Japan Acad., 74(B), 60-64 (1998).

(8) Niu F et al, 2008, “Preseismic velocity changes observed from active source monitoring at the Parkfield SAFOD drill site”, Nature, Vol 454 , 2008.

(9) Rhodes J D, Thain J F and Wildon D C, “Evidence for physically distinct systemic signalling pathways in the wounded tomato plant”, Annals of Botany 84: 109-116, 1999.

(10) Rhodes J D, Thain J F, Wildon D C, “Signals and signaling pathways in plant wound responses, Communication in Plants”, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.

(11) Stankovic B, Davies E, “Both action potentials and variation potentials induce proteinase inhibitor gene expression in tomato”, FEBS Letters 390 275-279, 1996.

(12) “Taiwan satellite records change in ionosphere before Sichuan quake” http://www.monstersandcritics.com/news/asiapacific/news/article_1405700.php/Taiwan_satellite_records_change_in_ionosphere_before_Sichuan_quake, 2008.

(13) Vian A, Davies E, “Two different wound signals evoke very rapid, systemic CMBP transcript accumulation in tomato”, Plant Signaling & Behavior 1:5, 261-264, 2006.

(14) Volkov A G et al, “Electrical signaling in Aloe vera induced y localized thermal stress”, Bioelectrochemistry 71 192-197, 2007.

(15) Wildon D C, Doherty H M, Eagles G, Bowles D J and Thain J F, “Systemic Responses Arising From Localized Heat Stimuli in Tomato Plants”, Annals of Botany 64, 691-695, 1989.

(16) Wildon D C et al, “Electrical signalling and systemic proteinase inhibitor induction in the wounded plant”, Nature, Vol 360,1992.

（三）研究方法、進行步驟及執行進度。請分年列述：1.本計畫採用之研究方法與原因。2.預計可能遭遇之困難及解決途徑。3.重要儀器之配合使用情形。4.如為須赴國外或大陸地區研究，請詳述其必要性以及預期成果等。

1. 本計畫採用之研究方法與原因

(1) 本計畫採用之研究方法概述：

a. 在量測方面，主要參考文獻中既有的量測植物電訊號的方法，再做一些適當的改變。

b. 在分析方面，主要參考既有的分析電子訊號的方法，再做一些必要的調整。

c. 在結果研判方面，則與氣象局即時地震資料以及國內外各種地震情報比較，進行研判。

(2) 本計畫採用此研究方法之原因：以學術界既有之可靠方法為基礎，加上我們獨特的調整，配合網際網路的即時地震情報，以獲得有用的研究結果。

(3) 本計畫採用之研究方法，詳述如下：

a. 實驗設備：XctionView II Data Acquisition System(4 channels)。

b. 實驗用植物：番茄、牛舌蘭、蘭花、仙人掌、蘆薈等等。

c. 實驗方法：對每個 channel, 正極插入植物葉片或枝幹中，負極及參考極插入花盆土壤中。這部分仍需再嘗試其他不同接法，比較其異同。例如將插入式電極改成表面電極，將負極改成插入植物靠近根的部分，將參考極改成接地線等等。此外尚須釐清Faraday Cage的影響為何、哪種電極材料比較合適等等。

d. 訊號分析方法：進行適當頻率之取樣及帶通濾波，以獲取有用之訊號。尚須研究其他的訊號處理方式有何效果，並觀察不同頻率訊號的特性。

e. 結果研判方法：與氣象局即時地震資料以及國內外各種地震情報比較，進行研判。

2.預計可能遭遇之困難及解決途徑

(1) 如何區分區域性地震與遠方地震：在不同區域設置觀測站，如果訊號在某一區域的強度明顯比其他區域都強，則表示是此區域的區域性地震；否則即為遠方地震。

(2) 如何增進預測的準確度：在各區域廣設觀測站。

(3) 如何降低儀器費用：與廠商合作，開發專用儀器。

3.重要儀器之配合使用情形

無。

4.如為須赴國外或大陸地區研究，請詳述其必要性以及預期成果等

(1) 須赴大陸四川：四川是最近大地震最常發生的地區。在當地建立觀測站，將有立即拯救人命的效果。

 

（四）預期完成之工作項目及成果。

第一年：

1. 預期完成之工作項目：

(1) 建立植物地震電訊號之量測與分析系統。

(2) 比較不同物種的植物對同一個地震所產生之地震電訊號，以找出不同植物之地震電訊號特性，例如波形之異同，訊號強弱，與地震發生時刻之時間差等等。

(3) 針對不同植物開發出合適的地震電訊號量測方法。

(4) 針對不同植物開發出合適的地震電訊號分析方法。

(5) 找出幾種適合放在觀測站的植物。

(6) 在宜蘭、台北各設立一個觀測站。

(7) 將植物電訊號與國內外地震發生時間、地點、規模比對，以找出其規律。

(8) 申請專利。

(9) 將結果發表於SCI期刊。

2.對於學術研究、國家發展及其他應用方面預期之貢獻：

(1) 向學術界展示此一嶄新的地震預測方法。預期將在各國引發新的一波研究熱潮。各國政府也將投入更多人力、財力研究。

3.對於參與之工作人員，預期可獲之訓練：

(1) 建立量測植物地震電訊號之能力。

(2) 建立分析植物地震電訊號之能力。

(3) 建立分析地震情報之能力。

第二年：

1. 預期完成之工作項目：

(1) 與廠商合作，開發具備無線傳輸能力、以GPRS為基礎之植物地震電訊號量測儀器。

(2) 在宜蘭、台北、花蓮、台東各設立一個觀測站，建立一個小型地震預報網路。

(3) 藉由分析各個觀測站的訊號而預測各區域地震之發生時間、地點、規模

(4) 將結果發表於SCI期刊。

2.對於學術研究、國家發展及其他應用方面預期之貢獻：

(1) 預測台灣東部地震。

3.對於參與之工作人員，預期可獲之訓練：

(1) 建立預測台灣東部地震之能力。

第三年：

1. 預期完成之工作項目：

(1) 小量生產具備無線傳輸能力、以GPRS為基礎之植物地震電訊號量測儀器。

(2) 在宜蘭、台北、花蓮、台東、新竹、台中、台南、高雄、各設立一個觀測站，在四川設立五個觀測站，建立一個中型地震預報網路。

(3) 藉由分析各個觀測站的訊號而預測台灣及四川地震之發生時間、地點、規模。

(4) 將結果發表於SCI期刊。

2.對於學術研究、國家發展及其他應用方面預期之貢獻：

(1) 預測台灣及四川之地震，並與兩岸相關之學術機構、政府機關交流。

3.對於參與之工作人員，預期可獲之訓練：

(1) 建立預測台灣及四川地震之能力。