第壹單元:大 

第一節水的分布

在人類生存的地球上,水是無所不在,地球可以說是一個”水”的星球。水也是地球上任何生物不可缺少的,它可以滋養萬物,使我們的生命得以延續,而且水是自然界中數量最多的液體,甚至天氣的變化跟水也有密切的關係,水也是地表上唯一以三態並存的物質,它們是固態的冰、液態的水和氣態的水氣。我們都知道地球上早期的生命起源於海洋,如果冰不能漂浮在水面上,地球即使有生命也無法安然度過冰期。由此可見,水的特性對地球上生物影響的重要性。

1-1-1地表水

地球上的水藉由陽光的熱能所產生的蒸發作用,自海洋、河流、湖泊的蒸發,轉換成水氣傳送到大氣層中,大氣層中的水氣再經由凝結(雲、霧)與降水(雨、雪、冰雹)的形式回到地表,在地面時經由河流或地下水的途徑匯入海洋,或是直接蒸發或由植物蒸散到大氣中,形成一個永續的循環,稱為水循環。一個水分子由大海中蒸發進入大氣層中,再落回地面,流入海洋,完成一個循環大約需要七至九天(實際所需的時間要看水分子經過的路徑而定)。

1

1-1-2地下水

絕大部分的地下水來自於降水,當雨、雪等降到地面,一部分成為地表河流,一部分蒸發掉了,剩下的部分則沿岩層空隙滲入地下。據估計在全球年降水量中,約77%在未注入河流前先流入地下。若是你知道,高雄地區的人不敢飲用自來水,買山泉水比汽油還貴,你或許會覺得台灣距離搶水喝的日子也不遠了。

地下水的形成:降水滲入地下後,因重力作用而向下滲透,當水分下滲達到某一深度,遇到不透水的地層如黏土、頁岩等時,就貯存起來,逐漸往上充填於土壤或岩石的間隙中,形成飽和狀態,其頂部即為地下水面。地下水面之上稱不飽和帶,其中土壤或岩石孔隙中並未充滿水分,還有空氣存在;相對的,地下水面之下的土壤或岩石孔隙是充滿水的,稱為飽和帶(如下圖二)所示。

image019拷貝

地下水與井的關係:當人類活動範圍內無法順利從地表取得使用淡水時,就要依靠鑿井取水。當地下水的水面位置低於井的底部時;就會成為無水井,(如圖三的2號井),地下水的水面位置高於井的底部時;就會成為有水水井(如圖三的1號井及3號井),地下水的水面位置高於井的井口時;就會成為自流井(如圖三的4號井)。然而,地下水的流動慢、補充不易,因此出水量會有一定的上限,超限抽取將會使導致地下水源逐漸枯竭,還有可能造成地層下陷海水入侵地下水層或土壤鹽化的嚴重災害。例如本省屏東佳冬雲林口湖嘉義布袋沿海地區等地,每逢下大雨,積水不易流入海中。

image003

1-1-3冰川

冰川是一巨大的流動固體,是在高寒地區由雪再結晶聚積成巨大的冰川冰,因重力這主要因素使冰川冰流動,成為冰川。現代冰川區約佔全球地表10%,而且全球冰總體積約有91%南極洲,所以只要南極洲的冰全部融解,全世界海平面將上升60公分。

地球上的南、北極和高山上,因溫度低,極區日照不足,終年嚴寒的氣候,累積冰雪成為廣大冰川,當冰川邊緣遇海水崩陷後,海上冰山對往來航行船隻造成嚴重威脅。例如有名的鐵達尼事件。

1-1-4海水

海水之所以很鹹,是由於它含有相當數量的鹽,為什麼海水中含有鹽分呢?其實,海水並不是一開始就充滿鹽分的,最初它和江河的水一樣也是淡的,由於地球上的水總是不停地運動,不停地作水循環,每年從海洋表面蒸發掉的水分就有一億二千五百萬噸之多。就這樣,海洋源源不斷地從陸地得到物質。而在海水的蒸發過程中,所收入的鹽類卻又不能隨水蒸氣升空,只能滯留在海洋裏,如此周而復始,日積月累,海洋中的鹽分越積越多,海水自然變得越來越鹹了。當然,這是一個極為緩慢的過程,但是經過幾百萬年甚至更久,海水中積累起來的鹽分就十分可觀了。

海洋中的海水和陸地上的河川中的水最大的不同在於它是鹹的。事實上,海水中的水只佔96.5%,其他的3.5%則為氯化鈉、氯化鎂等鹽類。這些鹽類在海水中的含量以鹽度來表示,鹽度指的是一公斤海水中所有溶解物質的總量,一般海水的鹽度約為350 (一公斤海水中有35公克的鹽類)

 

第二節美麗的礦物

歷史老師曾介紹過人類歷史中有石器時代,所以自古以來,岩石和人類生活就很密切,岩石當作工具、建材或裝飾品,在仔細觀察岩石的顏色或當中的顆粒大小,會發現許多不同的內容物。因岩石是由一種或數種礦物所組成,要了解岩石之前要先認識礦物。

礦物的定義:礦物是一種天然產出無機元素或化合物,具有一定的晶形、化學組成物理性質。特別強調的是礦物是一種自然界的產物,故凡是在實驗室中用合成的方法製造出的成分、結晶構造、以及物理化學性質和天然礦物極為相似的物質,嚴格說來只是一種化合物,不能算是礦物,通常在命名時會加上「人造」以做為區別。自然狀態下,除了天然水銀呈液態外,其他天然元素大都有一定的結晶構造(晶形)。煤炭、珍珠等由有機物轉變成的,琥珀由松脂轉變成的,雖是寶石的一種,但礦物學家不視為礦物。

1-2-1主要造岩礦物

地球上有二千多種礦物,雖然種類眾多,主要的造鹽礦物卻只有八種,只要認識這些礦物,對於大部分的岩石就可以有初步的認識,介紹如下:

石英︰屬六方晶系,由二氧化矽組成,地殼中的含量約為12%,僅次於長石族礦物。硬度7,白色至無色透明,為花岡岩和砂岩中之主要礦物,不易風化。

長石︰長石族礦物是地殼中分布最廣的礦物,肉色或白色,硬度6-6.5,有很好的兩組解理,是花岡岩和片麻岩中之主要礦物,風化後易成為黏土礦物。

雲母︰是組成花岡岩的礦物之一,多長成板狀六邊形的晶體,很容易剝成薄片狀。常見的雲母有白雲母和黑雲母,白雲母是灰色或無色,不會導電,是很好的絕緣體。

(四)輝石︰黑色,條痕為白帶綠色,硬度5-6,晶體呈短柱狀,常見於安山岩和玄武岩之中。

(五)角閃石︰黑色,條痕為白色,硬度56,晶體呈細長柱狀,常見於安山岩之中。

(六)橄欖石︰橄欖綠色、褐色或黑色,條痕為白色,硬度6.77,產於橄欖岩中。

(七)方解石碳酸鹽類礦物易長成六方晶體,或是粒狀、鐘乳狀、放射狀,白色或透明無色,條痕為白色,硬度3,有三組良好解理,為石灰岩和大理岩之主要成份

 

1-2-2辨認礦物的方法

傳統的礦物鑑定方法只靠肉眼、放大鏡和一些簡單的工具,例如條痕板、小刀等,要檢視的是礦物的顏色、硬度、條痕、晶形、解理等物理性質,在鑑定中經驗極為重要,我們必須抓住礦物的少許重要特徵才能認出。

礦物的物理性質

(一)顏色︰就是礦物在自然光照射下的顏色,是可見光波進入人眼所顯示的效果,礦物的顏色視光線射進礦物之後所反射或透射出來的波段而定,每一種礦物具有固定或多種不同的顏色。例如:正長石為肉紅色、淺灰或綠色,石英有透明、紫、白、紅、黃等不同顏色。

(二)硬度︰礦物抵抗磨損的能力,也就是兩種礦物靠在一起摩擦後的結果,非耐敲擊的特性。有一種專供鑑定礦物硬度的方法,是1824年一位叫做Friedrich Mohs奧地利礦物學家所提出的,他利用表列十種礦物做為硬度的標準,稱為摩氏標準硬度礦物,可以測定礦物的相對硬度,即拿標準礦物在未知礦物的表面上刻劃,能被刻劃的礦物表示硬度較低,反之則較高。(如表一)

(三)條痕︰礦物粉末的顏色,有些礦物的顏色會跟條痕相同,但少數礦物的顏色卻不一定會相同,該性質可作為重要的辨別性質。例如:赤鐵礦的顏色是黑色或紅色,條痕一定為磚紅色,黃鐵礦顏色是淡黃色,條痕為黑色。

(四)解理︰當礦物受到外力作用時,容易沿某些較薄弱處方向破裂的特性,這些破裂面稱為解理。方解石有三組解理,雲母有一組解理。

(五)晶形:礦物在形成時會有固定的外形稱為晶形。例如:方解石為菱形,雲母為六角片狀,黃鐵礦為正立方體。

表一摩氏硬度表(摩氏硬度標準)

硬度

礦物

備註

1.

滑石

極軟

2.

石膏

 

3.

方解石

 

4.

螢石

 

5.

磷灰石

 

6.

正長石

 

7.

石英

 

8.

黃玉

 

9.

鋼玉

 

10.

金剛石

極硬

 

表二:常見的造岩礦物性質

   礦物

晶形

解理

硬度

顏色

條痕

石英

六面角錐柱狀體

>長石

>玻璃

無色(透明)或白色,有時呈紫、粉紅、黃色

長石

長方體

二個方向解理

>玻璃

<石英

白色或無色,有時呈肉紅色、淺灰、淺藍、淡綠色

白雲母

六角片狀

一個平行底面的解理

<硬幣

白色、淡褐色、淡綠色

黑雲母

六角片狀

一個平行底面的解理

<硬幣

暗褐色、暗綠色

白帶綠

角閃石

長柱狀

二個方向的解理,相交120

>玻璃

<石英

褐色、暗綠色

黃褐

輝石

短柱狀

二個方向的解理,相交90

>玻璃

<石英

褐色為主

白帶綠

橄欖石

短柱狀或粒狀

不明顯

>玻璃

<石英

黃綠色為主

白帶綠

方解石

菱形體

有三個方向的解理

>雲母

<硬幣

無色(透明),白色

 

 

 

image009

image011

照片一 紫水晶

照片二 黑雲母

 

image013

image015

照片三:方解石(冰晶石)

照片四:安山岩中的八角形輝石

 

1-2-3礦物用途

一般的礦物大部分是被當作寶石;因為礦物硬度高(大於7度),加上稀少且外表美麗討人喜愛,例如紅寶石、藍寶石、黃玉、鑽石(金剛石)及橄欖石。

另外其他礦物的用途:滑石是製作痱子粉的原料,石膏可用來製作豆腐和石膏像,石英砂是作玻璃的原料,長石風化後的黏土礦物(高嶺土)可以作陶瓷器,雲母可以放置在吹風機內作為隔熱器材。

 

第三節常見的岩石

岩石是礦物的集合體,組成地殼的主要物質。岩石是由一種礦物或多種礦物組成,岩石按照形成的方式可以分為三種;

火成岩:直接由岩漿冷卻後產生。

沉積岩:岩石經風化、侵蝕後的碎屑沉積下來,經堆積、膠結而成的岩石。

變質岩:岩石在高溫、高壓時,未產生熔融狀態的固態中,組織發生改變或產生新的礦物,所形成的岩石。

表三:常見的岩石分類表

三大岩類

岩石名稱

                           

 

 

火 成 岩

 

花岡岩

在地底慢慢冷卻形成,大陸地殼主成分。

玄武岩

岩漿噴出地表在地表快速冷卻形成,海洋地殼主成分。

安山岩

在地表快速冷卻形成,但性質、顏色及顆粒大小介於花岩與玄武岩之間,常出現在海洋板塊及大陸板塊交界帶。

沉積岩

 

粒徑在2mm以上的碎屑沉積物組成,肉眼可辨識顆粒。

 

粒徑在2~1/256 mm之間的碎屑沉積物組成,摸有粗糙感覺。

 

粒徑在1/256 mm以下的碎屑沉積物組成,觸摸有滑膩感。

石灰岩

主成分由生物遺骸如:珊瑚、貝殼、骨頭等等所組成

變質岩

 

由頁岩變質而來。

大理岩

由石灰岩變質而成。

 

image017

image019

照片五:顆粒結晶清楚顏色偏淡的花岡岩

照片六:顆粒結晶不明顯顏色較黑的玄武岩

 

image021

image023

照片七:顆粒界於花岡與玄武的安山岩

照片八:圓粒清楚且大於2公厘的礫岩

 

image025

image027

照片九:顆粒具粗糙感的砂岩

照片十:顆粒摸起來有滑膩感的頁岩

 

image029

image031

照片十一:具結晶型態的石灰

照片十二:經過變質作用生成的板岩

 

第四節化石與地層

在地層對比常用的一種,以化石作對比法,例如圖四為三個沈積地層;甲地層中有馬的骨骼化石(新生代),乙地層中有恐龍的骨骼化石(中生代),丙地層中有三葉蟲的化石(古生代),丁為安山岩岩脈,戊為斷層。我們可以由各地層的化石得之地層的絕對時間排列是古生代=>

中生代=>新生代,岩層由下往上一層一層堆積,所以沉積年代老的岩層在下,年代新的在上

另外安山岩岩脈及斷層均晚於三個沈積地層,所以上述五個地質事件的排列順序分別是:丙地層:有三葉蟲的化石(古生代)=>乙地層:有恐龍的骨骼化石(中生代)=>甲地層:有馬的骨骼化石(新生代)=>丁:安山岩岩脈=>戊:斷層。

image036    
image034 

  照片十三: 南橫寶來的化石

1-4-1化石成因

首先我們先來介紹,古生物學是一門專門研究化石的科學,是地質學中的一門,當中有提到化石是地質時代生物的遺體、遺跡或排泄物等,在自然狀態下被埋藏在地底下而被人類挖掘出來者,而且化石必須具備有時間上的意義,例如恐龍的化石代表該地層是中生代,三葉蟲化石代表

是古生代的地層。另外

()形成化石的條件:生物須具有堅硬部份,在其死亡後被迅速掩埋,掩埋的場所以沈積岩最好,當中以頁岩和石灰岩的顆粒最細緻,形成良好化石的機會最高。

()形成化石的機率:自顯生元以來,科學家估計約有十億種以上的生物出現過,但是成為化石被人類發現而記錄下來的約有13萬種之多,機率約0.013%。

()標準化石:能夠決定地層形成年代的化石,一般須具備以下的條件

1、演化速度快。 2、生存期限短 3、分布範圍廣 4、個體數量多 5、具有明顯特徵極易辨識

有些化石未受改變的方式,就是整個生物體幾乎沒有變化,包括肉體和骨骼都被保存下來,例如琥珀中的蚊子或西伯利亞冰層裡發現的長毛象。還有一些經過改變的形式,其生物體本身的成份可能經過礦化、溶解、取代、脫水、再結晶等作用,而改變其硬殼或骨骼的成份或結構,如美國亞利桑那州的矽化木,樹幹的組織完全為矽所取代,但其年輪等植物體結構仍然保留下來。最後是生物體的遺跡,像是古生物的排泄物或活動所留下來的痕跡均屬之,此種化石稱為生痕化石,常見於苗栗後龍溪出口的砂棒;螃蟹挖的洞穴等。所以要形成化石是非常稀少的,而且化石可以帶給我們許多遠古時代的重要訊息。

 

1-4-2地層與地質事件

在地質事件的介紹之前先認識一些地質上的原理:

()水平定律:沉積物沉積時都呈水平狀態。

()疊置定律:未受劇烈變動的沉積岩層,越下方的岩層年代越老。在一般情況下,上層的地層比下層的地層新(年輕)。

()截切定律:地質事件相互影響,被截切的地層比截切的地層老。

實際應用:如下圖五地質事件發生圖當中,由水平定律得知該地層尚未受到外力影響,再由截切定律中可以知道火成岩脈與斷層比頁岩、礫岩、砂岩較晚發生(頁岩、礫岩、砂岩被火成岩脈與斷層截切),而火成岩脈比斷層早發生,(火成岩脈被斷層截切),最後疊置定律決定出岩層的先後順序是:頁岩=>礫岩=>砂岩。所以整個發生的地質事件的先後順序分別是:頁岩=>礫岩=>砂岩=>火成岩脈=>斷層。

5

 

1-4-3地質年代

在地球漫長的46億年間,為了區分時間上的方便,所以就依照歷史上各朝代的分法,區分為元、代、紀、世、期,例如:現在是顯生元的新生代第四紀的全新世末。這種分法是按照放射性定年的方法來決定岩層形成年代。

(一)相對地質年代:利用化石出現的先後順序來決定岩層沈積的順序,此種方式只能決定先後,無法決定岩層形成的時代距離今日有多久。

表四:地質年代表

Eon

Era

Period

Eopch

放射性定年

單位:百萬年

顯生元

Phanerozoic Eon

新生代

第四紀

全新世

0.01

更新世

1.6

第三紀

上新世

5.3

中新世

23.7

漸新世

36.6

始新世

57.8

()新世

66.4

中生代

白堊紀

 

114

侏儸紀

 

208

三疊紀

 

245

古生代

二疊紀

 

286

石炭紀

 

360

泥盆紀

 

408

志留紀

 

438

奧陶紀

 

505

寒武紀

 

570

隱生元

Cryptozoic Eon

元古代

 

 

2500

太古代

 

 

3900

超古代

 

 

4600

(二)絕對地質年代:利用放射性同位素定年的方法來決定岩層形成的年代。

絕對時間(Absolute time)

決定一個地質作用或地質事件是在多少年前造成的,是一種有數值(通常以年或百萬年為單位)的測定。例如利用放射性同位素定年的方法來決定一個地質事件(例如火山噴發形成熔岩)的絕對時間。以下為自地球誕生以來的地質年代表:(如上表四)所示。

創用CC標示:
CC