第貳單元  地球的構造與變動

第一節地球內部構造

地球是一個球狀物體,由固體、液體和氣體物質按照一定的分布順序組成。(圖一)

地球本身的主要部分為固體,外層叫岩石圈;岩石圈表面為一層並不連續的水份所包圍叫水圈;水圈以外,再由一層氣體所籠罩是大氣圈。

這三者的界限並不完全明確,因為水和空氣、空氣和岩石、岩石和水常常混雜在一起,如大氣常含水份與固體的岩石微粒,水圈則有岩石粒子成為沈積物,岩石圈受空氣與水的作用而發生變化 。

2-1-1地球內部分層

地球內部可分為下列3部分:(科學家分析震波在地底下傳播速度的變化)

()地殼(crust):平均厚度約為40公里。陸地地殼較海洋地殼厚,例如西藏高原下的地殼厚約7080公里,而海洋地殼平均為58公里

()地函(mantle):約從地殼下部至2,900公里。 

()地核(core):分為內核與外核。自地函的下限至5,100公里稱為外核,再由外核的下限至地球中心,稱為內核。(圖二)

2-1-2岩石圈與軟流圈

經由上述圖一及圖二說明後得知:在上部地函當中,有部分的物質成熔融的狀態,可塑性增高,就形成軟流圈(250公里),在軟流圈上方還有一層固態的岩石總厚度約為100公里的岩石圈:它包括平均40公里的地殼與60公里的一部分上部地函。

岩石圈可分裂成一些大小不等的板塊,而且彼此互相碰撞,產生不同作用與地形。在軟流圈中會有熱對流產生(圖三),並且板塊的分離處可形成中洋脊,板塊聚合處形成海溝。

第二節板塊構造學說

2-2-1大陸飄移學說

韋格納1915年以德文出版了以大陸漂移為主題的94頁小書《大陸與海洋的起源》( The Origins of Continents and Oceans)第一版。他在書中說道:

我首度想到大陸漂移的觀念......可以回溯到1910年,當時我在研究世界地圖的時候,對於大西洋兩岸的酷似,令我印象深刻,而想起大陸漂移這個觀念;然而最初我並不重視它,因為認為這實在太異想天開了。1911年秋天,在偶然收集到的資料中獲得了古生物學上的證據,證明巴西非洲之間曾有陸地互相連接,因為這些證據,使我轉到地質學和古生物學方面研究,也因此使我對「大陸漂移說」的信念更加堅定。

韋格納在他的學說中提出的大陸漂移理論,可由較早的石炭紀末期(Late Carboniferous)各大陸皆處在相連的狀態(如圖四)所示。

到了第三紀(Middle Tertiary)的中期,(如圖五)各大陸包含美洲、非洲、和澳洲大陸間己出現象分離現象。在大陸緩慢移動的過程中,因分離而產生間隙,由於陸地之間產生裂谷甚至海水湧入形成海洋,且大陸的形狀與亦會產生變化,和現今的狀態有所不同。

現今的大陸約與第四紀初期(Early Quaternary)相似,大西洋己然形成,但面積較現今為小,代表大西洋的面積因美洲大陸與非洲大陸的逐漸分離而仍然在不斷擴大之中,(如圖六)所示,相較圖四至圖六之不同可以看出大陸漂移的歷程。

2-2-2海底擴張學說

美國普林斯頓大學的海斯H. Hess)在他的論文《洋底盆地的歷史》(History of Ocean Basins)中提出了「海底擴張說」。更進一步,海斯指出中洋脊是海底擴張的中心,新的海洋地殼在中洋脊形成並向兩側擴張而去,而經由海溝系統回到地函。

1963年,加拿大威爾遜J. Tuzo Wilson)以福爾摩斯的地函對流來解釋大陸漂移及海底擴張的現象。如此,新的海洋地殼持續在中洋脊的裂谷生成,而舊的海洋地殼即隨著地函熱對流向兩側擴張,也帶動了大陸的漂移。另一方面,當擴張前緣到了對流的沈降處時,海洋地殼即隨之沈降而形成海溝,較輕的大陸地殼則堆積褶皺成為山脈南美洲安地斯山脈及其西側的海溝就是典型的代表(圖八)。

2-2-3板塊構造學說與板塊交界

而在1968年正式提出最早的「板塊構造運動學說」。這個學說吸納了一切海底擴張大陸漂移的證據,以組成地球剛性表層的「板塊」之間相互運動,來解釋海底擴張與大陸漂移諸現象。板塊的厚度即為岩石圈100公里範圍,包含了地殼最上部的地函,而中洋脊、海溝、褶皺山脈或轉形斷層等構造即為板塊的邊界;至於板塊移動的動力來源為何,板塊構造運動學說仍引用地函熱對流的假說來解釋。

我們已知全球共有七個主要的大板塊及許多小板塊,板塊表面可以是陸地、海洋或二者兼有之(圖九)。位於洋底的中洋脊及陸地上的大裂谷產生新的地殼,是板塊相互張裂的邊界;而老地殼隱沒銷毀或層層堆疊的地方則成為海溝及褶皺山脈,這是板塊相互聚合的邊界。

 

第三節地殼變動

我們可以在地球上到處看到地殼變動的證據,最簡單的就是水平的沈積岩層發生傾斜現象(如照片一),是東北角龍洞灣附近明顯的傾斜岩層,表示台灣曾受到巨大力量擠壓所留下的證明。另外,喜馬拉雅山的地殼變動後(如圖十),在高山上發現海洋生物化石菊石,這也是遭受很大的大陸地殼擠壓造成。所以地殼變動的主要力量來自於內營力(地球內部),往往使大陸地殼發生上升或下降運動,也可以使岩石發生變形、擠壓或斷裂,產生褶皺、斷層或解理。

 

 

照片一:是東北角龍洞灣附近的傾斜岩層

圖十:喜馬拉雅山受大陸地殼擠壓示意圖

2-3-1地質構造

原來沈積時是水平的岩層,經過地殼變動以後就發生變形,改變原有的形態或發生彎曲、破裂,在不同階段可以造成不同的現象,這些都叫做地質構造,最普遍的有節理、斷層、褶皺等。

在地表附近岩層中,常見彼此互相平行天然形成的破裂面,且破裂面兩側岩層沒有相對位移,稱為節理(Joint) ,而且常常有許多平行的節理構成一組節理組(Joint set)如果發生過顯著的位移,就叫做斷層(Fault),這個破裂面就稱為斷層面。

斷層是一種破裂性的變形,兩側岩層延著破裂面(斷層面)發生相對移動,或上下或前後左右,依斷面傾斜角度將兩側岩層分為上盤及下盤,因斷層發生時實際運動情形分為:

正斷層:上盤對下盤相對向下移動,或下盤相對上盤向下運動。(如圖十一)

逆斷層:上盤對下盤相對向上移動,或上盤相對盤下向上運動。

橫移斷層:又稱平移斷層,以觀測者面對斷層相對之左、右移動。

(如圖十二)

在地表較深岩層中,因為越深埋地底,岩層周圍溫度越高,就越增加岩層的可塑性,若岩層受到板塊擠壓,則位於地下深處的岩層就會發生柔性變形作用,產生褶皺。常見的褶皺構造基本上可為背斜和向斜兩種構造,背斜構造為岩層分別向外傾斜,換句話說就是岩層朝中心線隆起,如圖十二的A軸。向斜構造則為岩層分別向內傾斜而成,也就是岩層往中心線下陷,如圖十三的B軸。

(相片二為褶皺)

相片二:東西橫貫公路路邊的小褶皺

圖十三:A-背斜構造 B-向斜構造

2-3-2地震發生的原因

由於地球內有一種推動岩層的應力,當應力大於岩層所能承受的強度時,岩層會發生錯動,而這種錯動會突然釋放巨大的能量,並產生地震波,當它到達地表時,引起大地的震盪,這就是地震

地震可分為自然地震與人工地震(例如:核爆)。一般所稱之地震為自然地震,依其發生之原因又可分為:

(一)構造性地震:以板塊運動所造成的地殼變動(構造性地震)為主,全球地震原因所佔比例最高。

(二)火山性地震:地表上的火山爆發引起的地震,如維蘇威火山和南亞大地震引起的海嘯。

(三)衝擊性地震:遭到隕石撞擊的墨西哥灣

台灣歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊碰撞擠壓所形成,交界處在花東縱谷,以西是歐亞大陸板塊,以東是菲律賓海板塊,由於兩板塊仍不時碰撞,因此台灣島多地震。(如圖十四為台灣板塊構造圖)

除了民國八十八年921集集大地震,還有民國九十三年1226印度蘇門達臘外海地震,引發海嘯,均奪去許多人命,以及兩年後的民國九十五年1226恆春地震,創下在十五分鐘內出現三個規模超過5.0以上的地震。

台灣的南部的恆春附近,則是因歐亞大陸板塊下陷至菲律賓海板塊下方,這跟一般所說的板塊關係不同,南部的地層屬於較老的岩層,所以百年來難得有超過規模5.0以上的地震發生。

2-3-3地震分級與防護

台灣位於環太平洋地震帶上,本來就要認識地震現象,當地震發生後,中央氣象局很快就發布地震的相關資訊。

(一)震源:地震錯動的起始點,在地底下一個點。

(二)震央:震源在地表的投影點,與震源的關係是垂直。(如圖十五)

地震依照震原深度將地震分為四種

(一)在030公里者稱為極淺層地震。

(二)在3070公里間者稱為淺層地震。

(三)在70300公里間者稱為中層地震。

(四)在300700公里之地震為深層地震

在地震報告中所指的地震規模是用來描述地震大小的尺度。我國使用芮氏地震規模(Richter magnitude scale),是在1935年為了研究美國加州地區發生的地震而制定,由觀測點處地震儀所記錄到的地震波最大振幅的常用對數演算而來。以沒有單位的實數所示。

地震強度又稱為震度(intensity),是表示地震時地面上的人所感受到振動的激烈程度,或物體因受振動所遭受的破壞程度,通常離震央越遠,地震強度越小。現今地震儀器已能詳細描述地震的加速度,所以震度亦可由加速度值來劃分。震度級以正的整數表示之(見交通部中央氣象局地震震度分級表)如表一。

表一:「交通部中央氣象局地震震度分級表」(89年8月1公告修訂)

震度分級

人的感受

屋內情形

屋外情形

0

無感

人無感覺。

 

 

1

微震

人靜止時可感覺微小搖晃。

 

 

2

輕震

大多數的人可感到搖晃,睡眠中的人有部分會醒來。

電燈等懸掛物有小搖晃。

靜止的汽車輕輕搖晃,類似卡車經過,但歷時很短。

3

弱震

幾乎所有的人都感覺搖晃,有的人會有恐懼感。

房屋震動,碗盤門窗發出聲音,懸掛物搖擺。

靜止的汽車明顯搖動,電線略有搖晃。

4

中震

有相當程度的恐懼感,部分的人會尋求躲避的地方,睡眠中的人幾乎都會驚醒。

房屋搖動甚烈,底座不穩物品傾倒,較重傢俱移動,可能有輕微災害。

汽車駕駛人略微有感,電線明顯搖晃,步行中的人也感到搖晃。

5

強震

大多數人會感到驚嚇恐慌。

部分牆壁產生裂痕,重傢俱可能翻倒。

汽車駕駛人明顯感覺地震,有些牌坊煙囪傾倒。

6

烈震

搖晃劇烈以致站立困難。

部分建築物受損,重傢俱翻倒,門窗扭曲變形。

汽車駕駛人開車困難,出現噴沙噴泥現象。

7

劇震

搖晃劇烈以致無法依意志行動。

部分建築物受損嚴重或倒塌,幾乎所有傢俱都大幅移位或摔落地面。

山崩地裂,鐵軌彎曲,地下管線破壞。

 

第四節地表地質作用

近代的台灣地質史,要從四百萬年前說起,當時從本島東南方向擠壓過來的島嶼地塊在花東縱谷一帶撞上了亞洲大陸地塊,地表不斷的向上隆起,直到今天,恆春半島的上升率根據碳十四同位素定年法測定仍然高達每年半公分,中央山脈的上升率至少數倍以上,如果以一百萬年來計算,台灣的上升高度約達五千公尺以上。地殼快速隆起,把地質年代甚晚的沈積岩曝露到大氣中,承受風化、侵蝕、搬運和沈積等等的作用。三千公尺以上的山岳超過兩百座;像是台灣東部的太魯閣、北部的大霸尖山及最高的玉山,還有遍地綠油油的嘉南平原讓我們繼續探討地貌的成因吧!

外營力的作用基本上分成四大類;風化作用、侵蝕作用、搬運作用、沈積作用。先是由前段所敘述的內營力,經過地殼變動、火山活動以及造山運動把地層抬昇,再由外營力將泥沙及礫石帶走將高山夷平,不管是河流、山谷、高山、湖泊、冰山或是海灘等等,都是地表地質作用的傑作。
(如圖十六)

2-4-1風化、侵蝕作用

風化作用:岩石因受氣候、生物等影響而發生原地崩解或分解的作用。風化是靜態的,風化營力有水氣、日光、氧、二氧化碳等。風化是侵蝕前的初步工作。

風化依其作用方式分為物理風化及化學風化,兩者同時存在並相輔相成。

1、物理風化(由大變小):接觸面積增加,加速化學風化,在乾燥氣候區物理風化較明顯,岩石在原地的崩解作用。

物理風化包括下列幾個作用:

1)熱脹冷縮:深層因傳熱困難故限於表層。(相片三)

2)壓力減輕:內、外壓力不平衡所致,形成節理。

3)凍裂作用:水結冰膨脹所造成。

4)生物作用:植物的根楔及動物的挖掘。

相片三:新竹五峰鄉蔥狀風化(物理)

2、化學風化(由硬變軟):黏結力減弱,易生物理風化。溼潤氣候區化學風化較明顯,岩石在原地的分解作用。

化學風化包括下列幾個作用:以水為主要媒介。

(1)氧化作用:岩石孔隙須有空氣(即在地下水面以上),鐵與氧的氧化。

(2)水解作用:正長石容易與水化合風化成為黏土礦物,所以產量比石英少。

(3)水合作用:礦物吸水而膨脹。硬石膏(粉狀)+ 2 H2O " CaSO42H2O(石膏,結晶)

(4)溶解作用:礦物遇水溶解,如岩鹽。

  侵蝕作用:把岩屑或土壤藉著外來具備動能的營力搬運到新的地方堆積的作用。侵蝕是動態的。侵蝕的營力有雨水、河流、冰河、波浪、風等(均具動能)。侵蝕是風化後的接續工作。

河流、風力、波浪、冰川等在運動的過程中不但能夠搬運風化物質,也直接對經過的岩石表面產生磨蝕作用。被這些介質挾帶而搬運的風化物質,不但彼此磨碎,也對經過的岩石表面發生磨蝕作用。這一切導因於河流、風力、波浪、冰川等的運動而發生的磨蝕作用彷彿雕刻大地的手,塑造了各種地形景觀。

河流侵蝕沿著三個方向進行:(在侵蝕基準面以上發生)

1、向下侵蝕:向河床底部侵蝕使河道加深,又稱為加深作用,使河流呈V字型。

2、側向侵蝕:向兩旁河岸侵蝕則使河道變闊,又稱為加寬作用。

3、向源侵蝕:朝著河源侵蝕使河道朝上游方向延長,又稱為加長作用。

風夾帶大量小砂礫,對岩石產生磨蝕作用,產生風磨石(風稜石)與野柳地區的蕈岩。

波浪對於岸邊的侵蝕能力也是很明顯,如海蝕平台、海蝕崖、海蝕洞、海拱等等地。

冰川的侵蝕能力也是不可忽視,像U型谷、冰斗及角峰。

冰川等在運動的過程中不但能夠搬運風化物質,也直接對經過的岩石表面產生磨蝕作用。被這些介質挾帶而搬運的風化物質,不但彼此磨碎,也對經過的岩石表面發生磨蝕作用。這一切導因於河流、風力、波浪、冰川等的運動而發生的磨蝕作用彷彿雕刻大地的手,塑造了各種地形景觀。

差異侵蝕:因砂岩抗侵蝕能力較強,所以比較突出,頁岩較容易被侵蝕故下凹,造成形狀特殊的表面。(如圖十七)所示:

2-4-2  搬運、沈積作用與河道平衡

搬運作用:是指受到風化、侵蝕作用後的岩石碎屑物質,碎屑物質受到河流、風力、波浪、冰川等自然力的作用,會遷移原來的場所到另一個新環境的過程,稱為搬運作用。

河流的搬運過程中,石頭會互相的碰撞,使得原來不圓的石頭趨於圓形的鵝卵石,並且使得愈到中下游的石頭,會愈來愈小也會愈來愈圓,甚至到出海口只剩下沙粒。

沈積作用:侵蝕作用造成的岩石碎屑等物質,被搬運至其他地區停留,是為堆積作用。例如,河流下游的鵝卵石、沙漠地區的沙丘、濱海地區的沙灘、寒帶地區的冰磧石,分別是河流、風力、波浪、冰川的堆積作用造成。

河流的流速在平地或出海口時會減緩,搬運作用下降後,當時沈積物在山腳下堆積,就會形成沖積扇,如大甲溪佳陽沖積扇。若是當時沈積在出海口時,就稱為三角洲,如珠江三角洲

河道的平衡:受到河流侵蝕、搬運及沉積作用,將河道凸起的部分削平,而填補凹入的地方。經長期的作用後,由上游帶來堆積砂石與被侵蝕帶走的砂石一樣多時,河道呈平滑狀,便稱為河道平衡。

如在河流盜採砂石,侵蝕基準面下降,會干擾到河道的平衡,河流為達新平衡,會從上游的河床或兩岸的泥沙,侵蝕來填補坑洞,如果上游有座大橋,會造成橋墩裸露,嚴重者像高屏大橋般斷裂,造成地基流失,使居民的生命及財產受危害。

2-4-3  常見地形

台灣常見的地形如河積沙洲、河階、峽谷、礫灘、海蝕洞、海蝕崖、海蝕柱、海蝕平台等,除了搬運、沈積、侵蝕外,另一部分則是來自地殼變動。

一、河積沙洲:河流進到下游,因為地勢低平,搬運力下降,所以造成堆積沙洲。(如相片四)

相片四:河流下游堆積沙洲.

相片五:中橫公路綠水合流的河階.

二、河階:河流下切形成新河床時,舊河床便高於新河床而成為河階。河階包括階面與階崖兩部份。階面即舊河床,為河流進行側蝕和堆積所形成。河階成因主要是地殼隆起與侵蝕基準下降。當地殼隆起和海面下降同時發生時,加速河流下切而產生階崖。(如相片五)

三、峽谷:板塊互相擠壓使得地殼變動向上隆起,河流從中切穿,向下侵蝕明顯,這兩種力量經長時間的作用,形成峽谷地形。
(如相片六)

相片六:南橫公路的峽谷地形.

相片七:北濱公路礫石灘及消波塊.(肉粽)

四、海灘:波浪、沿岸流等搬運沙礫堆積在海濱,就形成了海灘。海灘的沉積物如果是疏鬆的沙粒,稱為沙灘;如果是直徑大於二公釐的沙石,就稱為礫灘,消波塊為消弱波浪的侵蝕力量的裝置。(如相片七)

五、海蝕崖:波浪是造就海岸地形的藝術家,海岸受波浪侵蝕而成的陡崖,稱為海蝕崖。

六、海蝕洞:海蝕崖的下方常會因海蝕作用成為海蝕洞。台灣北部海岸有非常壯觀的海崖景觀。(如相片八)

相片八:基隆嶼海蝕崖及海蝕洞.

相片九:北濱海岸的海蝕柱.

七、海蝕柱:當岬角地區的海蝕洞被貫穿時,就形成海蝕門。海蝕門頂部崩塌後,海面上常會留有凸出的岩礁,稱為海蝕柱。台灣北部石門村的石門是一個海蝕洞門。(如相片九)

八、海蝕平台: 海蝕崖經海浪不斷地沖刷會逐漸崩退,形成幾與海平面等高的平坦岩床,稱為海蝕平台。一般的海蝕平台經常散佈著許多由海蝕崖上崩落的岩塊。

相片十:北濱海岸的海蝕平台.

 

創用CC標示:
CC