Chapter 16

1. Chapter 16 固體地球的探測

2. 位在苗栗縣 公館鄉 出磺坑的油氣田（白色橢圓圈），較世界最古老的美國 賓州油氣田晚兩年發現。現今賓州油氣田已不再生產，而臺灣 出磺坑油氣田目前尚有生產，可說是全球尚在生產中的最古老油田。從衛星遙測的空照圖（左頁圖）及地質圖（上圖）中，你是否看出出磺坑油氣田是向斜還是背斜構造？

3. 16-1地殼均衡說 • 從大地測量結果知道陸地的平均高度（約840公尺）比海底平均深度（約3800公尺深）高出約5公里 。 • 美國科學家杜頓（Clarence Edward Dutton，1841～1912）於1889年嘗試以重力均衡原理來解釋前述陸地和海底的高差，一般稱為地殼均衡說。 • 該學說認為大陸地殼（平均密度約2.7 g／cm3）和海洋地殼（平均密度約2.9 g／cm3）構成的洋底，兩者均浮在密度比它們大的地函（約3.3 g／cm3 ）上面，而各自達到重力均衡。 • 其情形類似一系列密度和體積都不相同的木塊浮在水中一樣，各木塊達到均衡後，它們浮出水面的高度會有所不同 。

4. 圖16-2 以木塊浮在水面上模擬地殼均衡說。 圖1６-1 地球上的海底與陸地高度分布圖。

5. 16-1地殼均衡說 • 地殼均衡說一般又細分成兩大學說： • 1. 普拉特學說：普拉特（John Henry Pratt，1809-1871）於1854年提出，主張所有地塊（高山或平原）都浮在同一深度的地函之上，但是各地塊的密度不等。密度小的地塊浮升較高，密度大的地塊浮升較低，有些地塊甚至可能沒入海平面之下。 • 本說法主張各地塊的底部都位在同一深度的均衡面之上，其中高地塊的密度小，低地塊的密度大，但兩者的重力與浮力維持平衡 。

6. 16-1地殼均衡說 • 地殼均衡說一般又細分成兩大學說： • 2. 艾里學說：艾里（George Biddell Airy，1801-1892）於1855年提出，主張各地塊密度相同但是厚度不同，其中高山浮升高，它的底部也深；低地浮升低，它的底部也淺。 • 基於山愈高則根愈深，故本說法又稱為山根均衡學說。各地塊厚度雖然不同，但浮力與重力仍可以達到平衡 。

7. a b 圖16-3 地殼均衡說：a.普拉特學說；b.艾里學說，斜線部分指地殼均衡面的深度分布位置。

8. 16-1地殼均衡說 • 地殼均衡說一般又細分成兩大學說： • 現在已經知道大陸地殼和海洋地殼岩石的組成不同，兩者的密度也不相同，此點和普拉特主張相似。 • 但是根據莫氏不連續面在世界各地的深度並不相同，可見大陸地殼與海洋地殼的底部並不像普拉特主張的全都落在同一深度的地殼均衡面上，此點則和艾里的主張相似。 • 目前可在斯堪地那維亞半島、格陵蘭、加拿大北部等地找到地殼均衡的證據。一萬年前冰河時期厚重的冰層於冰期結束後逐漸融化，造成地殼的重力比原來減少，使得這些地方的地勢大約以每年一公分的速度緩慢上升。

9. 額外質量引起的引力異常 19世紀中葉，英國人埃弗勒斯（George Everest，1790-1866）在北印度做大地測量時，發現兩特定城鎮的相隔距離，經由三角測量和天文測量兩種方法所測出來的數值並不一致。當時即有人推論採用天文測量時，因為受到喜馬拉雅山龐大質量所引起的引力影響，導致鉛垂線偏向喜馬拉雅山，才造成如此誤差。 　　科學家也發現到地球某些地方，如法國的西南海岸，鉛垂線的偏移並非偏向地勢較高的陸地平原方向，而是朝向地勢較低的海洋 ── 比斯開灣的方向。這是在海洋地殼和大陸地殼的厚度相差不大的情形下，因海洋地殼的平均密度較大陸地殼大，海洋側反而比陸地側具有較大質量和引力，導致鉛垂線偏向海洋那一側。 三角測量和天文測量的不同 三角測量是在地面上選定不同測量點，構成相互 連接的三角形，經由測量點之間的距離以及角度，即 可推算各測量點的經緯度坐標。 天文測量的原理是恆星皆有固定的天球坐標，因 此經由特定時間通過某地鉛垂線所指向的恆星，便可 知該地的經緯度坐標。但這必須假設鉛垂線指向地心 ，因此才垂直於地面，若受到附近額外引力（例如山 脈的龐大質量）影響，以致於鉛垂線偏向山脈，便會 誤判該地的坐標，如右圖所示。 　　當初埃佛勒斯一行人沿著東經78°線測量Kalianpur （卡利安普，位於印度中部，相當於右圖中的甲地）和 Kaliana（卡利納，位於喜馬拉雅山南麓，相當於右圖中 的乙地）兩城市之間的距離，發現天文測量和三角測量 差了5.23角秒（相當弧長短少161公尺）。 乙地的鉛垂線應是黑色箭頭所指方向，對應到天上的恆星B。但因受山脈額外重力影響，造成鉛垂線偏向山脈，如綠色箭頭所示，而指向恆星C導致坐標誤判。

10. 16-2地表地質調查 • 無論我們要從事研究地球歷史、地下工程開挖或是地下資源探勘等，都必須了解地球內部的組成和構造。但是地球內部的組成和構造卻不容易憑直接觀察得知，常需要藉助於一些地球物理儀器和探勘方法。而地表地質與地下岩石組成和地質構造常息息相關，因此做好地表地質調查，是探測固體地球的第一步。 • 地表地質調查工作，首先要判定岩石種類，依岩石成因區分為火成岩、變質岩及沉積岩三大岩類，每種岩類常伴隨其特殊的地形環境及特有的岩性，例如火成岩常出現在火山地形（火山岩）或缺乏層理及葉理（深成岩）；變質岩常出現於褶皺山脈，又可分成有葉理及無葉理兩大類；沉積岩通常具有層理，可區分為碎屑沉積岩跟非碎屑沉積岩兩大類。 • 進行地表地質調查，必須先準備調查區的地圖（包括地形圖和航照圖）及有關工具，然後尋找無植被覆蓋及新鮮的露頭，仔細觀察記錄岩石的種類、地質構造、地層的走向和傾斜等，若是沉積岩則可進一步尋找沉積構造和化石，推測當地的沉積環境。

11. 野外地質調查工貝 　　常用的工具包括野帳冊（記錄簿）、記錄筆、地質鎚、鑿子、傾斜儀、放大鏡、標本袋、相機、GPS定位儀等。 走向和傾斜 　　兩項均使用傾斜儀來量測。走向是岩層層面與水平面交線（如右圖）的方向，如下圖岩層為南北走向。傾斜包含傾角大小和方向（要在垂直走向的方向進行量測，如圖中的方向即是岩層傾斜方向，故為向東傾斜）。傾角就是岩層層面與水平面的交角α，在此圖中岩層傾角約為45°。圖中岩層在地質圖中記錄為 ，長線代表南北走向，短線代表向東傾斜，數值為傾角45°。

12. 16-2地表地質調查 • 由沉積構造判斷層序 • 在沉積岩沉積的過程中，沉積物常受到當時環境或生物的影響，而形成一些特有的形狀，稱為沉積構造， • 一般以層理 最為常見。有些沉積構造在形成的時候，和當時空間的上、下方位有關，如粒級層 、交錯層 、波痕、泥裂 和生痕化石 等，因此可以從它們的形狀來推測沉積岩沉積當時層位的上下關係，進而判斷岩層屬於正常層序或倒轉。 圖16-4 層理。

13. 細　　 　　　　　粗 圖16-5 粒級層，顆粒愈粗者在下，指示層位屬於正常層序。

14. 圖16-6 交錯層，呈切線收斂者朝下，指示層位屬正常層序。

15. 圖16-7 波痕，尖端朝上指示層位屬正常層序。

16. 圖16-8 泥裂，裂口愈大者朝上，指示層位屬正常層序。 圖16-9 生痕化石Arenicolites sp. U型管，兩端開口處朝上，指示層位屬正常層序。

17. 16-2地表地質調查 • 地質年代的判定 • 在未經外力干擾影響下，因重力作用使愈早堆積的沉積物位在愈下面；相對的，愈往上年代愈年輕，這就是疊置定律。 • 地層沉積之後，可能受到許多地質事件的影響，因為先發生的地質事件通常會受到後發生的地質事件所影響，所以受影響的地質事件年代比較老。因此，我們可以經由截切的相互關係來判斷地質事件的先後順序，這就是截切關係定律 。

18. 圖16-10 疊置定律與截切關係定律。此圖所發生的事件先後順序如下，事件一：依照疊置定律，先沉積岩層1-8；事件二：岩層發生褶皺，產生背斜；事件三：火成岩脈入侵；事件四：發生斷層（逆斷層甲）。事件五：因陸地抬升或海平面下降，產生侵蝕面乙；事件六：沉積岩層9；事件七：陸地抬升或海面下降，造成現在地表侵蝕面。

19. 16-2地表地質調查 • 地質年代的判定 • 此外，不同的地層可能含有不同的化石，每種化石各有其一定的生存期限，愈老的地層中發現的化石外形會愈接近原始種，反之愈新的地層發現的化石外形則愈接近現代種。 • 化石群在不同地點的正常地層層序中，出現的上（後）下（先）順序具有連續和一致性，這就是化石連續定律。因此我們可藉此來判斷地層的相對地質時代，以及進行相隔兩地的地層對比。 • 利用沉積構造和標準化石，再利用疊置定律、截切關係定律及化石連續定律等，可大致判斷地層層序的先後順序及相對地質時代。 • 若能再選取適當的樣本帶回實驗室進行放射性元素定年，則可進一步得知岩石或地層的絕對年代。 標準化石 　　地層對比可利用標準化石作為工具，所謂標準化石是因其演化速率快、出現時間短、受環境的影響不大而具有分布廣、個體數目多、特徵明顯、在野外容易鑑定等特性。例如: 古生代標準化石：三葉蟲、古生代菊石。 中生代標準化石：恐龍、中生代菊石。 新生代標準化石：大型哺乳類，如象。

20. 16-2地表地質調查 • 地質圖的製作與應用 • 依精確度的要求不同，使用不同比例尺的地形圖當底圖，把地面地質調查的資料，例如岩石性質及地質構造等特徵，繪在地形圖的正確位置上，再附上詳細的圖例，就完成了一張地質圖。 • 根據地質圖的岩性及地質構造資料，加上走向和傾斜，可以畫出地質剖面 ，推測大致的地下地質構造，以及地層向下延伸的分布情形。如果能進一步得到地下鑽井及探勘資料的佐證，就可以得到更準確的結論。

21. 圖16-11 臺灣地質圖和沿AB線段繪製的地質剖面。

22. 16-2地表地質調查 • 地質圖的製作與應用 • 利用地質圖判斷地表附近的地質構造，可以幫助我們進行地下資源的開發。 • 例如石油和天然氣會受到構造封閉或地層封閉而形成油、氣田。 • 最常見的油氣封閉構造就是背斜構造，此外斷層構造、不整合構造和地層封閉也可以形成構造封閉，其中地層封閉則是因為地層和岩相的變化所造成的 。 • 所以做好地表地質調查，仔細量出地表岩層的走向及傾角，判斷地表附近的地質構造，就有助於發現地下油氣田的位置（如能配合震波探勘、磁力探勘及重力探勘則更佳）。臺灣的第一口油井位於苗栗的出磺坑，它就是坐落在一個背斜軸部或構造高區。

23. a b c d 圖16-12 常見的四種油氣封閉構造：a.背斜封閉；b.斷層封閉；c.不整合封閉；d.地層封閉。

24. 不整合 • 　　不整合是將兩個不同地質時代岩層分開的沉積不連續面或侵蝕面。可分成交角不整合、假整合及非整合三大類： • 1. 交角不整合：不整合面上下的新、老地層層面因彼此不平行而呈一交角故稱之。老地層形成後因地殼變動導致原有水平層面褶皺傾斜，在經侵蝕作用後，新地層覆蓋其上而形成，交角不整合面上、下地層層面的傾斜角度不相同。 • 2. 假整合：不整合面上下的新、老地層層面大致平行，假整合的不整合面為一個可容易觀察到的不規則侵蝕面，表示在新地層沉積前，老地層幾乎只有受到垂直方向的抬升作用，造成無沉積和接受侵蝕作用形成侵蝕面，之後的沉降作用使得較年輕之沉積物（岩）得以覆蓋該侵蝕面上而形成。 • 3. 非整合：分開沉積岩和其下較老火成岩或變質岩岩體的侵蝕面。老的火成岩或變質岩經過侵蝕作用，然後沉降，其上再覆蓋新的沉積岩而造成非整合。

25. 16-3地球物理探勘方法 • 除了藉由地表地質調查推測地下的地質構造之外，也可利用各種物理原理，使用靈敏的儀器來量測各種物理參數，間接推斷出地球內部的構造和組成。常見的地球物理探勘方法有震波探勘、重力探勘、磁力探勘和地熱流探勘。

26. 16-3地球物理探勘方法 • 震波探勘 • 震波探勘首先須製造人工震源產生震波 • 可分爆炸式：如埋設炸藥爆炸；和非炸藥爆炸式：利用震源震盪車 。 • 利用的原理是震波在傳遞時，通過地下不同岩層介面，因其物理性質發生改變，會產生反射及折射。當震波傳回地表而被接收器（震測儀）接收，即可分析計算而得知地層厚度、地層有無傾斜，或斷層、褶皺等構造 。探勘石油最常利用震波探勘來找尋地下油源的所在。

27. 圖16-13 可撞擊地面產生震動的非爆炸式震源震盪車。 圖16-14 當震波通過不同的岩層介面時，會產生折射及反射，接收器經過時間換算後，即可了解地下岩層的位置分布及構造。

28. 16-3地球物理探勘方法 • 重力探勘 • 重力探勘是利用重力儀 來測量地球重力值的微小變化，它反映了地球組成物質的密度大小。 • 假設地球為均質的橢圓球體，根據地球的質量和半徑大小，可以計算出在地表上任何一點理論重力值，但是實際觀測到的重力值會受到潮汐、地形、緯度和高度等因素影響而有差異。 • 將實際觀測重力值扣除這些因素後，和理論重力值還有差異的話，就稱為重力異常。 • 若修正後的觀測重力值比理論重力值大，稱為正重力異常，表示地下可能有背斜構造或密度較大的火成岩體侵入；反之，若地底下可能有向斜構造或存在密度較小的物質（如鹽岩之類的岩石），則呈現負重力異常 。

29. 圖16-15 可攜式的重力儀。 圖16-16 重力探勘一盆地地形（盆地本身由密度較小的沉積岩組成，四周則是密度較大的火成岩），因組成物質密度不同而呈現明顯的重力異常。

30. 16-3地球物理探勘方法 • 磁力探勘 • 磁力探勘是利用磁力儀來測量磁場的變化。 • 由磁力儀所觀測的數據，去除地球磁場日變化和緯度影響之後，如果磁力仍有異常，則可推斷是由地下構造或岩石的磁性所引起 。 • 由於在地表進行磁測時，容易受到建築物和高壓電等影響，所以現今的磁測多使用空中磁測。 • 利用空中磁測所測得的等磁力線圖，可以看出不同岩性所造成的磁力線疏密程度不同。磁力探勘適合用來尋找火成岩入侵或含磁性礦物的礦產探勘。

31. 圖16-17 加拿大 紐芬蘭某地區的磁力探勘平面圖，數字表示等磁力值，單位為伽瑪，虛線表不同岩層的界線。

32. 16-3地球物理探勘方法 • 地熱流探勘 • 礦坑中的高溫、火山噴發岩漿和溫泉的存在等事實，都顯示了地球內部的溫度很高。 • 目前地球內部熱量的來源，主要是長半衰期放射性同位素的衰變和地球形成之初的殘餘熱量，這些熱從地球內部多以傳導的方式傳至地表，即是我們測量到的地熱流。 • 地表熱流值或地溫梯度明顯高於平均值的稱為地熱梯度異常，它可用來研究地質構造，同時對礦產探勘（如金礦、石油等）也具有重要作用。地熱也是一種重要的天然資源，可用於發電、工業、農業、醫療和民生用途等。

33. 地溫梯度 　　由於受地球內部熱源影響，溫度會隨著深度增加而升高。根據實際測量，地球表層的平均地溫梯度約30 ℃/km；海底地殼的平均地溫梯度約40～80 ℃/km，大陸地殼的平均地溫梯度約9～50 ℃/km ，海底的地溫梯度明顯高於大陸。

34. 16-4大陸地殼鑽探計畫 • 鑽探是了解地下地質特性最直接的方法，除了廣泛應用在石油、地下水及土木工程鑽探之外，學術界也常進行大規模的科學鑽探計畫。總部設於德國 波茲坦的國際大陸鑽探計畫（International Continental Scientific Drilling Program，簡稱ICDP），從1998年起即整合協助各國進行陸地的科學鑽探計畫，截至目前已獲致的重要成果如下： • 1. 了解沉積盆地的起源和演變。 • 2. 古氣候變遷的過程，以及影響氣候變遷的原因。 • 3. 隕石坑的構造特徵及隕石撞擊對生態環境之影響。 • 4. 發現生物圈廣泛存在地下深處，因此重新探討地球生命的演化過程。 • 5. 探討板塊構造運動機制，例如活動斷層的週期和強度、隱沒火山島弧的岩漿活動及了解碰撞帶或聚合帶地殼的應變過程。

35. 16-4大陸地殼鑽探計畫 • 以下介紹目前已完成的幾個重要大陸地殼鑽探計畫： • 一、臺灣車籠埔斷層深井鑽探計畫 • 1999年9月21日於南投 集集發生的大地震，造成嚴重的生命財產損失。為了詳細探計此地震的形成機制，我國學者和美、日科學家合作，並獲得國際大陸鑽探計畫的協助，從2004年起在臺中 大坑進行車籠埔斷層鑽探，鑽至地表下逾2公里深 。研究結果顯示九二一大地震的能量每平方公尺高達11.6百萬焦耳，其中只有6％的能量引發了滑移而導致斷層錯動，其餘能量則以熱能及地震波的方式釋放出來；並了解車籠埔斷層是一個會重複移動的斷層，將來還可能發生大地震。 圖16-18 車籠埔斷層深井鑽探計畫位於臺中 大坑的鑽井；鑽井鑽穿車籠埔斷層。

36. 16-4大陸地殼鑽探計畫 • 以下介紹目前已完成的幾個重要大陸地殼鑽探計畫： • 二、中國大陸科學鑽探計畫 • 中國大陸科學鑽探計畫於2001～2005年在江蘇省東海縣之大別山、蘇魯超高壓變質帶 內進行鑽探，鑽井深度達5000公尺深。國際大陸鑽探計畫也協助此計畫，鑽探結果發現有包裹在岩石內的鑽石礦物，顯示其變質壓力在25千巴以上，此外也發現一些能生活在地底高溫高壓環境的新菌種。 壓力單位 一 千巴 　　千巴是地質學上常用的壓力單位。1巴（bar） ＝105牛頓／公尺2，約等於1大氣壓。1千巴（kb）＝103巴。 圖16-19 大別山、蘇魯超高壓變質帶的地理位置。

37. 16-4大陸地殼鑽探計畫 • 以下介紹目前已完成的幾個重要大陸地殼鑽探計畫： • 三、墨西哥希克蘇魯伯科學深井鑽探計畫 • 　　希克蘇魯伯隕石坑位在墨西哥猶加敦半島，坑的深度約900公尺深，平均直徑約180公里，造成隕石坑的撞擊隕石，推測直徑至少有10公里，由於撞擊年代與中生代末期的生物大滅絕時間吻合（約6550萬年前），因此相當受到重視。墨西哥團隊得到國際大陸鑽探計畫的協助，於2001～2002年鑽了一個1510公尺深的Yaxcopil-1（Yax-1）深井 圖16-20 ，鑽穿了著名的K／T 界限，得到一系列完整的岩心資料，顯示出許多隕石撞擊的證據，例如植物燃燒後的煤灰沉積、高壓石英、隕擊角礫變質岩和受到高溫熔化的角礫岩等。 K／T界限 Cretaceous/Tertiary boundary（白堊紀／第三紀界限）的簡稱。此界限正好代表發生一次重大生物大滅絕事件的時間點。此界限的岩層中被發現富含銥元素，而銥元素常存在隕石當中。此事實顯示，在K/T 界限可能發生大規模的隕石撞擊事件，而恐龍及菊石等許多中生代繁盛的物種就在此一事件中滅絕。

38. 圖16-20(a) 猶加敦半島的希克蘇魯伯隕石坑的地理位置；(b)希克蘇魯伯隕石坑的重力調查圖可見到明顯的環狀構造；(c)希克蘇魯伯隕石坑的Yax-1鑽井岩心標本。

39. 16-5遙測大地 • 全球衛星定位系統 • 科學家根據板塊運動理論，以及中洋脊的擴張、轉形斷層的方向、古地磁磁極分布的異常、海洋地殼的年齡、火山島鏈和地震斷層的滑動等，已大致能推算近百萬年來，各板塊間平均的相對運動速率及方向。 • 然而要得到板塊每年的移動量，那就得靠現今的太空科技來幫忙。例如利用全球衛星定位系統（GPS）觀測地面接收站相對於地球中心的移動速度，就能夠精確地測量各板塊的相對運動速率及方向 。 圖16-21 利用全球衛星定位系統測得全球板塊相對運動速率及方向之示意圖，紅色圓點表示GPS地面接收站，箭頭的長短與方向分別表示板塊相對移動速率快慢與方向。

40. 16-5遙測大地 • 全球衛星定位系統 • 全球衛星定位系統能精確的量測地殼每年數毫米的水平移動量，雖然早期利用三角點測量法已可精確測量出地殼長期的相對移動量，但是由於儀器功能的限制及地形的影響，無法有效且快速監測每一測點的改變，而全球衛星定位系統可完全補足三角點測量法的缺點，且精確度可達到毫米級。 • 我國於1989年開始建立「臺灣全球衛星定位系統（GPS）觀測網」，每一GPS觀測站皆可全年連續接收衛星資訊（約每30秒記錄一筆），即時記下地殼的相對變動訊息。因此，比較各測站間不同時期的移動速率和方向，即可得知臺灣地體大致的變動情形。

41. 圖16-22 2006至2007年間臺灣地區GPS觀測結果示意圖。箭頭的長短與方向分別表示各觀測站相對於澎湖 白沙基準站的年平均移動速率快慢與方向。

42. 16-5遙測大地 • 從太空看臺灣 • 利用衛星或飛機，可從高空對大地進行拍攝，不但可擴展視野範圍，也能看到各地高山、河流等的分布概況。 • 衛星拍攝的臺灣島相片。依此相片來看，可以發現臺灣島的地形具備有南北長、東西窄的狹長外形，中間並夾有「東北─西南」走向的山脈。對於國土的概況可以全然掌握。 • 若對大地進行不同時間的拍攝紀錄，更能比對出地形、地貌的變化。為人類改造基隆河道的前後地貌，除截彎取直的河道外，建築物的數量也已快速增加。

43. 圖16-24 1972年、 2008年，人造衛星拍攝的臺北地區，可明顯看出基隆河截彎取直前後的變化：紅色部分為植被區域，其面積已大幅縮減，成為人類建築用地。 圖16-23 利用衛星拍攝的臺灣島影像。