地質學總論 - 台灣大百科全書 Encyclopedia of Taiwan

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地質學總論 An introduction to the Geological Study of Taiwan

分類:〔地質學〕 > 〔總論〕
撰稿者: 劉聰桂 簡介
最後修正日期: 98年10月28日

壹、緒論

地質學對一般大眾而言,似乎是既親近、熟悉而又深奧、艱澀的一門學問。人類在面臨環境巨變時,如火山、地震、海嘯山崩土石流地層下陷全球暖化等,在各種媒體上常可以看到地質學家提供專業意見,例如「地震是地殼能量的正常釋放」等,這些說法民眾並不陌生。但地質學牽涉的時間與空間尺度極大、內涵博大精深,各種地質現象複雜,因果環環相扣而難以理解。地質學以岩石為研究材料,動輒以百萬年為計算單位,相較於僅約1萬年的人類歷史來說,對於有46億年之久的地球年齡及其變化,實在難以想像和體會。地質學也常用大範圍地殼,或甚至地函的尺度來討論地表作用,相較於一般人所見與觸及的局部地表,空間上亦有千、萬倍的差異,易造成理解上的障礙。

地質學與人類的生活息息相關,地球一切物質均可納入地質學研究的內容。從石器時代開始,在採集岩石製作石器的過程中,人類瞭解岩石的一些性質,並利用某些特性提供生活之用,可說是地質學最早的應用。例如臺灣原住民便利用板岩作為石板屋的主要建材;發展至今,人類的食、衣、住、行各方面和地質學都脫不了關係。

就學科分類定義,地質學是對地球的起源、歷史、組成、結構及其發生原因進行研究的學科。地質學的原意是有關地球的學問,廣義來說等同於地球科學,涵蓋地球的全部;狹義上多以固態地球做為地質學研究的主要範疇,但亦包括礦產與水等地球資源的研究,以及由地層物質研究古生物、古氣候 、古海洋等地球環境領域。

貳、地質學原理及方法

在地質學發展的早期,許多地質現象不易從其他自然科學得到解釋和證實,例如地球年齡在放射性同位素定年法發明之前,並無法得到合理的解釋。早期地質學家根據觀察到的有限現象進行全面推論,十分接近哲學思考,或許有些假說到最後證明是對的,但有許多不免流於空想臆測,或有「最不科學的科學」之譏。隨著地質學原理的建立及科學技術的精進,現今地質學理論和其他自然科學同樣需要合理的解釋和驗證方法,應可改稱為「地質科學」。

現代地質學最重要的基礎稱為「均變學說」(principle of uniformitarianism),表示現在觀察到的地質作用,在長遠的地質時間上也一體適用;也就是說,可以用現在發生的現象來解釋地球過去的歷史。相對於均變學說,「災變說」則認為地球的歷史是由重大的災變事件所創造,隨時間而有不同。經過相關研究的累積,許多災變現象已可從均變學說得到解釋。例如在20世紀大陸漂移和板塊構造學說提出之前,一般認為地球表面的形貌大體上不會變化;現在則相信地表的海陸分布是隨時間而變化的,幾乎可以用板塊的移動來解釋看似隨機的地質事件。

時間是地質學最重要的因子,地質學有許多原理,包括原始水平定律、疊置定律、侵入定律、切割定律、包裹定律和生物演替定律,都是為了決定年代先後。原始水平定律認為沉積物最初會堆積成水平層狀;疊置定律則是說在沒有受到構造作用前,年輕的沉積岩層會覆蓋較老岩層的上方。由這兩個定律可以建立沉積岩的層序,進行對比。岩漿活動經常會侵入沉積岩之中形成火成岩斷層活動也會截切地層或地表面,表示這些活動的年代較被侵入或切斷的地層新。相反的,被火成岩包裹或沉積岩層中的物體,應該就比岩層的年代更老,例如礫岩層中的礫石,形成於礫岩層堆積之前。沉積岩層中的生物化石是提供地層年代的重要證據之一。

地質學的研究方法主要有二:野外考察和實驗模擬。一般人對地質學最深刻的印象,就是野外考察。風塵僕僕、刻苦耐勞、拿著地質鎚四處敲打岩石,常是多數人對地質學家的刻板印象。地球演變的訊息都儲存於岩石中,野外研究確實是地質學的要務,是一切地質研究的根本。從野外岩石探究出其科學意義,是地質學家一大挑戰,也是地質學超脫其他自然科學的特徵。從野外觀察中描繪出地表形貌與地質構造的關係,將野外考察的知識累積並經過不斷驗證,就能逐步建立完整的區域地質體系。地質學家將觀察的紀錄和採集的標本帶回實驗室利用各種儀器鑑定分析,進行解釋和模擬,推論出可能的解答,建立較為穩固的學說。現代有許多高科技的地球化學與地球物理分析儀器可用於地質學研究,例如X-光繞射儀、電子探針微分析儀、質譜儀、地震儀和太空衛星遙測儀等,使得20世紀地質學研究獲得許多突破性的成果。此外,資訊科技的發展,電腦速度越來越快,過去難以模擬的地質理論模式,如今可以藉由電腦模擬,探究各種時空尺度的地質現象。

參、臺灣地質的研究

臺灣的地質研究已有百年的歷史,日治時期從經濟地質出發,主要是為了開採臺灣的礦產,以金、石油的探勘研究為基礎,擴展到純粹的地質研究;蒐集野外資料及製作地質圖,對臺灣的形成歷史建立初步的認識。第二次世界大戰之後,地質工作除了製作全臺各地的地質圖之外,也上山下海開展各項基本研究,石油公司從臺灣西部一路向臺灣海峽探勘,地質學家則深入中央山脈各地找尋臺灣最古老的岩層和化石證據。到了1960年代末期,板塊構造學說興起,掀起地質學的革命,藉由板塊構造學說的綜合解釋,得到臺灣的地質歷史演變過程。由於臺灣是新的弧陸斜碰撞帶,造山運動持續而劇烈,而且山脈自出生、老化以至沉毀的不同階段同時在眼前呈現,因此吸引國內外許多學者積極投入研究。

板塊構造學說,地球外部是由7個大板塊和若干小板塊拼接而成。由地球深處的對流作用帶動,板塊彼此分離、聚攏或水平錯動,在板塊交界處產生火山或斷層活動等。中生代時期古太平洋板塊隱沒到歐亞大陸下方,導致東亞地區產生廣泛的火成與變質活動,在臺灣稱之為南澳運動,形成大南澳變質雜岩。新生代的臺灣也是板塊作用造成,菲律賓海板塊向北隱沒於歐亞板塊之下,而南海一帶的歐亞板塊則向東隱沒於菲律賓海板塊之下。臺灣島就位在兩個隱沒帶之間。板塊隱沒而形成的火山島弧系統分別稱為琉球島弧與呂宋島弧;臺灣島的花東縱谷成為歐亞板塊與菲律賓海板塊碰撞的交界。

臺灣位屬於環太平洋的火山及地震帶的一部分,菲律賓海板塊以每年平均7-8公分的速度向西北方移動,西緣的呂宋島弧北端在距今約600萬年前撞上歐亞大陸的邊緣,形成臺灣的山脈、丘陵和平原。在板塊聚合擠壓下,菲律賓海板塊上的火山島弧海岸山脈)猶如推土機般的擠壓歐亞大陸邊緣,造成大陸邊緣地殼劇烈變形而隆起;山脈逐次增長並向西擴大,長期碰撞形成中央山脈西部麓山帶等地質構造帶,山脈形成的次序大致由北向南、由東向西。地質構造帶的排列與山脈平行,由東向西分別為海岸山脈花東縱谷中央山脈西部麓山帶等。

肆、臺灣重要的地質現象

臺灣史上最重要的經濟礦產當屬黃金,主要產地九份和金瓜石礦區曾盛極一時,是世界級的金礦,也是東亞最大的金礦床,對臺灣早期的經濟開發貢獻卓著。從礦物學的觀點,這個礦區內還有許多具有學術價值的礦物,如硫砷銅礦脆硫銻銅礦(又稱法馬丁礦)等,常成為各國博物館收藏的對象,甚至為這些礦物舉辦過特展。臺灣另一重要的經濟礦物閃玉(或稱「臺灣玉」),產量曾高居世界第一;主要產於花蓮豐田礦區,不過如今已停止開採。豐田一帶早在5,000年前就有玉器的製作,流通全臺灣甚至遠達西南太平洋,卑南文化精美的玉器皆來此處。在日治時期,豐田開採石棉做為軍事用途之用,卻將玉石廢棄不用,直到1960年代,才開始大量開採閃玉打磨。硫是臺灣最早的重要輸出礦產,早在荷蘭、西班牙勢力進入臺灣之前,大屯山區原住民即用手挖坑採硫,經由商人轉賣到亞洲各地。大屯山區另一個著名的礦物北投石,是世界上唯一以臺灣地名命名的礦物文石亦是臺灣重要的寶石礦物,以澎湖所產最為知名,可說是當地的代表。東部出產的臺灣藍寶玫瑰石,具有特殊的光彩,成為收藏家的珍寶。其他因民生、工業用途開採的礦物還包括石英白雲石石膏石鹽滑石

臺灣堪稱世界最複雜的地質區之一,出現的岩石包含火成岩沉積岩變質岩等三大岩類。安山岩主要分布於北部火山群、東部海岸山脈及火山島;玄武岩澎湖群島為主要產地,花岡岩則分布於金門。沉積岩是臺灣分布最廣的岩石,大致可分為礫岩砂岩泥岩石灰岩。臺灣是大地構造活動最頻繁的地區,板塊擠壓造成廣泛的變質作用,構成臺灣山脈的核心主體,形塑世界級的太魯閣大理岩峽谷景觀。其他變質岩還包括板岩片岩蛇紋岩片麻岩硬頁岩等。

就長遠的地質時間來看,臺灣是個新生的島嶼,地層的沉積年代多為新生代(距今6,500萬年以前);多次的變質作用抹除新生代以前地層的許多地質紀錄,地史學的研究難度相對較高。反之,臺灣的新生代地層巨厚且廣泛出露地表,研究材料豐富。第四紀地層堆積速率快且厚;著名的化石產地有臺南縣(註 1)左鎮鄉(註 2)菜寮溪化石層苗栗縣後龍鎮過港貝化石層屏東縣恆春四溝層。近年地質學家正由樹木年輪和珊瑚骨骼的研究,嘗試建立臺灣過去數百年的氣候變化。

地質歷史上,臺灣主要的造山運動有2次,分別是距今約7,000萬年前的南澳運動和距今約600萬年前開始至今的蓬萊運動。1960年代板塊構造學說建立以來,臺灣就成為國際地質研究的焦點之一;東部海岸山脈的利吉層,稱為混同層,成因與板塊隱沒作用相關,是支持板塊構造學說的重要證據。臺灣位於歐亞板塊和菲律賓海板塊的交界處,呂宋島弧像推土機一樣將原本堆積在歐亞大陸邊緣地層推擠,形成一系列向西逆衝的斷層,同時岩層內產生許多褶皺節理

石油天然氣化石燃料是維繫現代社會經濟的基礎,由於深藏於地下,要靠地質學家來探勘。1861年(咸豐11年)苗栗縣出磺坑開鑿臺灣第一口油井,至今這個礦區仍在生產油氣,是世界開採時間最久遠的油氣礦區之一。臺灣採的歷史更為久遠,可追溯至1,000年前的十三行文化,歷經荷西時期、清領時期,到日治時期產量開始大為增加。1960年代因政府支持而到達產量高峰,是臺灣當時能源與經濟的命脈。後來因為礦災頻傳,加上新式發電廠改用燃油,國際價競爭,使臺灣煤礦的開採走入歷史。

從工業革命以來,人類利用化石燃料的巨大能量改造世界,機械文明產生「人定勝天」的迷思。在進行開發的同時,對自然環境不夠重視,遇上天災地變時,便有可能造成嚴重的災害。臺灣地狹人稠,開發重點逐漸從平原往山坡地開展,若未妥善處理,常導致山崩災害。臺灣地殼抬升速率快,風化侵蝕作用劇烈,山區到處是崩落堆積的土石,由於缺乏國土規畫,如果開發不當容易導致土石流四處發生。在工程建設時,也必須考量地質材料的性質可能對結構物造成危害,例如土壤液化。此外,在沿海平原與盆地等第四紀鬆軟地層區,超量抽取地下水導致地層下陷,易釀成水災與排水不良等環境問題。這些地質災害直接影響人民的生命和生計,是臺灣當前迫切需要解決的問題。

伍、臺灣地質學研究的展望

從基礎研究的角度,臺灣活躍的地質環境可以驗證板塊構造學說,尤其關於地殼變形和隱沒作用的各種假說。1999年的集集地震聚焦全球地球科學界的眼光,公認臺灣是良好的天然實驗室,有豐富的地質條件和地質作用可供研究。例如利用臺灣位於板塊邊界的特性,以全球定位系統(GPS)、衛星遙測、應變計和大地測量,觀測不同時間與空間尺度的地殼變形,以充分掌握板塊邊界變形特性與機制。此外,地表的環境地質和水文地質研究,地球內部的物理及化學性質研究,以至各種時間尺度的古氣候變遷及未來變化之研究等,都有相當好的前景。

從科學發展的角度而言,隨著對地球的瞭解逐漸增加,單一學門的知識難以處理地球各項議題,希望能將大氣圈、岩石圈、水圈、生物圈整合起來成為「地球系統」,聯合地球科學相關學門,探討地球及其上生物之間的互動關係。地球系統科學是全球變遷研究及永續發展研究的基礎。希望在未來能充分掌握了解地球系統運作機制,發展出預測模擬地球系統變化的模式,評估人為活動影響地球的程度,還有地球系統對人類生存發展的影響。

從工程建設的角度,以往地質知識的應用主要是在水壩和隧道建設;隨著結構物規模日益高大複雜,像是臺北101大樓、高速鐵路和雪山隧道等,都需要更精密的地質資訊做為基礎。臺灣的土壤和地下水污染層出不窮,例如桃園RCA廠污染事件,不管要進行控制或整治工作,都需要瞭解地下的地質狀況。另一個重要課題是核能廢料的最終處置;由於時間長達萬年,只能憑藉地質學知識來加以解析,再配合工程方法來處理。

20世紀以來,世界人口快速增長,生活品質提高,對人身安全的保障也相對提高。從地球的觀點,自然資源逐漸耗盡或遭受污染,自然因素或人為活動經常導致地質災害。人類在地球的角色轉變,面臨許多自然界的挑戰,生存發展都受到自然條件的限制。地質學的應用從過去的經濟開發轉變成保護人類和環境。聯合國在1992年舉辦「地球高峰會議」,簽署「聯合國21世紀議程」,揭櫫「永續發展」的理念。在此理念上,人類社會的發展必須與自然界的生生不息共存共榮,其前提是對地球周遭環境要更深入了解,方能避免人類過度發展導致地球環境的大規模破壞。近年關於全球暖化的議題,顯示人類活動的影響已經超過自然因素,造成全球環境的變遷。全球變遷牽涉到自然科學、社會科學和科技工程,影響著國際社會各國乃至每一個人。地質學家的使命除了基礎研究之外,也要兼顧全球環境,重視人與環境的互動,服務人群並保護環境。藉由地質學的知識,在資源開發、土地利用及人類活動間取得平衡,維繫人類未來的生存環境品質。



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