外澳海邊的地質景點
外澳海邊有一個很有特色的小型沙灘海灣,長約600公尺,寬約130公尺,雖然近年來陸續有人在這邊從事海上衝浪活動,但它沒像大溪蜜月灣衝浪活動那麼出名,背對著慶天宮,安靜的灘面彷彿像一座戲臺,只不過戲臺上上演不是過去的神話故事,而是數十年來居民的生活點滴。沙灘的南端有一座中東式的建築物,不僅宜蘭地區少見,在台灣其他地區亦屬於非常稀有的建築,白色的圍牆矗立在灰黑色的沙灘上,顯現強烈的對比色彩,是否也代表建築物主人黑白分明的強烈個性,不得而知。沙灘的北端,在一個規模不大的海蝕平台上,有一條長數十公尺、寬約0.5公尺的火成岩脈,黃褐色的岩脈切穿整片灰黑色硬頁岩地層,乍看之下彷彿是大地上的一個刀疤,刀疤的年紀可能有數百萬年了。距沙灘北方向約1公里處,過了外澳金斗公廟的岩岸海邊上,仔細觀察地面上的岩石,可發現海蝕平台上有複雜的岩石解理構造和地層摺皺,這些岩石構造都是地殼運動時,地層被擠壓所形成的,地層中的夾層砂岩有明顯的沈積構造,記錄砂岩沈積的環境,這些地層的背後故事都是野外地質教學的好材料,也是值得推廣給社會大眾認識的地質景點。
交通和地理位置
本區域景點可分為三個位置(圖1),第一個為沙灘海灣、第二個為火成岩脈、第三個地層摺皺,第一、二個景點位於北部濱海公路台2線134.3公里(N24∘53.268, E121∘50.939)處和133.5公里(N24∘53.546, E121∘50.255)處,可搭宜蘭-雙溪、宜蘭-台北客運,在外澳慶天宮下車,站牌旁邊的海邊為第一景點,第二景點可步行往北約三、四百公尺即可到達,第三個景點位於台2線132.7公里(N24∘53.816, E121∘51.650)處,可在外澳金斗公廟下車,再沿公路往北走一、兩百公尺,有一小道通往海邊,小道位置不明顯,且有護欄阻隔,需仔細注意才不會錯過。搭乘火車可在外澳車站下車,再沿海邊的海堤往北方向步行約0.7和1.3公里即可分別到達第一、二景點,第三景點較遠,且無海堤可走,步行在濱海公路較危險,建議改採其他交通工具前往。若自行開車或搭遊覽車,則可將車停在慶天宮前面的廣場,再步行前往第一、二景點,或是將車停在沙灘海邊北端的停車場(不需停車費用),第二景點即在停車場下方的海蝕平台上,至於第三景點,因濱海公路上無停車場,路肩狹小,停車危險,建議將車停在梗枋的路旁空地上,再往南走約三百公尺即可到達。
圖1 外澳3個地質景點的位置(http://www.urmap.com.tw)
外澳海灘
海岸的分類有許多種,若以形貌特徵來分,可將海岸分為侵蝕海岸和堆積海岸(Komar,1998),常見的侵蝕海岸地形有海蝕崖、海蝕平台、海蝕洞、海階、海蝕岩柱或顯礁,堆積海岸則有海灘、沙洲、沙嘴、潟湖、潮汐灘地和沙丘,宜蘭平原因有蘭陽溪和其他較小溪流帶來沙泥的堆積,所形成的海岸是一個堆積海岸,這個堆積海岸最南端為蘇澳的岳明新村,最北端為頭城的烏石港,烏石港以北,只有規模較小、零星分佈堆積海岸,外澳的沙灘海岸即是其中的一個。
外澳海灣缺乏大型河流的輸沙作用,基本上無當地沙源可形成海灘,為什麼外澳海灣會有沙灘的堆積呢?從海岸工程的學理來看,海岸邊突出的地形受到海浪的衝擊較大,會產生侵蝕作用,相反的,在內凹的地方,水流速度較緩和,較容易產生堆積作用,外澳海灣沙灘的長度約600公尺,海堤至海水面之沙灘寬度約130公尺,若計算至海灣南北兩端的連線,則內凹的深度可達約300公尺,內凹的深度與沙灘長度比約1:2(圖2),內凹的海岸地形是外澳沙灘形成的主要原因之一。
圖2 外澳沙灘灘面寬約130公尺(黑線至紅線),整個灣面若以突出的地形計算(黑線至綠線),則約300公尺。
影響海岸形貌是否會形成堆積海岸的其他因素尚包括海流、季風、海浪、地質構造等條件,宜蘭平原外海水文資料之研究結果顯示,4-10月份台灣北部海域陸棚水可能會往南進入宜蘭灣,冬季時南方的黑潮水可能會往北進入宜蘭灣(李,1996),這兩股南北向的海流約與海岸線平行,可能對內凹的地形產生堆積作用,相較於三貂角以北的地形,海流方向與海岸線的幾何關係有所差異,例如卯澳、龍洞灣、深澳等數個位於三貂角以北的內凹地形區均不見有沙灘堆積,可能跟海流有關,況且,宜蘭灣的海流作用有機會將南邊的蘭陽溪或北邊的大溪帶下來的沙泥,堆積在外澳海灣一帶,從外澳沙灘沈積物的顏色與蘭陽溪口相似(圖3),以及海岸線的消長與宜蘭平原海岸線相同(近年來都成後退的跡象),外澳海灘上的沙很可能是來自宜蘭平原。
圖3 外澳沙灘海岸,海沙色暗,與宜蘭平原的色相似,可能都是粘板岩風化侵蝕以後的碎屑。
沙灘的南側出露許多零星分佈的岩石,岩石的外型像一座座小山(圖4),高約1至數公尺,綿延長度數公尺至十餘公尺,山有一側的坡度較緩,另一側則為接近斷崖的陡坡,這種只有單側似山的地形稱為單面山,單面山的成因跟地層的岩性有很大的關係,此區域地層為漸新世的乾溝層,岩石年代約3000萬左右,岩石組成主要為互層的砂岩和頁岩,當地層被擠壓抬升成傾斜狀態,這兩種岩性的地層裸露出地表,砂岩和頁岩的抗侵蝕能力有差異(稱為岩石的差異侵蝕作用),抗蝕力較差的頁岩容易被侵蝕而崩落,砂岩因頁岩的崩落反而顯露出陡峭的山壁,因此形成「單面山」地形。
圖4 外澳沙灘上的單面山,傾斜朝東,角度約30-40度。
海浪可及的岩石經常佈滿許多藻類或底棲生物,在沙灘一塊岩石上發現裸露在水面上的珊瑚礁(圖5),珊瑚礁有其特殊的生長環境,它們需要溫暖、乾淨的海水,一般在河流出海口處或沙灘型海岸都很難生存,外澳海灘南接宜蘭平原的最北端,裸露在水面上的珊瑚礁是否暗示過去宜蘭平原是否曾往南移,導致此處發育適合珊瑚礁生長的環境,或者海流、氣候上有什麼樣的變化,不得而知。
圖5 岩石上的珊瑚礁
火成岩脈
外澳地區的地層皆為3000萬年前左右形成的沈積岩,在沙灘北邊停車場旁海蝕平台的火成岩脈,係岩漿貫入地層後冷卻而形成的,此條火成岩脈的組成和成因少有人研究,岩脈呈黃褐色,其產狀看起來跟著名的萊萊火成岩脈很相似,萊萊火成岩脈為一鹼性玄武岩,分類上可歸屬為分佈較少的方沸石煌綠岩,生成年代約在9百萬前左右(Chen et al., 1989),從地緣分佈推測,外澳的火成岩脈應與之類似,惟規模較小,海蝕平台上可見的岩脈長度約七、八十公尺,寬度約數十公分(圖6)。火成岩脈較沈積岩堅硬,岩石的差異侵蝕結果,火成岩脈往往突出在沈積岩中,形成一道外觀類似城牆的地形,在澎湖曾有產在海裡的火成岩脈被懷疑為古城牆下沈到海裡的新聞報導,然而外澳的火成岩脈卻看不到聳立在地面上的城牆外觀,其原因主要是因岩脈的厚度太薄,節理發達,強度不夠,容易被海浪打斷,另外岩脈離坡腳太近(緊鄰濱海公路),山坡上掉落下來的石頭也容易打到岩脈。
仔細觀察火成岩脈,可發現在岩脈的正中央有一條平行岩脈分佈的白色礦物(圖7),很像千層糕的夾層,白色礦物其實是沿著岩脈中央一條裂縫生長,當岩漿侵入沈積岩而急速冷卻成火成岩脈時,岩脈容易產生裂隙,裂隙約與等溫線平行,因此岩脈上可見平行岩脈方向的裂隙,地底下岩石的裂縫是地下水流動的管道,地下水中若含濃度較高的元素或化合物便會在裂縫中結晶出來,裂縫提供礦物結晶的場所,稱為晶洞,此種礦物並非在岩漿冷卻時結晶出來,而是後來地下水的作用所形成,因此稱為次生礦物(由岩漿結晶的礦物稱為原生礦物),岩脈中的白色礦物可用肉眼看出具有六面柱狀體結晶(圖8),硬度比刀片還大,滴鹽酸不冒泡,可判斷此礦物為石英,野外岩層裂縫常見的白色結晶礦物通常為石英或方解石,可用鹽酸、硬度、晶形來分辨他們。
圖6 外澳火成岩脈(箭頭處),圖右邊路燈為濱海公路位置,路燈旁的海堤有一停車場,圖左後方房屋為外澳的沙灘海灣。
圖7 火成岩脈中央有一條白色的礦物,為地下水在岩脈的裂縫的結晶產物。
圖8 火成岩脈裂縫中的白色礦物具六面柱狀體,硬度比刀片大,滴鹽酸不冒泡,可判斷為石英。
地層摺皺
水中的沈積物在沈積時,也許局部會有生物活動的擾動,或受水流的影響,導致層面混亂或是傾斜,但大尺度來看,沈積的層面為水平向,野外常看到地層一層一層的結構即為沈積岩的層面,這種層理構造是沈積岩的主要特徵,水平向的地層若受到地殼運動的外力擠壓,則地層會發生扭曲變形的現象,此種地層扭曲的構造稱為摺皺。在第三個景點中,我們可以在海蝕平台上看到寬度約十餘公尺的摺皺地層(圖9),圖9中的摺皺地層為砂頁岩的互層,土黃色為砂岩,灰黑色為硬頁岩,砂岩較硬,突出於地層中,由於砂岩顏色較淺,硬度較大,在砂頁岩地層中常用來確定層面的指示層(key bed),至於本地層摺皺的成因,推測係受到菲律賓海板塊與歐亞板塊碰撞的影響(楊,2002)。
摺皺地層砂岩厚度約10-20公分,受岩層擠壓的推力,岩層斷裂呈覆瓦狀堆疊排列之小型斷層(圖10),這是因為砂岩較堅硬,不易彎曲,故斷裂形成局部性小斷層,反觀頁岩因較鬆軟,可以變形來因應外力,故較少斷層發育。在砂岩剖面可看到與地層層面斜交的條痕,這是砂岩沈積時水流造成的交錯層構造(cross bedding),斜面方向代表水流的方向,圖中可看到有些斜面方向向左,有些向右,因此可推測當時的沈積環境是在淺水海域,受波浪或潮流影響較大的地方,若砂岩厚度和交錯層的規模很大,交錯層往往會誤認為地層層面,因此交錯層又稱偽層。
海蝕平台上的地層呈現許多土黃色紋路狀構造,看似不規則,但仔細觀察其紋路變化,可發現紋路是有方向性,相交的兩紋路有些成垂直向、有些約120度(圖11),這些紋路是沈積岩的節理構造,岩層節理面提供地下水流動管道,地下水中若含有較高的鐵份,鐵份結晶出來再被氧化便形成土黃色的紋路構造。
圖9摺皺地層為砂頁岩的互層,土黃色為砂岩,灰黑色為硬頁岩。
圖10摺皺地層砂岩厚度約10-20公分,受岩層擠壓的推力,岩層斷裂呈覆瓦狀堆疊排列之小型斷層(箭頭處)。在剖面可看到與地層層面斜交的條痕,這是砂岩沈積時水流造成的交錯層構造(框線處)(cross bedding)。
圖11海蝕平台上的土黃色紋路狀構造為沈積岩的節理構造,相交的兩紋路有些成垂直向、有些約120度,土黃色部分含有被氧化的鐵份。
外澳的沙灘海灣面積曾經比現在還大,當地耆老表示,數十年前的海灘寬度比現在寬100公尺以上,果真如此,其面積可能與大溪的蜜月灣相差不多,不管耆老所言真實性多高,整個宜蘭平原沙岸近數十年來不斷的後退是不爭的事實(張,1992),美麗的沙灘海岸提供人們散步、游泳、衝浪、垂釣等多方面的海上活動,許多大飯店或休閒旅館都喜歡蓋在沙灘海邊附近,沙灘的流失不但影響人們海岸的活動範圍,也可視為國土的流失,這是很值得國人和政府重視的問題。
關鍵字:外澳、火成岩脈、單面山、地層摺皺
參考文獻
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2009年4月14日 星期二
2009年4月9日 星期四
2009年3月1日 星期日
龜山島海域地質
龜山島海域地質
龜山島是位在頭城東方海面上約12公里的一座火山島嶼,因外型酷似烏龜而被稱為龜山島,面積2.7平方公里,海拔最高398公尺,如此矗立在海面上龐大的岩體,使得在宜蘭平原上的每個角落都可以望得到它,長久以來一直是宜蘭地區最重要的地理指標,也是宜蘭人主要的精神象徵和心靈歸宿。
地體構造單元
由台灣東北部陸上及海域地形(圖1)可以看出,龜山島位於沖繩海槽的最西緣,沖繩海槽的外形像一個楔形體,水深由東往西漸漸變淺,從約2300公尺至龜山島附近只約100公尺,在海槽的東邊沿海槽中心水深約2000公尺處,可發現有數十個出露在海底的火山,火山高度可達兩三百公尺,這些海底火山都有很高溫的流體冒出(李昭興,2002),地震頻繁,旺盛的火山活動顯示沖繩海槽的張裂作用還很強烈。
龜山島的南北側為宜蘭陸棚(Yu and Hong, 1992),陸棚海底平坦,水深大都在200公尺以內,陸棚的寬度在蘭陽溪口外海最大,約10公里,往北至頭城外海或往南至蘇澳外海,寬度均漸漸減小至約2公里,在地理位置上宜蘭陸棚因可與陸上蘭陽溪相連接,有些學者便認為宜蘭陸棚為蘭陽溪沖積扇的延伸(Chen, 1991)。研究海底沈積物型態的學者(Hong et al.,1992)指出陸棚的海底沈積物以砂質為主,最近的研究亦有發現沈積物中含膠結性較強的石灰岩質物質,一般認為這些沈積物最主要來自蘭陽溪的堆積。
由陸棚往東南方向,隔宜蘭海谷即為宜蘭海脊,宜蘭海谷為本區域洋流切穿海底重要的地形特徵,海谷呈南北向弧形狀,弧口朝東,谷地形狀為U字形,中間狹窄,最窄處約8公里,往南北寬度漸寬,海谷水深約500公尺,深度從南到北變化不大,台灣東部外海為黑潮流經之路,黑潮往北流動遇到宜蘭海脊和琉球島弧後,深部富營養鹽的海水被帶到淺水海域,形成所謂的湧升流(upwelling),營養鹽吸引魚群的聚集覓食,造就宜蘭外海天然的漁場,宜蘭海谷很可能是一小部分的黑潮水體沖刷海床而形成。海谷東邊的宜蘭海脊為琉球島弧的最西緣,深度約800-1000公尺,是琉球島弧上水深最深的地方,跟洋流的流動方向關係密切。
龜山島的東北邊是穩定的大陸邊緣,主要的地體構造單元有基隆海谷、基隆陸棚和棉花峽谷,屬於東海陸棚和東海大陸斜坡的一部份,西北-東南向的基隆海谷離東北部鼻頭角約8公里,海谷寬約10公里,長約65公里,水深270公尺,海谷地形基本上是沿上新世至更新世的右移斷層帶上發育(Huang et al., 1992, Marr, 1995)。海谷的東北側為基隆陸棚,基隆海脊的坡度約1.5度,比一般的大陸棚陡,陸棚寬約50公里,長約60公里,東北邊與棉花峽谷相接,棉花峽谷以東為大陸斜坡區,有數個峽谷發育,棉花峽谷為一溯源侵蝕(headward erosion)的峽谷,源頭向上切割東海陸棚並發育成兩條較小的峽谷,峽谷谷壁陡峭,呈V字型,為活躍的海底峽谷。
地體構造運動
地球表面由數十個大小不一的板塊組成,板塊的厚度約100公里,板塊岩質堅硬,可視為不易變形的剛體,板塊下面則為塑性較大的軟流圈,由於地球內部熱的對流作用和地球轉動等因素的影響,板塊會在軟流圈上滑動,這就好像在臉盆裡裝一些水和冰塊,軟流圈可視為臉盆裡面的水,板塊則為臉盆裡的冰塊,擾動水體,浮在水上的冰塊就會跟著移動,台灣島的周圍有兩個板塊,西邊為歐亞大陸板塊,東邊為菲律賓海板塊(圖2),台灣島的位置原先是歐亞大陸板塊上的大陸棚,約在500萬年前因菲律賓海板塊往西北碰撞歐亞大陸板塊,才從海底被推擠出水面,這種板塊聚合的碰撞運動又稱造山運動。菲律賓海板塊在西邊擠出台灣島,在北邊則隱沒入歐亞大陸板塊的下方,兩板塊在隱沒處的地表上,因板塊的下拉而形成水深可達6000公尺以上的琉球海溝,隱沒的菲律賓海板塊被地球內部的高溫加熱,部分熔點較低的岩石熔化(稱為部分融熔作用,partial melting),形成岩漿往地表噴發,形成琉球火山島弧,龜山島和台灣北部的大屯山、觀音山等火山,也都是經由這種部分融熔作用所產生。
隱沒的菲律賓海板塊前緣漸漸下沉到軟流圈中,板塊牽引軟流圈的物質運動,破壞軟流圈內原先的熱平衡,引起熱對流作用,使琉球島弧後方的板塊被拉張,地殼受拉張作用影響而發育成沖繩海槽,海槽中心即板塊的張裂中心,來自地球深部的岩漿可經由張裂的地塊噴發至地表,形成沖繩海槽中心附近有數十個海底火山,從地震學或地熱學的研究顯示沖繩海槽的張裂作用仍很強烈,最近的熱流研究發現,張裂中心的熱流值很高,其熱流值可高出一般地表平均值數倍至數十倍(Shyu et al., 2001),至龜山島的周圍仍有很高的熱流值(江協堂,2005),而且可能一直往西延伸至宜蘭平原,一般相信宜蘭平原的發生和沖繩海槽張裂的往西延伸有很大的關係。
龜山島北邊的歐亞大陸板塊則為一個穩定的地塊,地表位移的研究發現(Liu, 1995, Yu et al., 1997),受沖繩海槽張裂影響,外表成三角形的蘭陽平原,其北側的地表並不太會移動,南側的地表則往南旋轉移動,並以牛鬥為轉動軸,順時鐘方向每年約1.3微弧度旋轉,平原上地表的高度也因地塊運動而下陷,其中以宜蘭至羅東一帶下陷量最大,每年可達2公分,至於龜山島本身的地塊運動如何,目前尚無最新研究,但鑑於火山活動往往帶來重大的災難,最近已有學者開始對龜山島地下岩漿的活動進行系統性的監測研究(經濟部中央地質調查所,2005),未來累積眾多的研究資料後,將可更了解龜山島地下岩漿的活動情形。
龜山島地質
在地形上龜山島大致可分為龜首、龜頸、龜甲和龜尾。龜首朝東,為岩層崩落的斷崖,高度約239公尺,東邊陡峭,西邊較平緩,地形上遠看像一隻昂首朝東的烏龜頭部,是目前附近火成活動特徵最明顯的區域。龜甲為一南陡北緩的山脊,最高點398公尺,也是全島最高的地方,龜甲的南岸為陡峭斷崖,從山脊頂端至海平面幾乎垂直降落,海浪拍擊岩岸,造成許多海蝕洞,龜甲北邊為一斜坡,在靠近海邊處才以海崖與海水接觸,在龜甲與龜頸間有一小湖泊,以前曾有人在此處開採安山岩風化後的白土,作為化妝品原料用。龜尾的主要特徵為一卵石形成的海灘,長約1公里,卵石為島山崩落下來的安山岩,經海浪長期淘洗後形成,受海面風浪的影響,在不同的風向季節,卵石因滾動而改變其位置,當地人稱此現象為神龜擺尾,會移動的卵石在龜尾堆積形成一封閉半鹹水湖,稱為龜尾湖,湖面高度有潮差現象,湖底應與海水相通。
一、龜首
岩層主要由安山岩質火山碎屑岩組成,火山碎屑岩是岩漿噴發至空中冷凝再落回至地面上,或者在岩漿噴發過程中,地下岩層被岩漿擠碎的岩塊,這種岩層因結構較鬆散,容易崩塌,因此每當颱風或大雨過後,常常可以看到龜首處有岩石新崩塌痕跡(圖3),鬆散的岩層孔隙率也較大,地底下火山的氣體和熱液容易沿著地層孔隙流到地表面來,這些含有大量硫磺的酸性熱液和氣體使岩層發生熱水換質的變質作用,變質後的碎屑岩抗侵蝕力更差,增加岩層的侵蝕作用,根據文獻記載,民國三、四十年時磺煙和噴氣仍十分強烈,台灣島上時常仍可聞到來自龜山島的硫磺味,但經多次岩層崩塌後,噴氣孔可能已被阻塞,現在已不見此景象了。
二、龜頸
岩層由交叉的火山碎屑岩流組成,碎屑岩流動的方向為來自東方的龜首和西方的龜甲兩個方向(圖4),碎屑岩流動的方向可指示火山口的位置,因此可推測龜山島至少有兩個火山口,也就是說龜山島是由兩座火山組成的,一個位在龜首的東側,一個是龜甲,從龜甲北岸的火山碎屑或熔岩的流向為由南往北推測,龜甲這座火山的火山口應該位在龜甲的南方,由碎屑岩流的交叉結構分析,來自龜首的火山碎屑岩覆蓋在來自龜甲的火山碎屑岩上,可進一步推測龜首的火山應該比龜甲火山還年輕,但噴發規模可能較小(圖5)。
三、龜甲
岩層主要由安山岩質熔岩組成,熔岩為岩漿從火山口流出,沿地表流動冷凝而形成,流動岩漿的表面與空氣接觸,冷凝較快,常形成熔岩後,下面的岩漿仍繼續流動,所產生的剪力使熔岩發生節理或破碎,流動岩漿的前緣,也會在冷凝成熔岩後,受到後方岩漿的推擠而產生解理作用,在龜尾湖觀音神像後方、龜甲北面的海崖和龜尾南面軍事碉堡的下方均可以發現這類的解理構造(圖6-1、圖6-2)。
冷凝中的熔岩若其內部的氣體來不及逸出,則會在冷凝的岩石中形成氣孔,若氣孔體積比例佔整個岩石很高,使岩石的密度比水還低,岩石放在水中會浮起來,成為所謂的浮石。富氣孔的熔岩在冷凝的末期中,若與大量的氧氣接觸,則可能發生熱氧化作用(thermal oxidation),岩石成分中的二價鐵會被氧化成三價鐵,岩石呈現暗紅色,這種暗紅色的熔岩稱為阿Y熔岩,在龜尾北岸碼頭或是礫灘上的卵石都可發現此種熔岩塊(宋聖榮,2000)。
岩漿從地底下流經地表途中,地下深部的岩塊有時會掉落在岩漿裡,若岩漿流到地表冷凝後,這些岩塊還沒被高溫的岩漿熔化掉,殘留在熔岩裡,形成所謂的捕獲岩(圖7),捕獲岩的外圍常有與高溫岩漿作用的反應圈,是用來辨別捕獲岩的方法之一,深部的岩石受地底下放射性物質的照射,礦物晶格中的電子會形成激態,被帶到地表後,接受放射性物質的照射較少,電子會回到原來的能階,利用熱螢光分析激態電子可估算深部岩石被帶到地表以後的時間,應用此方法已算出某些捕獲的石英砂岩年齡約7000年(陳于高等,1998),在這些捕獲岩的上面有2層火山碎屑岩和2層熔岩流,因此推測龜山島近7000年來至少有4次的噴發。
四、龜尾
龜尾為一峽灣地形,其南邊有一座高約141公尺的熔岩丘,外觀似哈巴狗(圖8),由於岩石堅硬,熔岩丘內部被開挖成許多碉堡,龜尾北邊為一條東北-西南向的砂嘴,砂嘴由島山崩落下來的安山岩卵石組成(圖9),形成長約1公里的海灘,海灘最高約4公尺,卵石為崩落的岩塊經海浪長期淘洗後形成,大小數公分至數十公分不等,礫灘上沒有砂或泥等沈積物,推測可能是因龜尾的岩層少有風化現象,加上海流流動強烈等原因,細顆粒沈積物不易在此處堆積,砂嘴的南側本來跟龜山島岩體是分開的,並形成一個半封閉的海灣,為昔日龜山島居民船隻停泊的港灣,但後來受風浪作用,卵石礫灘向東移動,封閉港灣形成一半鹹水湖,即今日所見的龜尾湖。
五、海底熱泉
在龜首附近,表面的海水一直受到擾動,好像底下有水柱不停的向上湧,一般稱此現象為海底湧泉(圖10),這是從地底下逸出來的熱泉和熱氣在海床下累積足夠壓力後,克服海水的靜水壓力而從海床湧出,造成海面一波一波的湧浪,淺色的熱液與海水混和,使龜首一帶的海水由深藍色變成淺藍色或接近乳白色,帶狀的淺色海水非常鮮豔,隨著附近潮水的流動,好像咖啡上流動的奶精,帶狀大小和海底熱泉的活動強弱有關。海底熱泉湧出口,溫度60-116℃,熱泉含有二氧化硫、硫化氫等酸性化合物,使附近的海水變成酸性海水,PH值可低於2以下,海床表面可發現純度高達99.5%的硫磺。
龜山島因火成活動仍十分顯著,符合活火山的定義(宋聖榮和楊燦堯,2000),火山作用造成的地質景觀具備豐富的觀光資源(李昭興,2000),東北角海岸國家風景區管理處已於92年完成觀光資源調查報告(交通部觀光局東北角海岸國家風景區管理處,2003),然而有鑑於過去歷史記載,世界各地火山爆發造成的重大災害影響人類甚巨,地質學家除肯定龜山島的觀光價值外,更關心龜山島潛在的地質災害,目前一群地質學家正著手長期觀測地底下地震的活動、熱流的變化和地表的變形速度是否異常,以了解目前龜山島地底下岩漿活動狀態,龜山島神秘的面紗正一步一步被揭開中。
關鍵字:龜山島、海域地質、火山活動、沖繩海槽、琉球島弧
參考文獻
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圖1 龜山島附近海域的地體構造單元
圖2 台灣附近海域的海底地形,紅色曲線為板塊界線。(國家海洋科學研究中心提供)
圖3 龜首附近常見岩層崩塌(箭頭處)
圖4 龜頸附近有火山碎屑岩流堆積,由不同的堆積方向(箭頭)可研判係來自不同的火山口
圖5 龜山島火山噴發形式示意圖
圖6-1 龜甲北面海崖的岩層解理構造(箭頭處)
圖6-2 龜尾南面軍事碉堡的下方垂直向的岩層解理構造(箭頭處)
圖7白色的深部石英岩(箭頭處)被安山岩捕獲至地表
圖8 位於龜尾的熔岩丘,外觀似一隻哈巴狗。(王秋雄攝)
圖9 龜尾砂嘴地形,主要由安山岩質的卵石組成(王秋雄攝)
圖10 海底湧泉
龜山島是位在頭城東方海面上約12公里的一座火山島嶼,因外型酷似烏龜而被稱為龜山島,面積2.7平方公里,海拔最高398公尺,如此矗立在海面上龐大的岩體,使得在宜蘭平原上的每個角落都可以望得到它,長久以來一直是宜蘭地區最重要的地理指標,也是宜蘭人主要的精神象徵和心靈歸宿。
地體構造單元
由台灣東北部陸上及海域地形(圖1)可以看出,龜山島位於沖繩海槽的最西緣,沖繩海槽的外形像一個楔形體,水深由東往西漸漸變淺,從約2300公尺至龜山島附近只約100公尺,在海槽的東邊沿海槽中心水深約2000公尺處,可發現有數十個出露在海底的火山,火山高度可達兩三百公尺,這些海底火山都有很高溫的流體冒出(李昭興,2002),地震頻繁,旺盛的火山活動顯示沖繩海槽的張裂作用還很強烈。
龜山島的南北側為宜蘭陸棚(Yu and Hong, 1992),陸棚海底平坦,水深大都在200公尺以內,陸棚的寬度在蘭陽溪口外海最大,約10公里,往北至頭城外海或往南至蘇澳外海,寬度均漸漸減小至約2公里,在地理位置上宜蘭陸棚因可與陸上蘭陽溪相連接,有些學者便認為宜蘭陸棚為蘭陽溪沖積扇的延伸(Chen, 1991)。研究海底沈積物型態的學者(Hong et al.,1992)指出陸棚的海底沈積物以砂質為主,最近的研究亦有發現沈積物中含膠結性較強的石灰岩質物質,一般認為這些沈積物最主要來自蘭陽溪的堆積。
由陸棚往東南方向,隔宜蘭海谷即為宜蘭海脊,宜蘭海谷為本區域洋流切穿海底重要的地形特徵,海谷呈南北向弧形狀,弧口朝東,谷地形狀為U字形,中間狹窄,最窄處約8公里,往南北寬度漸寬,海谷水深約500公尺,深度從南到北變化不大,台灣東部外海為黑潮流經之路,黑潮往北流動遇到宜蘭海脊和琉球島弧後,深部富營養鹽的海水被帶到淺水海域,形成所謂的湧升流(upwelling),營養鹽吸引魚群的聚集覓食,造就宜蘭外海天然的漁場,宜蘭海谷很可能是一小部分的黑潮水體沖刷海床而形成。海谷東邊的宜蘭海脊為琉球島弧的最西緣,深度約800-1000公尺,是琉球島弧上水深最深的地方,跟洋流的流動方向關係密切。
龜山島的東北邊是穩定的大陸邊緣,主要的地體構造單元有基隆海谷、基隆陸棚和棉花峽谷,屬於東海陸棚和東海大陸斜坡的一部份,西北-東南向的基隆海谷離東北部鼻頭角約8公里,海谷寬約10公里,長約65公里,水深270公尺,海谷地形基本上是沿上新世至更新世的右移斷層帶上發育(Huang et al., 1992, Marr, 1995)。海谷的東北側為基隆陸棚,基隆海脊的坡度約1.5度,比一般的大陸棚陡,陸棚寬約50公里,長約60公里,東北邊與棉花峽谷相接,棉花峽谷以東為大陸斜坡區,有數個峽谷發育,棉花峽谷為一溯源侵蝕(headward erosion)的峽谷,源頭向上切割東海陸棚並發育成兩條較小的峽谷,峽谷谷壁陡峭,呈V字型,為活躍的海底峽谷。
地體構造運動
地球表面由數十個大小不一的板塊組成,板塊的厚度約100公里,板塊岩質堅硬,可視為不易變形的剛體,板塊下面則為塑性較大的軟流圈,由於地球內部熱的對流作用和地球轉動等因素的影響,板塊會在軟流圈上滑動,這就好像在臉盆裡裝一些水和冰塊,軟流圈可視為臉盆裡面的水,板塊則為臉盆裡的冰塊,擾動水體,浮在水上的冰塊就會跟著移動,台灣島的周圍有兩個板塊,西邊為歐亞大陸板塊,東邊為菲律賓海板塊(圖2),台灣島的位置原先是歐亞大陸板塊上的大陸棚,約在500萬年前因菲律賓海板塊往西北碰撞歐亞大陸板塊,才從海底被推擠出水面,這種板塊聚合的碰撞運動又稱造山運動。菲律賓海板塊在西邊擠出台灣島,在北邊則隱沒入歐亞大陸板塊的下方,兩板塊在隱沒處的地表上,因板塊的下拉而形成水深可達6000公尺以上的琉球海溝,隱沒的菲律賓海板塊被地球內部的高溫加熱,部分熔點較低的岩石熔化(稱為部分融熔作用,partial melting),形成岩漿往地表噴發,形成琉球火山島弧,龜山島和台灣北部的大屯山、觀音山等火山,也都是經由這種部分融熔作用所產生。
隱沒的菲律賓海板塊前緣漸漸下沉到軟流圈中,板塊牽引軟流圈的物質運動,破壞軟流圈內原先的熱平衡,引起熱對流作用,使琉球島弧後方的板塊被拉張,地殼受拉張作用影響而發育成沖繩海槽,海槽中心即板塊的張裂中心,來自地球深部的岩漿可經由張裂的地塊噴發至地表,形成沖繩海槽中心附近有數十個海底火山,從地震學或地熱學的研究顯示沖繩海槽的張裂作用仍很強烈,最近的熱流研究發現,張裂中心的熱流值很高,其熱流值可高出一般地表平均值數倍至數十倍(Shyu et al., 2001),至龜山島的周圍仍有很高的熱流值(江協堂,2005),而且可能一直往西延伸至宜蘭平原,一般相信宜蘭平原的發生和沖繩海槽張裂的往西延伸有很大的關係。
龜山島北邊的歐亞大陸板塊則為一個穩定的地塊,地表位移的研究發現(Liu, 1995, Yu et al., 1997),受沖繩海槽張裂影響,外表成三角形的蘭陽平原,其北側的地表並不太會移動,南側的地表則往南旋轉移動,並以牛鬥為轉動軸,順時鐘方向每年約1.3微弧度旋轉,平原上地表的高度也因地塊運動而下陷,其中以宜蘭至羅東一帶下陷量最大,每年可達2公分,至於龜山島本身的地塊運動如何,目前尚無最新研究,但鑑於火山活動往往帶來重大的災難,最近已有學者開始對龜山島地下岩漿的活動進行系統性的監測研究(經濟部中央地質調查所,2005),未來累積眾多的研究資料後,將可更了解龜山島地下岩漿的活動情形。
龜山島地質
在地形上龜山島大致可分為龜首、龜頸、龜甲和龜尾。龜首朝東,為岩層崩落的斷崖,高度約239公尺,東邊陡峭,西邊較平緩,地形上遠看像一隻昂首朝東的烏龜頭部,是目前附近火成活動特徵最明顯的區域。龜甲為一南陡北緩的山脊,最高點398公尺,也是全島最高的地方,龜甲的南岸為陡峭斷崖,從山脊頂端至海平面幾乎垂直降落,海浪拍擊岩岸,造成許多海蝕洞,龜甲北邊為一斜坡,在靠近海邊處才以海崖與海水接觸,在龜甲與龜頸間有一小湖泊,以前曾有人在此處開採安山岩風化後的白土,作為化妝品原料用。龜尾的主要特徵為一卵石形成的海灘,長約1公里,卵石為島山崩落下來的安山岩,經海浪長期淘洗後形成,受海面風浪的影響,在不同的風向季節,卵石因滾動而改變其位置,當地人稱此現象為神龜擺尾,會移動的卵石在龜尾堆積形成一封閉半鹹水湖,稱為龜尾湖,湖面高度有潮差現象,湖底應與海水相通。
一、龜首
岩層主要由安山岩質火山碎屑岩組成,火山碎屑岩是岩漿噴發至空中冷凝再落回至地面上,或者在岩漿噴發過程中,地下岩層被岩漿擠碎的岩塊,這種岩層因結構較鬆散,容易崩塌,因此每當颱風或大雨過後,常常可以看到龜首處有岩石新崩塌痕跡(圖3),鬆散的岩層孔隙率也較大,地底下火山的氣體和熱液容易沿著地層孔隙流到地表面來,這些含有大量硫磺的酸性熱液和氣體使岩層發生熱水換質的變質作用,變質後的碎屑岩抗侵蝕力更差,增加岩層的侵蝕作用,根據文獻記載,民國三、四十年時磺煙和噴氣仍十分強烈,台灣島上時常仍可聞到來自龜山島的硫磺味,但經多次岩層崩塌後,噴氣孔可能已被阻塞,現在已不見此景象了。
二、龜頸
岩層由交叉的火山碎屑岩流組成,碎屑岩流動的方向為來自東方的龜首和西方的龜甲兩個方向(圖4),碎屑岩流動的方向可指示火山口的位置,因此可推測龜山島至少有兩個火山口,也就是說龜山島是由兩座火山組成的,一個位在龜首的東側,一個是龜甲,從龜甲北岸的火山碎屑或熔岩的流向為由南往北推測,龜甲這座火山的火山口應該位在龜甲的南方,由碎屑岩流的交叉結構分析,來自龜首的火山碎屑岩覆蓋在來自龜甲的火山碎屑岩上,可進一步推測龜首的火山應該比龜甲火山還年輕,但噴發規模可能較小(圖5)。
三、龜甲
岩層主要由安山岩質熔岩組成,熔岩為岩漿從火山口流出,沿地表流動冷凝而形成,流動岩漿的表面與空氣接觸,冷凝較快,常形成熔岩後,下面的岩漿仍繼續流動,所產生的剪力使熔岩發生節理或破碎,流動岩漿的前緣,也會在冷凝成熔岩後,受到後方岩漿的推擠而產生解理作用,在龜尾湖觀音神像後方、龜甲北面的海崖和龜尾南面軍事碉堡的下方均可以發現這類的解理構造(圖6-1、圖6-2)。
冷凝中的熔岩若其內部的氣體來不及逸出,則會在冷凝的岩石中形成氣孔,若氣孔體積比例佔整個岩石很高,使岩石的密度比水還低,岩石放在水中會浮起來,成為所謂的浮石。富氣孔的熔岩在冷凝的末期中,若與大量的氧氣接觸,則可能發生熱氧化作用(thermal oxidation),岩石成分中的二價鐵會被氧化成三價鐵,岩石呈現暗紅色,這種暗紅色的熔岩稱為阿Y熔岩,在龜尾北岸碼頭或是礫灘上的卵石都可發現此種熔岩塊(宋聖榮,2000)。
岩漿從地底下流經地表途中,地下深部的岩塊有時會掉落在岩漿裡,若岩漿流到地表冷凝後,這些岩塊還沒被高溫的岩漿熔化掉,殘留在熔岩裡,形成所謂的捕獲岩(圖7),捕獲岩的外圍常有與高溫岩漿作用的反應圈,是用來辨別捕獲岩的方法之一,深部的岩石受地底下放射性物質的照射,礦物晶格中的電子會形成激態,被帶到地表後,接受放射性物質的照射較少,電子會回到原來的能階,利用熱螢光分析激態電子可估算深部岩石被帶到地表以後的時間,應用此方法已算出某些捕獲的石英砂岩年齡約7000年(陳于高等,1998),在這些捕獲岩的上面有2層火山碎屑岩和2層熔岩流,因此推測龜山島近7000年來至少有4次的噴發。
四、龜尾
龜尾為一峽灣地形,其南邊有一座高約141公尺的熔岩丘,外觀似哈巴狗(圖8),由於岩石堅硬,熔岩丘內部被開挖成許多碉堡,龜尾北邊為一條東北-西南向的砂嘴,砂嘴由島山崩落下來的安山岩卵石組成(圖9),形成長約1公里的海灘,海灘最高約4公尺,卵石為崩落的岩塊經海浪長期淘洗後形成,大小數公分至數十公分不等,礫灘上沒有砂或泥等沈積物,推測可能是因龜尾的岩層少有風化現象,加上海流流動強烈等原因,細顆粒沈積物不易在此處堆積,砂嘴的南側本來跟龜山島岩體是分開的,並形成一個半封閉的海灣,為昔日龜山島居民船隻停泊的港灣,但後來受風浪作用,卵石礫灘向東移動,封閉港灣形成一半鹹水湖,即今日所見的龜尾湖。
五、海底熱泉
在龜首附近,表面的海水一直受到擾動,好像底下有水柱不停的向上湧,一般稱此現象為海底湧泉(圖10),這是從地底下逸出來的熱泉和熱氣在海床下累積足夠壓力後,克服海水的靜水壓力而從海床湧出,造成海面一波一波的湧浪,淺色的熱液與海水混和,使龜首一帶的海水由深藍色變成淺藍色或接近乳白色,帶狀的淺色海水非常鮮豔,隨著附近潮水的流動,好像咖啡上流動的奶精,帶狀大小和海底熱泉的活動強弱有關。海底熱泉湧出口,溫度60-116℃,熱泉含有二氧化硫、硫化氫等酸性化合物,使附近的海水變成酸性海水,PH值可低於2以下,海床表面可發現純度高達99.5%的硫磺。
龜山島因火成活動仍十分顯著,符合活火山的定義(宋聖榮和楊燦堯,2000),火山作用造成的地質景觀具備豐富的觀光資源(李昭興,2000),東北角海岸國家風景區管理處已於92年完成觀光資源調查報告(交通部觀光局東北角海岸國家風景區管理處,2003),然而有鑑於過去歷史記載,世界各地火山爆發造成的重大災害影響人類甚巨,地質學家除肯定龜山島的觀光價值外,更關心龜山島潛在的地質災害,目前一群地質學家正著手長期觀測地底下地震的活動、熱流的變化和地表的變形速度是否異常,以了解目前龜山島地底下岩漿活動狀態,龜山島神秘的面紗正一步一步被揭開中。
關鍵字:龜山島、海域地質、火山活動、沖繩海槽、琉球島弧
參考文獻
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圖4 龜頸附近有火山碎屑岩流堆積,由不同的堆積方向(箭頭)可研判係來自不同的火山口
圖5 龜山島火山噴發形式示意圖
圖6-1 龜甲北面海崖的岩層解理構造(箭頭處)
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圖9 龜尾砂嘴地形,主要由安山岩質的卵石組成(王秋雄攝)
圖10 海底湧泉
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