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地震化石—光滑的斷層鏡子

2016/07/03 | | 標籤:

文/郭力維|國立中央大學地球科學系

「地震!!!」這句話可能是「不知道」以外,最常在台灣說(聽)的一句話。這顯示台灣的地震相當頻繁(廢話) 外,對地震的認識有其必要性與急迫性(屁話)。

目前,於地震發生之後,地球物理與地震學家藉由演算測站所接收到的震波,可以迅速地獲得地震的相關資訊。但是對於地震時所發生的(物理化學)作用,以及伴隨的產物,我們卻仍一無所知。其原因在於,地震多發生在深處(5~20 公里),而同震 (快速滑移)產生之作用(以瞬間高溫、高壓與伴隨之熱液所驅動之物理或化學作用;不平衡作用)與伴隨的產物,在抬升的過程,會因風化與換質作用(平衡作用)而被抹滅掉。因此,要辨識同震作用的產物極具難度,也讓目前已辨識的同震產物(指示地震之證據)——地震化石,更顯珍貴。

以色列有個出產石灰岩的採石場,恰好位於走滑斷層上,而其斷層滑動(摩擦)面聳立於地表上數公尺。特別的是,此斷層表面光滑無比,儼然像一面鏡子(斷層鏡子)。Siman-Tov 等人觀察了此滑動面的表面構造,發現:(1) 表面粗糙度大約 20 奈米,遠低於不可反射可見光波長的粗糙度 (100 奈米);(2) 此光滑表面是由奈米等級的方解石顆粒所構成。

藉由 (1) 微構造的觀察;(2) 現有(模擬斷層滑移的)岩石力學的結果;與 (3) 工業的加工拋模打光過程,作者推測可能是斷層在石灰岩上快速滑移,使方解石於雙晶(或解理)中產生機械破壞,進而產生奈米顆粒,並形成奈米顆粒薄層(斷層鏡子),但此觀察結果對於將斷層鏡子當成快速滑移的辨識物(地震化石)仍存疑慮。

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源自義大利阿爾卑斯山南段 Foiana Line 碳酸岩之斷層鏡子(斷層作用造成之極光滑表面)。圖/星期五的地質

這疑慮在兩年後便獲得了解答。作者使用 (1) 三種石灰岩;(2) 等速滑動(0.001~0.63 公尺/秒);與 (3) 變速滑動(快速變慢速或相反)等條件,進行岩石力學實驗,試著觀察斷層鏡子的生成與破壞過程。作者發現只有在快速滑移的條件(大於 0.07 公尺/秒)才會形成鏡面,而且鏡面的微構造與以色列走滑斷層的斷層鏡面相似。反之,慢速滑移在摩擦面上,以磨蝕作用(wear erosion)為主,並產生粉末與裂隙,而無奈米顆粒薄層覆蓋其上。

另外,藉由使用熱電耦偵測訊號,作者估計滑動面上快速滑動時,可能溫度最高達 310℃,並以此說明,由機械破壞作用產生的奈米顆粒,會因熱壓焊結作用(hot pressing sintering)而膠結在一起,變成實驗所觀察到的鏡面。至此,作者提出在淺處形成的石灰岩質斷層鏡子,可以被視為是地震化石(快速滑移的證據)。

因此,如果在野外看到斷層鏡子,先別急著整理儀容,想想,它在提醒你這裡曾有(大)地震發生。

主題資料來源:

本文轉載自「星期五的地質– Friday Geology」,由中華民國地質學會授權轉載。

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中華民國地質學會的前身「中國地質學會」成立於民國11年(西元1922年)當時的北平,民國46年在台灣正式於內政部立案在台北復會,民國95年更名為「中華民國地質學會」,並於民國100年核准登記為「社團法人中華民國地質學會」。目前有效會員近500人,實際參與過學會的人次已超過2000人。本學會成立之宗旨在推動我國地球科學教育與研究之發展,解決各項有關地質的問題,以及促進相關工作者間知識與意見之交流。本會定期出版學術刊物、舉辦座談會及學術演講會、委託會員進行專題討論,並接受公司機關之委託,研究相關之地質問題。