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沈積物的海底溜滑梯──淺談濁流與海底峽谷

文/吳依璇、熊衎昕

引言

海有多深?海底下是什麼樣子?在看不到的海底,會是一片平坦嗎?

十九世紀中葉人們為了瞭解海有多深,拿個綁著石頭的繩子往海裡丟,數著繩結來估算海有多深。約在1930年代,由於聲納系統的發展,除了知道海有多深以外,還可以了解海平面以下的地形變化。現在多虧了google earth,隨時隨地都可以在電腦上看到海床樣貌。

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圖一,挑戰者深淵在太平洋的位置,(圖片來源:google earth)。

但是海底長得如何,和我們的生活有什麼關係呢?

1929年,紐芬蘭大淺灘(Grand Banks)發生規模7.2的大地震,大地震後的十幾個小時內,海底的電纜一根接著一根斷了,斷裂點從地震震央附近一路往深海延伸。人們想著,「難道是地震引出了某頭怪獸,一路衝撞到了深不可測的海底了?」。

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圖二,紐芬蘭大淺灘(Grand Banks)發生地震後,海底電纜斷裂的位置。黑線為海底電纜,藍線為受損的電纜,黑點為電纜斷裂處,紅圈為震央。(Heezen and Ewing, 1952)。

海底峽谷的「起源」

你累了嗎?聽個故事好嗎?1863年某一天,Dana沿著哈德遜灣(Hudson bay)掃著海底地形,掃出一條條像是河谷的凹地,大家發現這些特別地形後開始紛紛討論。

「這些凹地是怎麼來的?」

「難道是…以前曾經有過好幾條河流,後來這些河谷沉沒,於是靜靜的躺在海底下直到今天才發現呢?」Dana這樣想著(Dana, 1890)。

「我想應該是地殼變動的關係吧。」Lawson表示著(Lawson, 1893),

「不,你們想太遠了,這些凹地是因為海底的水流不斷反覆沖刷侵蝕造成的!」Smith提出了反駁(Smith, 1902),

「我認為,應該是冰河期地表抬升,地表受到侵蝕,刻出一條條谷地。後來海平面上升,淹沒了谷地,所以我們現在才在海裡看到它們。」Spencer緩緩道來(Spencer, 1903)。

當時陸續有人在歐洲和美國東岸的大陸坡上發現到這些谷地,但是都沒有辦法提出強力的證據證明這些谷地的成因。於是,開始有人認為這些谷地只是一些錯誤資料,認為Dana這些人只是為了拼點數發期刊文章惹人注意而已。漸漸的,這些躺在海底下的谷地又默默的被淡忘了…..

直到1928年,美國海岸及大地測量計劃(U.S. Coast and Geodetic Survey)開始在美國東岸進行一系列的海底測繪,

「什麼!Dana他們當初發現的那些峽谷…..怎麼都還在!」

這件事再度震驚了海洋地質界,沒想到多年前未解決的問題,又再浮現於眼前。

「滾滾長江東逝水,浪花淘盡英雄。冰河時期海平面下降,浪花一朵朵的打上大陸棚,使得大陸棚上的泥巴、石頭的變得鬆軟,這些泥巴石頭混著水就滑下了大陸坡去了,這就是那些峽谷的生成原因唄。」Daly如此說道,「這些谷地真像是大峽谷,又在海底下,就叫它──海底峽谷(submarine canyon)唄。」(Daly, 1936)

此話一出,於是眾多的海洋地質學家們開始討論,揪竟…是什麼樣的沈積物與水的混合體才能在海底刻劃出海底峽谷如此偉大的藝術品呢?

直到了1952年,Heezen和Ewing想起當初1929年紐芬蘭大淺灘的地震,「也許當初引出的不是一頭兇猛的怪獸,而是沈積物與水的混合體以驚人速率(約100 km/h)前進,它們沿著海底峽谷一路衝撞,撞斷了許多海底電纜後,消失於深海中。我們需要個名字來稱呼這頭猛獸,它們叫做──濁流(turbidity current)。」(Heezen and Ewing, 1952)。

這頭濁流猛獸不只是1929年闖了禍,1887年到1937年間,還造成鋪設在剛果海底峽谷(Congo Canyon)頭部的海底電纜一斷再斷,總共斷了30次。這下有趣了,哪裡來的地震可以引出濁流,還沖斷了好幾次電纜?這時,Heezen他們才發現,不只是地震會引發濁流,原來剛果海底峽谷接在剛果河的河口上,剛果河帶來的沈積物與水混合後,形成了濁流,就這樣順勢進入了剛果海底峽谷。

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圖三,剛果海底峽谷,剛果海底峽谷頭部與剛果河相接。(圖片來源:wiki)

雖然1863年來科學家對於海底峽谷生成的原因仍不斷筆戰中,但是,這時期出現了一位熱愛海底峽谷近乎如痴如狂的海洋地質學家──Francis P. Shepard。他不像其它海洋地質學家們猛在期刊文章上打嘴砲瞎猜峽谷生成的原因,反而多次潛入海底峽谷頭部拍照打卡(Shepard and Emery, 1946),量測峽谷底部的水流(Shepard et al., 1939),精確的測量峽谷頭部的變化(Shepard, 1937)。在多年的研究以後,Shepard有感而發,「唉呀,這些峽谷們真是複雜啊,我覺得它們是冰河期遺留的河谷挺合理的,它們是濁流切割大陸斜坡出來的谷地也挺合理的,有些峽谷看起來挺像是沿著斷層發育的。海底峽谷切得這麼深,它們的谷壁偶爾也會有土石流崩落,這些崩落也是會造成濁流啊。不然這樣好了,摻在一起做成撒尿牛丸啊!」。於是,1981年,Shepard提出海底峽谷形成是受到多種原因控制,並且峽谷的發育可能持續很長一段時間的想法(Shepard, 1981),暫時停止了科學家們間的戰火。

海底峽谷在哪裡?就在你身邊!

全世界的大陸棚坡區都存在著一些海底峽谷,目前已知的峽谷約5849條(Harris and Whiteway, 2011)。

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圖四,海底峽谷分布圖,紅線為頭部與陸上河流相接的峽谷,黃線為頭部嵌入陸棚的峽谷,藍線為頭部限制在陸坡的峽谷(Harris and Whiteway, 2011)。

臺灣周圍的大陸棚坡地區也有發育峽谷,臺灣西南海域就有三條大型峽谷和許多小型峽谷,來自臺灣和中國陸上的沈積物藉由這些「沈積物的海底溜滑梯」,衝往深海海溝裡堆積。誇張的講,當我們在高屏溪河口扔下的垃圾,會順著高屏海底峽谷一路往下,接到澎湖海底峽谷和澎湖深海水道,最後,沒多久就會在馬尼拉海溝裡看到它的蹤跡。(Hsiung and Yu, 2011)

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圖四,臺灣西南海域海底地形圖。

隨著時間匆匆過去,海水潮起潮落,紐芬蘭大淺灘(Grand Banks)的故事又再一次上演,2006年12月26日恆春外海發生了規模7的地震。除了造成輕微的人命傷亡和建築物損毀,令網路鄉民們感到同樣痛心的是,多條海底電纜中斷,導致網際網路…斷!線!了!

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圖五,臺灣西南海域電纜斷裂分布圖,紅點為電纜斷裂地點,黑線為海底電纜,黃線為高屏海底峽谷谷軸。(Hsu et al., 2008)

來看看這次電纜斷裂的地點吧,看來是因為濁流沿著高屏海底峽谷一路衝到深海去,順手牽了幾段電纜。先別怪罪濁流,要避免下次地震後沒辦法發地震文,是否要好好考慮一下海底電纜鋪設的地點呢?

除了海底電纜的鋪設以外,和海底峽谷有關的議題也相當多,像是研究海底峽谷內海流的變化,以及水流受到峽谷地形的影響,將表層營養鹽帶入峽谷內,蓬勃了峽谷內的生態等。我們居住在四面環海的臺灣島(或離島)上,也許可以花多一點點的心思來觀察海底世界。

參考文獻:

  • Heezen, B. C., and Ewing, Maurice. (1952). Turbidity currents and submarine slumps, and the 1929 Grand Banks earthquake. American Journal of Science, 250(12), 849-873.
  • Lawson, Andrew. (1893). The Geology of Carmelo Bay. Univ. Calif., Dept. Geol., Bull. 1, 1-59.
  • Smith, W. S. R. (1902). The submarine valleys of the California coast. Science, XV(382), 670-672.
  • Spencer, J. W. (1903). Submarine valleys off the American coast and in the North Atlantic. Bull. Geol. Soc. Amer., 14, 207-226.
  • Daly, R. A. (1936). Origin of submarine canyons. American Journal of Science, 31(186), 401-420.
  • Shepard, F. P., Emery, K. O., (1946). Submarine photography off the Californa Coast. Jour. Geol., 44(5), 306-321.
  • Shepard, F. P., Revelle, R. R., Dietz, R.S., (1939). Ocean-bottom currents off the California Coast. Science. 89(2317), 488-489.
  • Shepard, F. P., (1937). Inverstigation of submarine topography during the past year. Trans. Amer. Geophys. Union. 226-228.
  • Shepard, F. P., (1981). Submarine canyons; multiple causes and long-time persistence. AAPG Bulletin, v. 65, 10621077.
  • Harris, P. T., and Whiteway, T. (2011). Global distribution of large submarine canyons: Geomorphic differences between active and passive continental margins. Marine Geology, 285(1-4), 69-86.
  • Hsiung, K.H., and Yu, H.S. (2011). Morpho-sedimentary evidence for a canyon–channel–trench interconnection along the Taiwan–Luzon plate margin, South China Sea. Geo-Marine Letters, 31(4), 215-226.
  • Hsu, S.K., Kuo, J., Lo, C. L., Tsai, C. H., Doo, W. B., Ku, C. Y., Sibuet, J. C. (2008) Turbidity Currents, Submarine Landslides and the 2006 Pingtung Earthquake off SW Taiwan.  TAO. 19(6).

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關於作者

滔滔OceanSays編輯,也是PanSci特約作者,曾在茫茫的物理之海中載浮載沉,後來隨著洋流漂到遠洋慢慢沈積下來。