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台灣的地史與「滄海桑田」的真正意義!

阿樹_96
・2013/12/30 ・2809字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

本文由民視《科學再發現》贊助,泛科學獨立製作

其實,台灣的地史研究由來已久,即便對於各項演化過程的機制仍有一些疑惑,但整體的架構也在過去數十年來的許多學者的努力下,已大致底定,如今我們可以很容易的搜尋到一些地質學者撰寫的圖書與文章,如師大陳培源老師的「台灣地質」一書、台大鄧屬予老師刊於地球科學園地的東北角的往日雲煙一文,以及非常科普化,在陳文山老師網站「台灣的地史影片」台灣島的大地架構等等。這些知識對於熱中地球科學的青年學子或許是一帖良劑,可以很快的知道台灣島的成因。但一般大眾在閱讀台灣島的地史之前,不妨先複習一下關於各項岩石、地層的知識,或許可以更輕鬆的了解台灣的地史與地層特性,增加我們探索大自然的背景知識與邏輯推理的合理性!

台灣最古老的岩系的岩石,筆者攝於砂卡礑溪,2004。
台灣最古老的岩系的岩石,筆者攝於砂卡礑溪,2004。

生生不息的岩石循環

最容易在我們身邊觀察到岩石形成的現象,就是沉積的作用,岩石經過風化會讓碎屑逐漸變小,經由河流、風力、海浪等不同的過程移至別處,最後會受重力影響而停留下來,在大規模的尺度中,這類沉積作用最初會以水平沉積為主,而隨著時間演進,越老的沉積物會被埋至深處,因此在沒有任何影響的情況下,地層應該是下老上新、水平的狀態為主。附帶一提,所謂的「化石」,大多也是會出現在沉積岩層中,生物的殘骸隨著沉積物一起被掩埋了。除此之外,沉積岩也是用來進行環境分析的重要指標,沉積岩可能會透露出水流的能量、方向、來源、氣候狀態、海平面高低…等等,簡單來說,就是「地表歷史」的紀錄。

第二種岩石形成現象是偶爾會發生,但有絕大多數是看不見的,就是火成岩,火山作用會造成岩漿噴出地表後再凝固、或是岩漿凝固的碎屑被拋的老遠,像是惱人的火山灰,會影響航班、造成空氣品質危害。當然還有些火成岩是直接在地下形成的,會有結晶、有時還能作為建材,這點大概一般人較容易能理解,就是岩石可融熔成岩漿,也會再凝固成石頭。

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第三種就超級抽象,所有的作用都不在我們的眼前完成。原先已經存在的岩石,受到地質環境中高溫、高壓與流體的影響,在岩石仍保持固態的狀況下,其礦物排列情形可能會發生改變(例如:片狀礦物轉成垂直壓力的方向平躺),或者有些礦物結晶會增大、甚至轉換形成其他礦物(例如:本來是含水礦物,變成不含水礦物…所以玉、藍寶石這種只有變質作用下才可能形成的礦物,並不常見),這樣的過程就稱為變質作用,而原先的岩石就轉變形成「變質岩」;可以想見變質岩在(古今)板塊碰撞帶中最為常見。如果原本的岩石是含有化石的沉積岩,受到變質作用後,化石輕則發生變形、扭曲,嚴重點就面目全非、無法辨識。(註)

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現今的台灣地質

台灣地質背景分區示意(摘自東北角的往日雲煙)

回過頭來看台灣的地質圖,這是數十年來學者們的心血結晶,一般會將台灣分成5個主要長條的部分,依岩石性質來分的話,是海岸山脈的火成岩、脊樑山脈與雪山山脈的變質岩,接著是西部麓山帶和海岸平原的沉積岩。

除了表面看到構造,台灣的底下其實還另有玄機,為於板塊交界的台灣,地震乃是家常便飯,而隨著板塊學說的建立與完備,配上地質與地震、地球物理的資料,也為台灣島今日的樣貌提供了解答。1986年法國學者Jacques Angelier提出了台灣的大地構造架構,在台灣的南邊與東北邊各存在一個隱沒帶,而中間的部分則以碰撞作用為主,雖然板塊撞過程的細節仍有部分爭議,但這個架構大致已成為學者們的共識,是綜合目前所有的資料後,較為合理的解答。當然,為了更接近真理,科學家仍努力不懈的在進行相關研究,像是2008年PTT火紅的新竹地震新聞,就是在進行台灣地下構造探究的震測實驗,就是名為「台灣大地動力學國際合作研究計畫」(TAiwan Integrated GEodynamic Research, TAIGER)的研究,要來了解台灣底下的構造(見台灣山根有多深,科學人雜誌)。

台灣的地體構造,修改自Angelier J. (1986)。

台灣的地史簡述與現今出露岩層的年代

我們先從脊樑山脈談起,大概在這區塊中,有很多很老的變質岩,它是台灣本島最古老的岩石,為古生代晚期(約2億多年前)的產物,但因為經歷了上述的變質作用,而且還有兩次(另一次等一下會提到)!很難保有當時的化石,甚至連沉積的環境也不明,唯一大約50年前在台灣東部大理岩(變質岩)中找到的二疊紀(古生代末期)紡錘蟲(蜓科有孔蟲)、珊瑚化石。這是該大理岩中唯一的化石發現紀錄(註)。

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之後就是雪山山脈,當時台灣的西邊正變成張裂的環境,張裂形成的半地塹讓沉積物一直掉進去,然而這已經是新生代(6千萬年前~2千5百萬年前)之後的事了。接著海岸山脈的火成岩(也是新生代之後的產物),是像蘭嶼一般的火山島弧形成後,逐漸撞上台灣島(這件事發生在5百萬年前左右),讓剛才提到的脊樑山脈再被變質一次,也讓雪山山脈不止被抬升起來,也經歷了輕度的變質,多形成板岩、變質砂岩,在北部不用上山,東北角海岸的鼻頭角以南的地質多以雪山山脈地層為主,海邊就有了!

最後,西部麓山帶指的就是中央山脈以西,大多海拔2000公尺以下的山區部分。這些岩層雖然有時會傾斜、發生褶皺,但實際上沒受到什麼變質作用,以後會隨著碰撞向西傳遞的力量逐漸長高,然後會因風化作用移除上面較年輕的岩層,露出和雪山山脈、脊樑山脈一樣較老的岩層。

至於海岸平原區,代表的是完完全全沒有受到變形的地方,而其年代又十分年輕,基本上以人力挖掘的岩石,頂多到新生代早期,目前所出露的岩石中,連個中生代指準礦物菊石都看不到了,要是看到古生代的化石,那就更匪疑所思了。但要是真的有看到,也請切記不要亂動它,先拍照記錄存證後,記得去找專業的來鑑定,說不定就會一舉登上Nature期刊之類的!

白堊紀以來台灣地史(摘自東北角的往日雲煙)

在我們了解台灣地史之後,再來看最近與化石有關的新聞,或許會更容易解惑!   參考資料:

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註:部分文字由台大海洋研究所朱美妃助理教授提供建議。 本文同時發布於作者部落格地球故事書

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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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大直公寓陷落!連續壁能保護工地,為什麼會造成外側房屋坍塌?在軟弱地盤上蓋房子可行嗎?
PanSci_96
・2023/10/21 ・5106字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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「趕快下來、房子要倒了!」隨著工地主任一聲大喊,居民慌亂逃出。接著,基泰大直建案隔壁的公寓,就像坐電梯一樣往下陷落,原本的 1 樓,如今已成為地下室。

除了基泰大直案,台灣各處都偶有聽聞發生天坑、房屋沉陷等事件,這些災害,似乎又常常是地下工程惹的禍。

但這次事件是怎麼發生的?軟弱的地盤真的不適合蓋房子嗎?我家或你家,也會遇到嗎?

為什麼土壤會崩塌?

為什麼土壤會崩塌?大家應該都有過在海邊堆沙子的經驗,當砂子堆到一定的角度後,沙堆表面的沙子就會開始不穩定,這時如果繼續堆沙,沙子就會坍方。

土壤的「剪力強度」會使土壤坍塌到一定程度後就不會繼續坍塌,讓土壤的斜面與地面形成一個角度。所謂的剪力是指將物體推往相反方向的外力,例如用剪刀剪紙,或是用手撕紙。而土壤的剪力強度,指的是防止土壤發生平移破壞的阻抗,剪力強度愈大,代表愈不容易發生坍塌。

剪力強度的大小則受到土壤的顆粒形狀、大小分配比例、緊密程度以及凝聚力所影響。例如由不同形狀與大小的顆粒混雜而成的土壤,彼此之間的摩擦力比只有相同大小顆粒的圓形土壤,強度還要高。或是含水量較少的黏土,比含水量高的黏土黏滯性還高,凝聚力更強,因此剪力強度比較高,更不容易坍塌。

圖/公共工程品管班教材

若是開挖基地的土壤剪力強度不足,很難形成垂直度高的壁面,這個時候若是沒有足夠的空間設立明挖邊坡,就需要擋土壁來擋住側向的砂土,保護開挖面,讓工程順利進行。

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大家在這次事件一直聽到的「連續壁」,是一種常見的地下擋土設施,就可以擋住側向的沙土。開挖建築地下室前,常會在基地周圍施作一圈連續壁,阻擋地下水與土壤,再進行開挖工作。由於連續壁適用範圍廣、可以擋水、所需空間不大,對臨房影響較小,常被用在軟弱黏土以及都市密集區的工程。而連續壁的貫入深度,通常是開挖深度的 2~3 倍。

以台北市為例,根據臺北市建築工程基礎開挖安全措施管理作業要點,在有鄰房的狀況下進行地下開挖,深度只要達 8 公尺以上就要採用連續壁擋土工法。這些連續壁不僅能用來保護工地,還可以成為未來完工後,建築物地下室的永久外牆。

開挖建築地下室前,常會在基地周圍施作一圈連續壁。圖/PanSci YouTube

那麼,這次事件又發生了什麼事呢?

大直民宅坍塌事件是怎麼發生的?

為了抵擋側向土壓力與水壓力,通常擋土壁還需要配合基地內的支撐系統。常見的施工流程首先會在施作擋土壁之後打入中間柱,並且開挖第一階土方。接著在中間柱上架設一層臨時性的水平支撐與施工構台,才會繼續往下開挖下一階土方,重複這樣的步驟直到挖至設計深度。全部開挖完成後,最後在底面鋪設混凝土底版,由下往上開始施作地下室結構。

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圖/公共工程品管班教材

這次基泰大直事件中,基地位於軟弱黏土地盤。當開挖作業進行到一定深度後,連續壁外側的土壤重量,超過連續壁底部黏土的抵抗力,開挖底部失去平衡。外部的黏土沿著破壞面流動,湧入開挖區。緊接著,基地內的土壤連同中間柱被湧入的土壤向上抬起。當中間柱被向上推之後,橫向的水平支撐也隨之崩解,失去保護連續壁的作用,最後失去側向支撐力的連續壁朝基地內擠進破壞。

災難如連鎖反應,除了基地結構被破壞,基地外側的土壤也會因為向開挖區內流動,導致地面大量沉陷,蓋在上面的房子,也就是這次事件中受害的民宅,隨之下陷。這種工程災害稱為「隆起破壞」。

過程雖然是這樣,但導致這次事故發生的確切原因,目前還在調查當中。可能是調查與設計單位對地質狀況的判斷過於樂觀,連續壁的設計貫入深度不足,或是因施工不慎,導致連續壁與支撐系統並沒有完全發揮作用。

那麼你可能最擔心的是,我家會不會也遇到相同問題,買房前是不是也要挑地質?

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常見的開挖災害有哪些?

這邊要先說明,其實不同的地質,需要對應不同的考量與施工工法,我們應該因材施工。而不同地質,也會面臨不同的挑戰與風險。例如基泰大直的隆起破壞,容易發生在軟弱黏土進行的開挖工程,而在透水性良好的砂質土壤中,則可能會因為地下水位差,發生管湧與砂湧等災害。

什麼是管湧呢?它指的是地下擋土壁因為施工不慎導致壁面出現裂縫,在裂縫處將容易形成透水路徑。如果沒有即時修補裂縫,滲出的水流會愈來愈大,並夾帶砂土,形成滲流管道。水流夾帶砂土持續湧入開挖基地,就會使得擋土壁外側逐漸被掏空,導致上方鄰近道路及房屋沈陷。

圖/臺灣公路工程第 43 卷第 1-2 期

而砂湧,也是另一個容易發生在砂質地盤的災害,這種現象主要發生在基礎開挖時,基地內側與外側水位落差很大。水位差會使地下水由擋土壁底端上湧,當上湧水流的壓力大於開挖面底部土壤的重量,水壓會將基地內的土砂舉起,冒出開挖面,進而導致開挖基地的破壞。

圖/臺灣公路工程第 43 卷第 1-2 期

不過除了先天的地質問題,擋土壁與支撐系統,也可能會因為設計與施工上有所疏失,使得擋土壁牆身的強度不夠或位移太大而發生破壞。

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話說回來,這些軟弱地盤,是不是根本就不適合蓋房,爛泥扶不上牆,不對,是爛泥扶不住牆呢?

軟弱地盤真的不適合蓋房嗎?

就像蛋糕不是只有蛋,建築的地盤不只有土壤,而是由土壤、地下水及空氣所組成。依照不同的比例及成份,有著不同的特性。若是地質沒辦法讓蓋在上面的建築物穩定安全,就是所謂的軟弱地盤。

軟弱地盤通常位於沖積平原、湖沼地或是人工回填區。這些地方的土壤因為沒有經過地質變動等物理作用,通常由軟弱黏土、沉泥、或是鬆散的砂土所構成。例如台北盆地是河流所形成的沖積平原,因此大部分的地區都是屬於軟弱地盤,而桃園、台中的地質則穩固許多。

直接在軟弱地盤上蓋房子,就像將建築蓋在豆腐上,不僅施工時容易發生災害,建築也可能會因為自身的重量而沉陷。但隨著都市發展,所需要的土地大量增加,我們很難完全避免在這類地盤上興建工程,因此工程師會利用各種方法,來克服困難的地質條件。

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軟弱地盤並不是完全沒有辦法蓋房子,我們可以選擇深基礎,透過數十公尺長的基樁,穿過軟弱土層,將建築固定在更深處的堅硬岩盤上。

或是透過地盤改良,改善土壤的特性,防止破壞、液化以及沉陷等問題發生。

除了加入岩隱村習得土遁忍術以外,地盤改良的方式非常多,同樣需要依據地盤的性質、改良的方向以及工程的類型來選擇最適合的工法。這裡介紹幾種台灣常見的地改方式。

第一種是振動夯實,這種方法是利用機械振動等外力,使基地土層的密度增加,加強支撐力,減少發生沉陷或液化的可能,這種方法適用在非黏性的土層。

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第二種,排水預壓工法。這種方式則是在蓋房子前,在基地加上額外的載重,同時也可以搭配排水帶,縮短土壤孔隙水的排水路徑,讓水更容易排出,進而增加土壤的壓密速率,減少土壤內的孔隙與含水量,克服未來建築完成後的沉陷問題。

第三種,也是在都市建築中最常見的地盤改良,是深層攪拌工法,利用特殊機械,透過高壓噴射或是機械攪拌等方式,在地層中注入水泥,並同時攪拌土壤,讓水泥與周圍的土壤拌合成固結體,與原本的地層組成複合基地,以提高土壤強度,我們常聽到的地盤改良樁,就是屬於這種工法。

也就是說,透過合適的地盤改良、基礎形式與開挖工法,軟弱地盤也是能蓋房子的。

如果你對你家,或是你想要買房子地方的地質很好奇,那事不宜遲……就來介紹查詢看看你家地質吧。

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我該怎麼知道我家的地質?

依照經濟部地質法的規定,只要是政府機關或公營事業所辦理的地質調查,都需要將調查結果提交給中央主管機關。而這些資料都會被上傳至中央地調所建置的公開平台——工程地質探勘資料庫,也就是說,如果你家附近曾經有公共工程進行過地質調查,就可以在上面找到鑽探資料。

另外,政府也公布了全台的地質分佈資料土壤液化潛勢區以及活動斷層的分佈,資料都公開在網路上,有興趣的觀眾可以上去查看,更瞭解自己的居住環境。除此之外,國家地震研究中心甚至有有簡單的試算方式,可以評估自家住宅的耐震能力。

當然這些公開資料,只能作為工程設計的初步參考,還是需要請專業的地質調查公司進行鑽探與實驗,才能比較完整地瞭解基地的地質。因為即便知道自己家裡附近的地質類型,地質條件還牽涉到各種土壤參數,工程設計和施工品質也有重大的影響。此外,像順向坡角、土石流及易淹水潛勢區這類危害很大的地方,一般民眾原本也鮮少將此列入尋覓住處的考量。

如果有哪些關於買房要注意的眉角你還想聽我們分析,例如房價、交通、裝潢、空氣品質甚至是風水,歡迎留言告訴我們。最後也想問問大家,在挑房子時,哪項指標是你最在意的呢?

  1. 事件發生後,我覺得地質與買房地點,才是最重要的
  2. 在多地震的台灣,房屋的耐震係數最重要
  3. 氣候變遷之下,節能省冷氣且防淹水防空污最重要
  4. 以上這些都是多說的啦,房子貴到買不起,對我都不重要。

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PanSci_96
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【成語科學】滴水石穿:地質的漸進性變化
張之傑_96
・2023/07/05 ・1056字 ・閱讀時間約 2 分鐘

東漢史學家班固所著的《漢書》,是中國第一部斷代史。

該書〈枚乘傳〉有這樣一句話:

「泰山之霤穿石,單極之綆斷幹。」

意思是說,泰山的滴水可以滴穿岩石,單獨一條井繩可以磨斷井欄上的木架。

班固的這兩句話,演變成兩個成語:滴水石穿、繩鋸木斷。這兩個成語的意義相同,比喻只要有恒心毅力,就能夠成功。

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水將石頭切割出各種形狀。圖 /Envato Elements

滴水石穿,也作滴水穿石,或水滴石穿,其中以前者最為常見,讓我們試著造個句吧。

  • 屋簷的滴水,將簷下的地磚滴出一溜小坑洞,這是水滴石穿的實例啊!
  • 古人說:繩鋸木斷,水滴石穿,只要有恆心毅力,哪有解決不了問題。

滴水果真能穿石嗎?豈只能穿石,還能鑿穿大山呢!你去過太魯閣嗎?壁立千仞的立霧溪峽谷,就是立霧溪經年累月沖蝕、切割出來的。你去過北海岸的石門洞嗎?那是海浪長期拍打、侵蝕形成的。除了水的作用,風蝕作用也不容小覷。你去過野柳嗎?那些奇岩怪石,包括聞名的女王頭,主要是風蝕作用形成的。

小朋友或許會說,河川和風力真有那麼大的力量嗎?我怎麼看不出來!要知道,除了地震、火山等劇烈活動,一般地質變化都非常緩慢,我們雖看不出來,卻是塑造地形、地貌的主要力量。

直到 19 世紀初,人們仍相信「災變論」,也就是說,地球上曾發生過突然的、災變性的變化,山脈、峽谷都可頃刻形成。他們認為,上帝可以隨意塑造地球,大自然不是科學所能解釋的。1830~1833 年,英國地質學家萊爾連續出版《地質學原理》三卷,推翻了災變論。萊爾認為,地球的變化是風霜雨露等長期、緩慢作用的結果。

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河川和風力是塑造地貌的主要力量。圖/Envato Elements

火山、地震等地質活動,看似驚天動地,其實影響有限。真正影響深遠的,仍是我們察覺不出的漸進性變化。我們覺察不出菲律賓海板塊仍在擠壓歐亞板塊,台灣和中央山脈就是這樣形成的。

我們察覺不出河川的侵蝕作用,台灣山區的大小峽谷,就是溪流長年累月切割出來的。地球有幾十億年的歷史,有道是:時間可以改變一切,只要加上時間因素,任何我們意想不到的變化都可能發生。

總之,成語水滴石穿,不僅是句激勵人的話,它說明了地質上的漸進性變化,它是有科學根據的。

張之傑_96
103 篇文章 ・ 224 位粉絲
張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。