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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。

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)。

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:

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

文章難易度
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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如何從茫茫大海中,找到戰爭遺留的深水炸彈?——海底掃雷行動

Else Production
・2022/01/19 ・2597字 ・閱讀時間約 5 分鐘

對於年輕人來說,我相信「深水炸彈」一詞並不會陌生,因為這近乎是每一個狂歡派對裡的必需品。但對於埋藏在深海裡的炸彈,大家又有沒有想過我們如何找出來?

這些未爆炸的軍備,我們稱之為 Unexploded Ordnance(簡稱 UXO),有可能是水雷,有可能是深水炸彈,也有可能是導彈。它們多數是第一次或第二次世界大戰遺留下來的產品,受到多年來沉積(即水流在流速減慢時,所挾帶的砂石、塵土等沉淀堆積起來)的影響,令它們埋藏在海床以下的地方。跟據 Euronews 的估計,單單在波羅的海亦有超過 30 萬的 UXO 埋在那裡。

二戰期間,桑德蘭水上飛機掛載的深水炸彈,圖/維基百科

你也許會問,既然都已經埋藏了,何況我們仍然要處理他們?這是因為我們會在海底裡鋪設電欖、水管、天然氣輸送管等輸送系統,假如鑽探過程中不小心觸碰了它們已產生意外,或是在完成工程某一天突然爆炸而令輸電系統中斷,後果可真是不堪設想。因此,最理想的方法便是把他們全部找出來並繞道而行,或是安排專家把他們處理。

真正的大海撈針:用磁場把 UXO 吸出來!

要找到這些 UXO,最容易的方法便是使用金屬探測的方法,但由於普遍的金屬探測器的探測範圍是不超過 2 公尺的,我們很難把探測器貼近凹凸不平的水底前行(這大大增加了磨損探測器的風險),因此我們會選擇較間接的方法:磁強計(Magnetometer)。由於大部份的彈藥外層是用鐵形成的,而鐵是對磁非常敏感的,因此我們能夠在較遠的範圍便能察覺他們的存在。當在外勤工作,我們會以兩個磁強計為一組去作探測,令我們更準備知道其實際位置及大小。讓我們看看以下例子:

圖 1:磁強計的探測結果

在圖 1 裡,假設我們知道標記「1」是一個 UXO 的位置,上圖的平行線為磁強計由左至右的移動路線,下圖為磁場沿路的變化。我們可以看見,當若果沒有任何金屬物件存在的話,兩個磁強計量度的數是相近的,亦即是該環境本身的磁場。但在 UXO 的附近,我們可以看到明顯的變化。藍色線代表航行路線的左方磁強計的量度值,燈色線代表右方,由於磁場強度會隨著距離而減少,因此很明顯這一個 UXO 的位置更接近藍色線,亦即是航線的上方。

我們可以透過兩者的差距估計其位置及大小,但為了確保其真實性,我們亦會在附近再次航行,假如也有磁場變異,這便是一個不會移動的金屬物品(撇除了船、飄浮中的海洋垃圾等的可能性)。

排除法:用側掃聲納窺探看不見的海底!

正如上文提要,磁場變異所告訴我們的,只是金屬物品的位置,但它亦有可能不是炸彈,也有可能不是埋在海床下,因此我們也會使用其他科學方法去驗證。其中一個便是側掃聲納(Side Scan Sonar) ,透過聲波反射的原理,我們可以看到海床的影像。假如海床是乾淨的,聲波傳送及接收的時間是一樣的,因此我們可以看到連續的晝面。但假如有異物在水中間或海床上,聲波便會被折射而形成黑影。讓我們看看以下例子:

圖2: 側掃聲納 圖片,紅色箭咀範圍代表沒有反射的區域,綠色箭頭範圖代表船與海底的距離 (圖片來源:Grothues et al., 2017)

看看圖 2。燈色的部份是海床的晝面,中間白色的部份是船的航道,亦是側掃聲納的盲點,而黑色的部份則是有物件在海床上方而形成的聲波折射,讓我們能夠清楚看見它們的形狀。有時候我們亦會看到一些海洋垃圾,如車胎、單車等,而在上圖的左上方,我們相信是一些棄置的工業廢料。

當然你也可以爭論,在圖左上方的物件有機會不是死物,而是一種未知海洋生物,因此我們也會進行多次的側掃聲納,如果在同一位置並不能再看到它,那麼這是生物的機率便很高。假如在磁場異變的位置側掃聲納沒有探測到任何物件,這進一步證明其 UXO 的可能性。但假如有黑影在上方,我們也會透過黑影分析其大小是否吻合,並會憑經驗分析該物品會否存在金屬。

此外,在看側掃聲納,我們也很重視在磁場異變的位置附近有沒有刮痕,因為形成刮痕的原因多數是船上作業頻繁的地方,有機會是漁船拖網的地點,也有機會是大船拋錨起錨的地方,而這些動作均有機會接觸或移動了這些潛在的 UXO,產生危機。因此,這些地方都會是我們首要處理的地方。

筆者按:假如大家想看看其他用側掃聲納發現的東西,如沉船、飛機等,可以到這裡觀看

萬無一失:Mission Completed !

當然,在取得數據時,我們也要儘可能減低人為因素而形成的影響。舉個例子,我們要確保磁強計遠離測量船,以免船上的儀器影響了磁強計。因此,我們並不會把磁強計綁在船底,而是把它們用纜索綁在船尾數十米以外的地方拖行。

另外,我們也要確保測量船要以均速航行,以確保所有數據都是一致的。最後,我們也要確保船上的 GPS 系統準確無誤,否則所有有可能是 UXO 的位置都是錯誤的。

完成以上的工序後,我們便會製作磁梯度圖(Magnetic Gradient Map),把剩餘下來的磁場變置點用其強度及大小表示出來,正如圖 3,再交給拆彈專家們處理。他們便會跟據他們的專業知識,加上該海岸的戰爭歷史,對比當時有可能參戰的國家、使用的武器及其金屬含量以找出存在的炸彈來處理。

要知道這些 UXO,單單在 2015 年在世界各地亦奪去了超過 6000 人的性命,因此這個科學命題可真是不容忽視!

圖 3:磁梯度圖。左邊是潛在 UXO 的位置而右邊則是它們的磁場強度的改變。(圖片來源:Salem et al., 2005)

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Salem, A., Hamada, T., Asahina, J. K., & Ushijima, K. (2005). Detection of unexploded ordnance (UXO) using marine magnetic gradiometer data. Exploration Geophysics, 36(1), 97–103.  
  2. Han, S., Rong, X., Bian, L., Zhong, M., & Zhang, L. (2019). The application of magnetometers and electromagnetic induction sensors in UXO detection. E3S Web of Conferences, 131, 01045.
  3. Image scans gallery. EdgeTech. (n.d.). Retrieved January 5, 2022, from https://www.edgetech.com/underwater-technology-gallery/ 
  4. Grothues, T. M., Newhall, A. E., Lynch, J. F., Vogel, K. S., & Gawarkiewicz, G. G. (2017). High-frequency side-scan sonar fish reconnaissance by autonomous underwater vehicles. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 74(2), 240–255.

本文亦刊載於作者部落格 Else Production ,歡迎查閱及留言

Else Production
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馬朗生,見習地球物理工程師,英國材料與礦冶學會成員,主力擔任海上測量工作,包括海床勘探、泥土分析、聲波探測等。