:::

蘭博電子報

029期-地質篇(三) ~員山礦場

文/圖:江協堂(國立宜蘭大學講師)

圖1:員山礦區位置圖(圖中左側紅心圓)(圖片取自google earth網站)
圖1:員山礦區位置圖(圖中左側紅心圓)(圖片取自google earth網站)

 

野外觀察大地的構造運動或是地層層序結構等,必須選擇有岩層裸露、少有植生覆蓋的地方,這種可進行野外實地觀察的裸露地層稱為露頭,一般露頭都是位於陡峭的山區邊坡、斷崖、風化或侵蝕較強的地方,在大雨或洪水過後,有些岩層崩落也可形成露頭,露頭經一段時間,地表植物恢復生長後,也可能因植生太過茂密而難以進行地質觀察,失去露頭的功能,因此,大區域良好的露頭並不多見,然而有有些人為造成的露頭卻是區域大又方便觀察,例如採礦、挖山洞、建水庫、築公路等岩層的開挖,都是觀察地質構造的好機會。

 

開礦業者利用重機具有計畫的開挖礦體,開挖礦體造成岩層裸露的面積通常很大,有時可達數十平方公里,其開挖方式,一般山區大都使用台階式開採(shelf quarries),在挖完數公尺深的岩體後,岩礦不易往上輸送至地表上,於是在礦區周圍開挖一條載礦機具可通行的平台,再繼續往中間的礦體開挖,開挖出來的岩礦便可沿台階輸送上來,如此一層一層的往下、往中間挖,最後整個礦區的四周便形成一階一階的台階。岩體被挖開後,台階旁裸露岩層的峭壁就是觀察地層剖面最佳的地方,國外一些礦區常在開採完礦後捐給學校單位作為野外地質觀察的場所,就是因為這些人為露頭容易到達,場地井然有序,易於岩石採樣或觀測,但這些峭壁的穩定性是暫時性的,在觀察時需注意崩落的岩塊。本文介紹員山土石開採礦場,此礦場有非常明顯的褶皺和斷層構造,以及不同的地層岩性變化,是野外地質教學的良好場所。

地理位置和交通狀況

員山礦場位於員山鄉粗坑的山上,距離宜蘭市西方約15公里,海拔約400公尺(圖1),從台七線107公里叉路處,往山上的產業道路走到盡頭即是礦場所在位置,產業道路長約兩、三公里,路面鋪設柏油,路寬可勉強一般汽車雙向通行,入口不遠處有一廢棄垃圾場,過垃圾場後為因應運送土石卡車的通行,道路稍寬,路面改鋪設水泥,沿途路況大都凹凸不平,不利普通汽車通行,而且運送土石卡車下山時煞車較遲鈍,要到礦場考察應先通知工作人員,以便事先管制卡車,確保行車安全。從衛星影像圖可看出本礦場採台階式開採,礦區可分為南北兩個開挖區塊(圖2),北方區塊較大為主礦區位置,南方區塊較小可能為次礦區,主礦區面積4公頃,開挖深度約數十公尺,礦區周圍很清楚可看到三條主要工作平台,是開挖和運送礦體機具通行的道路。

圖2員山礦區衛星圖。圖中箭頭為主礦區位置(下方較小區域可能為次礦區),面積約4公頃,礦區周圍很清楚可看到三條主要工作台階,是開挖和運送礦體機具通行的道路。(圖片取自google earth網站)
圖2員山礦區衛星圖。圖中箭頭為主礦區位置(下方較小區域可能為次礦區),面積約4公頃,礦區周圍很清楚可看到三條主要工作台階,是開挖和運送礦體機具通行的道路。(圖片取自google earth網站)

 

礦區位置從葫蘆堵大橋南岸朝北方向,亦可窺得部分形貌(圖3)。礦區現場如圖4,礦場入口僅一處,位在南邊,隨行車輛可停於入口處路邊,不要進入開挖作業區,以免妨礙礦場安全。雨天過後現場多泥濘,應穿雨鞋較佳。

左圖:圖3從葫蘆堵大橋遠眺之礦區形貌,從台七線107公里處的產業道路可到達礦區。 / 右圖:圖4員山礦區現場照片。圖中顯示開挖工作台階已超過三階,與衛星影像顯示三階有差異,台階的多寡可表示開礦的時間長短,台階越多,表示開礦時間越久。
左圖:圖3從葫蘆堵大橋遠眺之礦區形貌,從台七線107公里處的產業道路可到達礦區。 / 右圖:圖4員山礦區現場照片。圖中顯示開挖工作台階已超過三階,與衛星影像顯示三階有差異,台階的多寡可表示開礦的時間長短,台階越多,表示開礦時間越久。

地質考察重點

本礦區可觀察的地質構造包括褶皺(fold)、斷層(fault)和地層(formation)等等。

 

所謂的褶皺就是當地層受到水平橫向應力推擠時,地層藉由改變形狀抵抗外力而產生彎曲的現象。地層的楊氏係數(作用在岩石上的應力除以岩石本身的應變量)通常很大,輕度的改變外型便可以承受強大的應力,在野外可發現有些地層只是很輕微的彎曲,就是屬於這種例子;但若組成地層的岩石性質較為塑性,岩層的楊氏係數較小,受到外來的應力,岩層會產生很大的變形,例如太魯閣一帶的變質岩,常可見巨大的變形量而產生的流紋構造。

圖5地層受水平擠壓產生褶皺現象
圖5地層受水平擠壓產生褶皺現象

一個標準的褶皺構造包括軸面(axial plane,把褶皺分成互相對稱的面)、軸線(axis,岩層彎曲最大地方所連成的直線)、褶翼(flank,軸面至另一相鄰軸面的區域,一個褶皺必定有兩個褶翼)、褶峰(crest,褶皺最高點的位置)、褶谷(trough,褶皺最低點的位置)、背斜層(anticline,地層向上隆起,兩翼往相反方向傾斜,褶皺中心地層最老)、向斜層(syncline,地層向下凹彎,兩翼同向往褶皺中心傾斜,褶皺中心地層最年輕)(圖5)

 

如果作用於地層應力增加,地層外型的改變程度也會越來越大,當應力大到地層本身無法承受時,地層便以斷裂方式來解除所受的應力,這就是我們看到的斷層現象(圖6),除應力外,地層的岩石若較脆性,也比較容易產生斷層。地層發生斷層所產生的清楚斷裂面稱為斷層面(fault plane),斷層面上方的地層稱為上盤(fault wall),下方稱為下盤(fault foot),依地層上下盤的相對運動方向,可將斷層構造分成正斷層(normal fault)、逆斷層(reverse fault)和橫移斷層(lateral fault)三種,若主要應力為垂直向,斷層上盤沿斷層面相對下盤做向下移動,稱為正斷層,若主要應力為水平向,斷層上盤沿斷層面相對下盤做向上移動,稱為逆斷層,若主要應力平行斷層面呈水平移動,則斷層上、下盤只做水平移動,而沒有上下垂直的移動稱為橫移斷層。

 

褶皺和斷層都是地層受到應力擠壓所產生的一種地質作用現象,台灣地區位於歐亞大陸板塊和菲律賓海板塊碰撞帶,板塊碰撞的擠壓力非常大,區域內地層常有異常的應力分佈,因此造成褶皺和斷層地質現象也就十分普遍。

 

另外在地層構造方面,地層剖面可讓我們觀察組成地層的岩性和岩層的沈積構造,一般地表常見的沈積岩依岩石顆粒大小可分為礫岩、砂岩、頁岩、泥岩等,而由岩石顆粒的排列方式和顆粒大小的分佈,可用來推測沈積當時環境的概況,例如在沈積環境在淺海區常有海浪作用產生的交錯層構造(cross bedding)、岩體崩落引發的濁流會產生粗顆粒在下、細顆粒在上的粒級層堆積構造(graded bedding)以及底棲生物對岩層擾動所產生的生物活動構造(bioturbation structures)等等,這些沈積層岩性和構造都有助於我們了解地層在形成時的環境。

圖6 (A)正斷層,主要應力為垂直向。(B)逆斷層,主要應力為水平向。(C)橫移斷層,主要應力為平行斷層面。
圖6 (A)正斷層,主要應力為垂直向。(B)逆斷層,主要應力為水平向。(C)橫移斷層,主要應力為平行斷層面。

 

(一)褶皺

走進員山礦場,往東方望去可看到斷面非常大的褶皺(圖7),高度約30公尺,寬度約150公尺, 褶皺軸幾乎成水平向,兩翼接近對稱,這種褶皺型態稱為偃臥褶皺(Recumbent fold),常發生在低角度逆衝斷層上盤,此褶皺從礦場入口一直延伸到礦場盡頭,在礦場中央附近,褶皺翼角度漸接近垂直向,褶皺軸位置不易分辨(圖8),在礦區的西側,可見褶皺往西邊的延伸,但只見側翼不見軸部,此褶皺因礦區開挖才被發現,因此並未列入中央地質調查所編纂之地質圖中。本礦區北邊2公里處有一東西向的中領背斜,反應本區域東北-西南向之主要構造方向,其與本礦區之褶皺地層很可能以一斷層相接,這些褶皺構造幾乎都是在台灣造山運動過程中產生的。

左圖:圖7員山礦區的褶皺地層。 / 右圖:圖8在岩層受擠壓的過程中,岩層抗壓的不均一性,常導致同一褶皺在不同區域地層層面有外型的差異。
左圖:圖7員山礦區的褶皺地層。 / 右圖:圖8在岩層受擠壓的過程中,岩層抗壓的不均一性,常導致同一褶皺在不同區域地層層面有外型的差異。

 

(二)斷層

在礦區東側褶皺旁可發現一幾近垂直向的斷層,斷層的下盤(北側)為褶皺地層,層面很容易辨認,斷層的上盤(南側)因植生較密,層面不易辨識(圖9)。通常脆性地層發生斷層後,其破裂程度較塑性地層嚴重,因此容易形成地下水的通道,野外常見斷層面有地下水滲出,植物很容易沿斷層面生長,因此從植物生長的線型型態,也可用來追蹤斷層面的位置。本斷層的型態因斷層面兩側地層不易對比,到底是正斷層或逆斷層尚不可知,很可能是岩層擠壓過程中產生的高角度逆斷層。

 

本礦區另一與褶皺伴生的局部斷層位於礦區入口右側的路邊(圖10),斷層和褶皺高度約2公尺,斷層右側地層層面約略呈水平,斷層左側則為一逆偃褶皺,此種規模非常小的斷層和褶皺可能跟岩體的崩落有關,也就是在地層抬升過程中,掉落下來的不穩定岩塊,另也有可能是接近斷層面或褶皺軸部,該區域容易發生應力集中現象,導致局部岩塊受到較大的擾動。從地質圖可看出一條潛在的東西向斷層通過本礦區附近,礦區內的斷層構造可能根這條斷層有關。

左圖:圖9礦區東側接近垂直向的斷層,左邊為明顯的褶皺地層,右邊的地層層面因植生較密,較不清楚。 / 右圖:圖10褶皺與斷層同時發生的現象。
左圖:圖9礦區東側接近垂直向的斷層,左邊為明顯的褶皺地層,右邊的地層層面因植生較密,較不清楚。 / 右圖:圖10褶皺與斷層同時發生的現象。

 

(三)地層

本礦區的地層為四稜砂岩,四稜砂岩為淺海相粗顆粒砂岩,受波浪掏洗作用,岩石顆粒大都以硬度較大的石英礦物為主,岩層顏色偏白,質地堅硬,常形成陡峭的地形,岩層受斷層作用容易產生密集裂隙,具筆者現場觀察,本礦區的四稜砂岩已發生風化作用而產生可能為高領土的白土,白土可當成化妝品塗抹於臉上(圖11)。除風化的白土外,四稜砂岩中亦夾雜炭質頁岩層(圖12),黑色的炭質頁岩層表示當時波浪作用減小,沈積環境變穩定,炭質沒被氧化而保存下來。

 

一個礦場的開挖也許代表一個家族的興起,其漫長的開挖歲月,也或許孕育不少礦工感人的故事,礦場除展現活生生的地質教學素材外,其隱藏的人文背景亦值得省思。

左圖:圖11四稜砂岩風化後產生的白土(可能為高領土),可當化妝品塗抹在臉上。 / 右圖:圖12砂岩中夾的炭質頁岩層。
左圖:圖11四稜砂岩風化後產生的白土(可能為高領土),可當化妝品塗抹在臉上。 / 右圖:圖12砂岩中夾的炭質頁岩層。

參考文獻

  • 徐鐵良1986 地質與工程,中國工程師學會,494頁。
  • 何春蓀 1999 普通地質學,國立編譯館(修訂第三版),751頁。
  • 何春蓀 1986 台灣地質概論-台灣地質圖說明書,經濟部中央地質調查所(增訂第三版),164頁。