第 6 章 火山 地震與板塊運動 日本位於世界主要火山帶 圖為沖繩地區的火山
顯示地球內部蘊藏極大能量 影響地表上海 陸分布 形成高山 也可能對人類造成生命財 產的嚴重損失
火山活動與火成岩 陽明山國家公園在臺灣北部極負盛名 人們 在陽明山上看小油坑的地熱噴氣 圖 6-1 在北投 金山泡著舒服的溫泉 ( 圖 6-2) 或到九份 金瓜石賞玩豐富的金屬礦產 都與火山活動有關
圖 6-1 陽明山 小油坑 圖 6-2 北投溫泉
火山活動與火成岩 渡假勝地夏威夷是一系 列火山島嶼 到現在部分 島嶼的火山口仍持續噴出 熾熱岩漿 岩漿冷卻時會凝固形成岩 石 稱為火成岩 1. 澎湖 玄武岩 2. 陽明山安山岩 3. 常用於建材的花岡岩 台灣岩石分布 圖來源 : 康軒出版社
圖 6-3 岩漿冷卻時 凝固形成火成岩 攝於夏威夷
a. 玄武岩 b. 安山岩 圖 6-4 三種火成岩 c. 花岡岩
玄武岩 安山岩及花岡岩三種火成岩比較 名稱 玄武岩 組成顆 粒大小 較小 安山岩 較小 花岡岩 較大 清晰 可見 代表 地區 岩漿冷卻快慢 鐵 鎂成 分含量 二氧化矽 成分含量 澎湖 岩漿噴出地表後 即迅速冷卻凝固 形成岩石 多 少 岩漿噴出地表後 陽明山 即迅速冷卻凝固 形成岩石 中 中 岩漿在地底深處 緩慢冷卻 形成 岩石 少 多 金門
火山活動 火山活動常造成重大災害 如 公元 79 年義 大利維蘇威火山 (Mt.Vesuvius) 爆發 大量火 山灰掩蓋整個龐貝城 (Pompeii) 二十世紀時菲律賓品納吐波火山 (Mt. Pinatubo) 爆發 約二千五百多人死亡 迫使 美國放棄位於當地的海 空軍基地 看似平靜的地球 內部其實 蘊藏著極大能量
圖 6-5 地球內部蘊藏極大能量 火山爆發時常 噴發大量火山灰 造成重大災害
褶皺與斷層 除了火山活動外 還有許多自然現象可表現 地球內部活動 如在郊外可觀察到彎彎曲曲 的岩層 想想看 要讓岩層彎曲需要多大力量 這些 岩層是如何被彎曲的
圖 6-6 彎曲的岩層 攝於天祥
1. 將三塊黏土分別平放在桌子上 如圖 a 2. 取其中一塊黏土 將兩手分別置於兩端 並逐漸向中央 施力 如圖 b 觀察此時黏土的形狀變化及波形 3. 將步驟 2. 的黏土約略回復原狀後 取另一塊黏土彼此 上下相疊 如圖 c 用相同的力量重複步驟 2. 觀 察其形狀變化與步驟 2. 有何差異 4. 最後 將三塊黏土彼此上下相疊 重複步驟 2. 觀察 當黏土愈厚實堅固時 受壓產生的形狀變化有何差異 5. 將黏土靜置一段時間待其硬化後 再重複相同實驗 觀 察會發生什麼現象 模擬岩層褶皺
解答 步驟 2 黏土受力後會產生中央拱起的背斜結構或 中央凹下的向斜結構 步驟 3 及 4 岩層厚度愈來愈厚 使用同樣力量 產生背斜及向斜 a. 黏土平放在桌上 b. 雙手向中央施力 c. 兩塊黏土上下 構造的波長較長 震幅較小 波形與步驟 2 會有所差 相疊後 再向中 異 央施力 步驟 5 黏土硬化後可塑性低 若力量超過其所能承受的程度 時 黏土會斷裂而非產生褶皺 即斷層形成原理
褶皺與斷層 黏土受力後產生彎彎曲曲 同樣 在野外觀察到岩層彎曲現象 也 是岩層受力作用結果 稱為褶皺 水平岩層 褶皺 圖來源 : 中山大學環境工程研究所 施力於硬黏土時 黏土易斷裂 如同用力去 扳塑膠尺時 用力愈大塑膠尺彎曲變形程度 愈大 力量持續增加 塑膠尺便因無法承受 而斷裂
褶皺與斷層 岩層在受力過程中不斷累積能量 當所受力 量 > 限度 發生斷裂並釋放累積能量 產生 震動 就是地震 岩層破裂錯動的地方 : 斷層 依岩層受力破裂錯動型式 可分三種 正斷層 逆斷層及平移斷層 右圖來源 : 馬爺爺漫談斷層
圖 6-7 三種斷層示意圖 張力 : 正斷層 壓力 : 逆斷層 剪力 : 平移斷層 右移斷層 左移斷層 判斷平移斷層 ~ 1. 站在斷層一側看對面另一側 若對面一側向左手邊移動稱為 左移斷層 反之為右移斷層 2. 腳跨在斷層線兩側 哪側靠近自己就是甚麼斷層
種 類 垂直斷層 正斷層 逆斷層 平移斷層 右移斷層 左移斷層 示 意 圖 作 用 力 相對 運動 張力 上磐相對下磐 向下移動 圖文來源 : 常見的地質構造 壓力 剪力 剪力 上磐相對下磐 岩層沿斷層面 岩層沿斷層面 向上移動 向右移動 向左移動
地震 震源 : 岩層開始發生錯動的地方 震央 : 震源向上垂直投影至地面的位置 震源深度 : 震央到震源間的直線距離 地震強度 簡稱震度 1. 以地面上人感受到的搖晃程度 2. 物體受破壞程度來描述地震大小 中央氣象局將地震震度分為 0-7 級
圖 6-8 震源及震央示意圖 圖上紅色線代表地震波以同心圓的方式向外傳播
表 6-1 地震的震度 震度分級 人的感受 屋內情形 屋外情形 0 無感 人無感覺 1 微震 人靜止時可感覺微小搖晃 2 輕震 大多數的人可感到搖晃 睡 眠中的人有部分會醒來 電燈等懸掛物有小搖晃 靜止的汽車輕輕搖晃 類似 卡車經過 歷時很短 3 弱震 幾乎所有的人都感覺搖晃 有的人會有恐懼感 房屋震動 碗盤門窗發出聲 音 懸掛物搖擺 靜止的汽車明顯搖動 電線 略有搖晃 4 中震 有相當程度的恐懼感 部分 的人會尋求躲避的地方 睡 眠中的人幾乎都會驚醒 房屋搖動甚烈 底座不穩物 品傾倒 較重家具移動 可 能有輕微災害 汽車駕駛人略微有感 電線 明顯搖晃 步行中的人也感 到搖晃 5 強震 大多數人會感到驚嚇恐慌 部分牆壁產生裂痕 重家具 可能翻倒 汽車駕駛人明顯感覺地震 有些牌坊煙囪傾倒 6 烈震 搖晃劇烈以致站立困難 部分建築物受損 重家具翻 倒 門窗扭曲變形 汽車駕駛人開車困難 出現 噴沙噴泥現象 劇震 搖晃劇烈以致無法依意志行 動 部分建築物受損嚴重或倒塌 幾乎所有家具都大幅移位 或摔落地面 山崩地裂 鐵軌彎曲 地下 管線破壞 7 ( 資料來源 中央氣象局 本表僅供參考 不必背誦 )
等震度圖 在地圖上把地震時相同 震度的地區相連 可得 到等震度圖 並據此推 斷地震發生的位置及造 成災害的大小 圖 6-9 921 大地震等震度圖 表示震央位置 一般而言 距離震源愈 遠震度應愈小 不過各 地地質條件不同 因此 等震度圖範圍多為不規 則狀
地震 地震規模 目前世界通用芮氏地震規模 地震規模愈大 釋放的能量愈多 同次地震各地測得的地震規模應相同 通常芮氏規模 > 7.0 都是大地震 如 西元 1999 年 921 大地震 ( 芮氏規模 7.3) 西元 2004 年蘇門答臘地震 芮氏規模 9.0
6-1 右圖為臺灣地區某次地震強度分布圖 高雄站測得地震強度為 3 級 地震規模為 6.2 理論上臺南站測得之地震強度為 X 級 地震規模為 Y 有關 X Y 值的大小 下列何者正確 91-1 基測 (A) X 3 Y 6.2 (B) X 3 Y 6.2 (C) X 3 Y 6.2 (D) X 3 Y 6.2 解答 地震規模描述地震釋放的能量 不 因地點不同而改變 Y 6.2 地震強度描述的是搖晃程度或物體 破壞程度 可能因地點不同而改變 根據等震度圖判斷 臺南震度大於 高雄 X 3 答案為 (B)
地震災害 地震是自然現象 但帶來極大災害 除建築物 破壞外 火災常造成極大傷亡 如 1995 年日本阪神大地震 1906 年美國舊 金山大地震等 均發生嚴重火災造成重大死傷 目前無法準確預測何時會發生地震 做好防災 準備並具備震災的應對知識 對身處地震帶的 臺灣居民特別重要
加強建築物的耐震設計 不任意破壞房屋結構 準備緊急背包 將櫥櫃及懸掛物固定妥當 打開大門 避免因門框變形而受困 關閉自來 水 電器和瓦斯設備 躲在一個較矮且重心穩 固的大型家具旁 以避免被掉落物打傷 圖 6-10 地震災害防災事項
地震原因 透過火山與地震活動 可清楚感受到地 球內部不平靜 具有大量能量 由全球地震發生位置分布圖及火山活動 分布圖得知 地震分布和火山分布幾乎 吻合 能量釋放多集中在某些區域 什 麼原因使火山和地震分布如此相像
圖 6-11 全球地震發生位置分布圖
圖 6-12 全球火山活動發生位置分布圖
前言 打開世界地圖 看到陸地分布及 形狀時 有沒有 注意到大西洋兩 側陸地看來似乎 可以嵌合 甚至進而懷疑 過去這些陸塊是 否曾連在一起 圖 6-13 南美洲和非洲
大陸漂移學說 德國科學家韋格納 Alfred Wegener 1880 1930 觀察到此現象 並綜合古代生物 分布及其他地質證據 於 1912 年提出 世界上主要陸塊約在兩億五千萬年前是相連的 稱為盤古大陸 後來陸塊漸分開 移動到目 前位置 韋格納無法說明大陸漂移原因 在當時並未被普遍接受
a. 古代 b. 現代 圖 6-14 古生物分布證據
a. 兩億五千萬年前 盤古大陸 b. 兩億年前 c. 一億四千五百萬年前 d. 六千五百萬年前 圖 6-15 大陸漂移學說 e. 現今
海底擴張學說 二十世紀中發明聲納 開始瞭解從未探測過 的海底地形 如 大西洋中央高聳著一道橫亙 數千公里的海底山脈中洋脊 中洋脊中央張力作用產生裂谷湧出岩漿 冷 卻形成玄武岩成為新的海洋地殼 分別往兩邊 移動 使大西洋逐漸擴張 稱為海底擴張學說 世人重新重視 韋格納的大陸漂移學說
圖 6-16 位於大西洋中央的中洋脊
海底擴張學說 隨科技進步 透過地震波探測地球內部構造 綜合大陸漂移學說 海底擴張學說及地震波 探測等新證據 形成板塊構造學說 解釋地 球上各種地質作用及現象
地球內部構造 固體地球最外層由堅硬岩石組成 在堅硬地 表下究竟是什麼物質 利用地震波探測地球內部構造 了解組成物 質特性 並依組成物質不同 由外向內分成 地殼 地函和地核三層 圖 6-17 固體地球層狀構造示意圖
地震波 在平靜無波的水面上投下一顆小石頭 看到 一圈圈漣漪向外擴散 就是波的一種 地震釋放 出的能量透過類似方式 經地球內部或沿著地表 傳開 地震波經過不同密度的物質時速度不同 科學家由地震儀記錄到行經地球內部的地震波 推算地球內部物質特性 了解內部各層構造
地球內部構造 地函厚度約 2900 公里 氧 矽及鎂為 主要成分 密度介於地殼與地核間 地核位於地球核心 組成物質以鐵 鎳 等金屬為主 密度比地殼和地函更大 若將地球比喻成一顆雞蛋 地殼 = 蛋殼 地函與地核 = 蛋白與蛋黃
圖 6-18 地殼 地函及地核厚度比較示意圖
地球結構 名稱 地 大陸 殼 地殼 地 函 地 核 海洋 地殼 上部 地函 下部 地函 外地核 內地核 厚度 元素 岩石 說明 30-35 km 氧 矽 花崗岩 密度較小 密度小 5-7 km 660 km 玄武岩 密度較大 鐵鎂較多 氧 矽 橄欖岩 鎂 2240 km 2220 km 1250 km 鐵 鎳 密度大
板塊構造學說 用地震波探測地球內部 發現自地表至深約 100 公里處 是堅硬岩石的岩石圈 岩石圈非一整塊 由七個大板塊及數個小板 塊鑲嵌而成 漂浮在具可塑性的軟流圈上 熱對流帶動其上板塊隨之運動
補 充 來源 : 泰宇出版社
圖 6-19 全球板塊分布圖
圖 6-20 板塊從中洋脊產生到海溝隱没的示意圖 未按比例繪製 ( 表示板塊運動方向 表示地函內可能的熱對流情形 )
目的 透過地圖觀察及簡單的拼圖活動 來 體驗板塊的分布及運動 器材 名 稱 數 量 剪刀 1把 膠水 1罐 名 稱 南美洲及非洲地圖 數 量 附於活動紀 錄簿後
步驟 1. 觀察全球板塊分布圖 如圖 6-19 找出 哪些板塊是以海洋為主 哪些板塊包含了陸 地與海洋 2. 將活動紀錄簿上 附件一的南美洲與非洲地 圖 含大陸棚 如圖 a 按邊緣剪下 3. 把剪下的地圖置放在桌上 慢慢移動兩個陸 塊 盡可能將此兩塊紙板拼合
a. 南美洲與非洲地圖 含大陸棚 b. 南美洲與非洲地圖 不含大陸棚
步驟 4. 將拼合的陸塊 黏貼在活動紀錄簿上 5. 再剪下活動紀錄簿上 附件二的南美洲與非 洲地圖 不含大陸棚 如圖 b 並嘗試拼 合 黏貼在活動紀錄簿上 6. 比較步驟 3 和步驟 5 何者較易拼合
問題與討論 1. 陸地與海洋的邊界 與板塊邊界是否有直接 關係 解答 沒有直接關係 許多板塊同時具有陸地與海洋的部分 板塊邊界與海陸邊界無直接關係
解答 問題與討論 (1)步驟 中 單以南美洲與非洲海岸線分 2. 在步驟53. 和步驟 5. 何者較容易拼合 為 布進行拼合 較不容易 什麼 是否有什麼地質過程可能改變了南美 (2)因缺少大陸棚 大陸棚屬於大陸地殼 洲與非洲的海岸線 進行板塊復原重建應涵蓋大陸棚 (3) 海岸線長年受風化 侵蝕或堆積等地質 作用 在地形曲線一定有改變 大陸棚 出露於水面上的面積也會受到全球海水 面升降改變
板塊邊界 板塊隨熱對流而移動 邊界依板塊相對 移動方式分成 1. 張裂性板塊邊界 2. 錯動性板塊邊界 3. 聚合性板塊邊界 板塊間相互移動 / 推擠 使岩層因受力 斷裂形成地震 多分布在特定帶狀區域 包括臺灣在內的地震帶幾乎都是板塊邊界
a. 張裂性板塊邊界 b. 錯動性板塊邊界 c. 聚合性板塊邊界 圖 6-21 三種板塊邊界示意圖
6-2 全球地震帶和板塊分布交界帶相當一致 由此 可推知地震發生的主因是下列何者 (A) 地牛翻身 (B) 板塊運動 (C) 火山爆發 (D) 核彈試爆 解答 由於板塊彼此移動 推擠或張裂 使岩層常因 受力斷裂形成地震 答案為 (B)
圖 6-22 三種板塊邊界構造圖
張裂性板塊邊界 兩個板塊受方向相反 拉扯張裂力量 彼此 分離 形成陸地裂谷及海底中洋脊 常產生 正斷層及地震 岩漿從中洋脊湧出 冷卻後形成玄武岩質的 新海洋地殼 朝相反方向移動 如 東非大 裂谷 大西洋中洋脊 圖來源 : 泰宇出版社
錯動性板塊邊界 板塊順著邊界平移滑動 如位於太平洋板塊及北美 洲板塊邊界的聖安德理斯 斷層 位於斷層兩側 南北相距 數百公里的城市洛杉磯與 舊金山 可能在約一億年 後比鄰而居 圖來源 : 泰宇出版社
聚合性板塊邊界 兩個板塊相向碰撞 強烈擠壓撞擊產生逆斷 層 甚至使岩層隆起形成山脈 如印澳板塊 VS 歐亞板塊 產生大規模造山作 用 岩層不斷隆升形成世界屋脊喜馬拉雅山脈 至今仍持續進行 喜馬拉雅山在增高中 圖來源
聚合性板塊邊界 兩個板塊聚合擠壓 密度較大板塊隱沒到另 一個板塊下 形成隱沒帶 並在板塊交界處 造成一個深陷區 -- 海溝 板塊隱沒在地底高溫高壓環境下 形成另一 種岩漿 並噴發成火山 如南美洲安地斯山 脈 稱為安山岩
補 充 聚合性邊界的三種形式 甲 海洋地殼 大陸地殼 乙 海洋地殼 海洋地殼 丙 大陸地殼 大陸地殼 圖文來源 : 中央大學應用地質研究所921地震專題
圖文來源 : 泰宇出版社
小小的臺灣島也有逆斷層及高山隆起等強烈擠 壓的現象 是不是也和板塊聚合有關係呢 解答 臺灣位於歐亞板塊及菲律賓海板塊的聚合性板 塊邊界 菲律賓海板塊向西北方運動 撞擊歐亞 板塊 強大擠壓力使臺灣經歷造山運動 形成南 北向的中央山脈 及許多南北向的逆斷層
b. 聖安德理斯斷層 a. 喜馬拉雅山脈 圖 6-23 喜馬拉雅山脈 聖安德理斯斷層 安地斯山脈 東非大裂谷 所在的地理位置
c. 安地斯山脈 d. 東非大裂谷 ( 圖上箭頭標示處 ) 圖 6-23 喜馬拉雅山脈 聖安德理斯斷層 安地斯山脈和 東非大裂谷 所在位置
數百萬年前 臺灣現在的位置汪洋一片 如 今不但有高聳的褶皺山脈 且不斷上升中 這是由於臺灣位在歐亞板塊及菲律賓海板塊 的聚合性板塊邊界 圖來源
來源 : 泰宇出版社
圖 6-24 臺灣 附近板塊構造示意圖
臺灣附近板塊構造 菲律賓海板塊向西北方撞擊 歐亞板塊 強大擠壓力使臺 灣經歷造山運動 形成南北 向中央山脈 產生許多南北 向的逆斷層 如 921 大地 震車籠埔斷層 板塊碰撞交界在花東縱谷 -花東縱谷以西屬於歐亞板塊 花東縱谷以東 ( 含海岸山 脈 ) 屬於菲律賓海板塊 圖 6-25 臺灣斷層分布 紅色線段處表示斷層
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圖 6-26 臺中縣光復國中操場 位在車籠埔斷層上 921 大地震後隆起
臺灣附近板塊構造 板塊碰撞和擠壓抬升臺灣 深 埋地下的岩層受到極大壓力 高溫高壓下受力後具可塑性 易彎曲形成褶皺 甚至使組織 結構發生變化 經變質作用形成的岩石 稱為 變質岩 中央山脈是縱貫臺灣的褶皺山 脈 組成以變質岩為主 圖來源 : 教育部數位教學資源
變質前 頁岩 砂岩 橄欖岩 石灰岩 變質後 板岩 石英岩 蛇紋岩 大理岩 輕度變質 重度變質 變質岩 葉理狀 板岩 片岩 片麻岩 非葉理狀 石英岩 大理岩 蛇紋岩
成分 石灰岩 CaCO3 1.被雨水淋溶成 說明 為峰林及石灰 岩洞穴 ( 桂林山 水甲天下 / 喀斯 特地形 ) 石英 SiO2 1.氧 矽為主的矽酸鹽 造岩礦物 2 無色透明的晶體 : 水晶 3 大陸地殼數量第二多的 礦石 僅次於長石 質 2. 經過高溫高壓 地堅硬 是花崗岩的主 作用後 變質成 要成分 為大理岩
臺灣附近的板塊構造 原住民建造石板屋的板岩 就是一種變質岩 花蓮大理岩也是由石灰岩變質而成 菲律賓海板塊與歐亞板塊間的交互作用 產 生北臺灣安山岩質岩漿 -- 大屯火山群 基 隆火山群 北投溫泉 小油坑噴氣孔 金瓜石的 金 銅礦藏等 都是火山活動的產物
圖 6-28 太魯閣國家公園的大理岩 圖 6-27 石板屋及板岩特寫
6-3 某次地震震央位在花蓮秀林地震站東方 44.3 公里處 也就是花蓮東方近海 由此次震央位 置可推知 此次地震應與下列何者有關 (A) 歐亞板塊與太平洋板塊之張裂運動 (B) 歐亞板塊與太平洋板塊之聚合運動 (C) 歐亞板塊與菲律賓海板塊之張裂運動 (D) 歐亞板塊與菲律賓海板塊之聚合運動 解答 臺灣位於歐亞板塊及菲律賓海板塊交界處 屬 於聚合性板塊邊界 答案為 (D)
韋格納 Alfred Wegener 1880 1930 出生於德國柏林一個牧師家庭 熱愛天文學 在德國接受完整教育 並以 天文曆法研究得到博士學位 畢業後受準岳父影響 逐漸引起對大氣現象的興趣 韋格納相當喜愛探險 曾經改寫搭乘熱氣球滯空時間最長的世界紀錄 也曾 四度至北極圈的格陵蘭探險 熱愛探險的他 竟喪生 於最後一次的格陵蘭探險旅程中 在一封西元 1910 年寫給未婚妻的信中 提到他觀 看世界地圖 發現 南美洲東岸與非洲西岸 在很久 以前好像曾經相連
韋格納 Alfred Wegener 1880 1930 他開始收集支持此論點的地質證據 並於 西元 1912 年地質會議提出大陸漂移說 且在西元 1915 年出版名為大陸與海洋的起源著作 然而大陸漂移說對當時科學界而言 相當大膽 而難以想像 加上證據不足 無法提出漂移成因 且 由一個氣象學家發表大陸漂移說 易遭致地質學界批 評與質疑 因此在他有生之年並未被廣為接受 直到 數十年後 愈來愈多科學證據被發現 才證明韋格納 的理論正確