Introduction to Marine Geology 海 洋 地 質 學 概 論 授 課 老 師 : 張 詠 斌 (x5161, yuanpin.chang@mail.nsysu.edu.tw) 上 課 時 間 : 星 期 二 早 上 10:10-12:00 上 課 地 點 : 海 MA1005 課 程 網 頁 :http://www.mgac.nsysu.edu.tw/ypchang/ 中 山 網 路 大 學 討 論 時 間 : 星 期 二 (12:00~14:00) 課 程 助 教 : 張 舒 涵 (x5157, ashley331711@hotmail.com.tw)
課 程 大 綱 本 課 程 主 要 介 紹 大 洋 盆 地 的 外 觀 與 形 成 機 制, 板 塊 構 造 學 說, 海 洋 沉 積 環 境 海 岸 沉 積 環 境 海 底 資 源 沉 積 物 的 來 源 與 種 類, 及 沉 積 物 相 關 研 究 的 應 用 此 外, 課 程 中 亦 將 介 紹 海 洋 地 質 地 物 研 究 常 用 的 科 學 儀 器 及 研 究 船 的 設 備
評 分 標 準 課 堂 參 與 及 出 席 20% 階 段 測 驗 (I) 25% 階 段 測 驗 (II) 25% 期 末 測 驗 30%
課 堂 規 定 課 程 中, 禁 止 使 用 手 機 電 腦, 違 規 者 扣 平 時 成 績 10%, 若 有 重 大 事 故, 必 須 使 用 者, 請 事 先 報 備, 課 程 中 可 以 飲 食 上 洗 手 間 ; 學 期 中 將 不 定 時 點 名, 無 故 缺 席 一 次 扣 平 時 成 績 10%, 點 名 遲 到 者, 酌 予 扣 分 ; 若 需 因 公 出 差 或 有 私 人 因 素 無 法 出 席, 需 事 先 請 假, 請 假 事 由 合 理 者, 不 影 響 平 時 成 績, 事 後 補 請 假 者, 視 情 由 酌 予 扣 分 ; 參 與 課 程 中 討 論 詢 問 或 回 答 問 題 者, 酌 予 加 分 ; 課 程 中, 若 有 擾 亂 上 課 秩 序 表 現 不 佳 者, 視 情 節 酌 予 扣 分 ; 對 課 程 有 任 何 正 面 建 議, 歡 迎 隨 時 告 知, 對 平 時 成 績 將 有 正 面 助 益
課 程 安 排 0303 Introduction 0310 Plate Tectonics (I) 0317 Plate Tectonics (II) 0324 Ocean Basins 0331 Ocean Margins 0407 Waves and Currents 0414 階 段 測 驗 (I) 0421 Costal Environment 0428 Sea Level Changes 0505 Productivity 0512 Ocean Resources 0519 階 段 測 驗 (II) 0526 Marine Sediments 0602 Climate Zonation 0609 Deep-Sea Sediments 0616 Paleoceanography 0623 期 末 測 驗 參 考 資 料 : Seibold, E. and Berger, W.H., 1996. The Sea Floor: An Introduction to Marine Geology, 3rd Ed., 356 p., Springer, ISBN: 978-3-662-03317-3.
An Introduction to Marine Geology
地 球 有 多 老? 地 球 的 誕 生 : 中 國 古 人 推 測 : 自 開 闢 至 於 獲 麟 ( 指 西 元 前 481 年 ), 凡 三 百 二 十 六 萬 七 千 年 英 國 主 教 James Ussher, 根 據 聖 經 推 斷 地 球 創 造 於 西 元 前 4004 年 James Ussher (1581-1656)
The Founder of Modern Geology James Hutton (1726~1797) - 1785 年,Hutton 出 版 地 球 理 論, 根 據 西 元 200 年 羅 馬 人 在 蘇 格 蘭 建 造 的 哈 得 連 牆 (Hadrian s Wall), 歷 經 1500 年 後 並 無 太 大 變 化, 顯 然 風 化 侵 蝕 作 用 進 行 的 速 度 相 當 緩 慢, 要 形 成 今 日 地 球 的 地 貌, 地 球 歷 史 應 不 止 6000 年 - 提 出 均 變 說 (uniformitarianism), 他 認 為 可 藉 由 觀 測 現 代 正 在 進 行 的 地 質 作 用, 推 測 古 代 形 成 的 岩 石 曾 經 歷 的 過 程, 即 The present is the key to the past - 提 出 不 整 合 (unconformity) 的 觀 念 - 觀 察 到 地 球 的 岩 石 循 環 https://www.youtube.com/watch?v=lmfpsdrrjzi
Antoine-Laurent Lavoisier (1743~1794) - 辨 識 兩 種 不 同 型 態 的 沉 積 岩, 並 確 認 此 兩 種 沉 積 岩 分 別 是 在 深 海 ( 大 洋,pelagic) 與 淺 海 ( 近 岸,littoral) 所 沉 積 - 建 立 了 沉 積 物 會 在 深 海 累 積 的 觀 念, 及 大 洋 與 深 海 沉 積 環 境 的 差 異
歷 史 上 計 算 地 球 年 齡 的 演 進 1645 年, 愛 爾 蘭 總 主 教 Ussher, 根 據 聖 經 推 斷 地 球 創 造 於 西 元 前 4004 年, 亦 即 地 球 歷 史 不 超 過 6000 年 17 世 紀 英 國 物 理 學 家 Edmond Halley(1656-1742) 首 先 提 出, 研 究 大 洋 鹽 度 的 起 源, 可 能 提 供 解 決 地 球 年 齡 問 題 的 依 據 1785 年,Hutton 根 據 風 化 侵 蝕 作 用 進 行 的 速 度, 推 論 認 為 地 球 歷 史 應 不 止 6000 年 1854 年, 德 國 科 學 家 Hermann von Helmholtz(1821-1894) 根 據 他 對 太 陽 能 量 的 估 算, 認 爲 地 球 的 年 齡 不 超 過 2500 萬 年 1897 年,Lord Kelvin(1824-1907) 認 為 地 球 形 成 時 為 熔 融 狀 態, 經 由 輻 射 傳 導 冷 卻, 推 測 地 球 年 齡 應 約 有 24~40 百 萬 年 1899~1901 年 間,John Joly(1857-1933) 提 出 一 個 方 法, 他 認 為 海 水 中 的 鹽 是 不 斷 累 積 形 成 的, 因 此 計 算 出 的 地 球 年 齡 約 90~100 百 萬 年
歷 史 上 計 算 地 球 年 齡 的 演 進 另 外,A. Keikie (1868,1899) 和 T.H. Huxley (1869) 根 據 沈 積 層 厚 度 推 論 地 球 的 歷 史 得 到 的 結 果 為 一 億 年 ;W.J. Sullas (1909) 計 算 得 到 的 為 8000 萬 年 ;T. Mellard Reade (1893) 認 為 是 9500 萬 年 ; 以 及 Charles D. Walcott (1893) 的 3500 萬 到 8000 萬 年 20 世 紀, 科 學 家 發 明 了 同 位 素 地 質 測 定 法 ( 測 定 地 球 年 齡 的 最 佳 方 法 ), 根 據 這 種 方 法 鑑 定 科 學 家 找 到 的 最 古 老 岩 石 約 有 38 億 年 20 世 紀 60 年 代 末, 科 學 家 測 定 取 自 月 球 表 面 的 岩 石 標 本, 發 現 月 球 岩 石 的 年 齡 在 44 至 46 億 年 之 間
決 定 地 球 年 齡 的 方 法 放 射 性 同 位 素 定 年 法 : 測 定 古 老 岩 石 中 放 射 性 衰 變 的 母 元 素 和 一 些 子 元 素 的 含 量 關 係 來 推 斷 地 球 的 年 齡 這 個 方 法 主 要 根 據 三 種 假 設 : 一 地 球 最 初 是 由 星 際 氣 體 匯 聚 而 成, 慢 慢 冷 卻 後 形 成 現 在 發 現 的 古 岩 石 ; 二 是 這 些 古 岩 石 中 的 礦 物 質 或 結 晶 基 本 是 與 外 界 隔 絕 的, 也 就 是 自 其 形 成 以 來 沒 有 與 外 界 發 生 物 質 交 換 ; 三 是 用 於 測 定 年 齡 的 岩 石 中 的 放 射 性 同 位 素 半 衰 期 在 漫 長 的 時 間 裏 是 基 本 恆 定 不 變 的 用 這 種 方 法 測 定 地 球 上 最 古 老 的 岩 石 得 到 的 地 球 的 年 齡 約 是 38 億 年, 月 球 上 的 岩 石 更 古 老 一 些, 約 是 45 億 年 目 前 認 定 的 地 球 年 齡 約 為 45~46 億 年, 主 要 根 據 隕 石 及 月 球 岩 石 年 齡 以 及 太 陽 的 年 齡 推 算 而 來
決 定 地 球 年 齡 的 方 法 鈾 鉛 (U-Pb) 定 年 法 : a. 238 U 206 Pb, 半 衰 期 :45.1 億 年, 常 用 礦 物 : 鋯 石 b. 235 U 207 Pb, 半 衰 期 :7.1 億 年, 常 用 礦 物 : 鋯 石 釷 鉛 (Th-Pb) 定 年 法 : 232 Th 208 Pb, 半 衰 期 :141 億 年, 常 用 礦 物 : 鋯 石 鉀 氬 (K-Ar) 定 年 法 : 40 K 40 Ar, 半 衰 期 :12.6 億 年, 常 用 礦 物 : 長 石 雲 母 氬 氬 (Ar-Ar) 定 年 法 : 利 用 原 子 反 應 器 內 之 快 中 子 (Fast Neutron), 先 將 標 本 內 之 穩 定 同 位 素 39 K, 將 之 活 化 為 39 Ar, 經 由 40 Ar/ 39 Ar 比 值 推 算 出 40 Ar/ 40 K 之 比 值 銣 鍶 (Rn-Sr) 定 年 法 : 87 Rb 87 Sr, 半 衰 期 :480 億 年, 常 用 礦 物 : 黑 雲 母 白 雲 母
鋯 石 的 重 要 性 鋯 石 : 亦 稱 鋯 英 石, 日 本 稱 之 為 風 信 子 石, 英 文 名 稱 為 Zircon 鋯 石 的 主 要 成 分 是 矽 酸 鋯 (Zr[SiO 4 ]), 除 主 要 含 鋯 外, 還 常 含 鉿 稀 土 元 素 鈮 鉭 釷 等 因 為 穩 定 性 好, 而 成 為 同 位 素 地 質 年 代 學 最 重 要 的 定 年 礦 物 至 今 為 止, 地 球 上 找 到 最 古 老 的 鋯 石 年 齡 約 為 43 億 年 https://www.youtube.com/watch?v=ysau4htnjke
4.374 Ga
地 球 的 年 齡 地 球 的 岩 石 岩 石 中 的 鋯 石 月 球 岩 石 隕 石 太 陽 的 年 齡 地 球 的 年 齡 38~39 億 年 約 42 億 年 約 45 億 年 約 45 億 年 約 45.7 億 年 約 45.5 億 年
大 霹 靂 - 宇 宙 誕 生 (120~160 億 年 ) https://www.youtube.com/watch?v=tz8ithgtbj4 銀 河 系 的 誕 生 ( 略 小 於 宇 宙 ) 太 陽 系 的 誕 生 - 起 因 於 超 新 星 的 爆 炸 地 球 的 誕 生 ( 略 小 於 太 陽 ) 太 陽 的 誕 生 太 陽 系 的 誕 生 (<50 億 年 ) 地 球 誕 生 初 期 (~45.6 億 年 ) 地 球 誕 生 初 期 的 地 貌 現 今 的 地 球
海 洋 的 年 齡 岩 石 微 粒 的 外 觀 沈 積 岩 的 發 現 碳 酸 鹽 類 的 沈 積 生 物 化 石 的 記 錄 CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 H 2 CO 3 = 2H + + CO 3-2 M +2 + CO 3-2 = MCO 3 地 球 上 的 海 洋 最 早 可 能 出 現 在 42 億 年 前 持 續 至 今 https://www.youtube.com/watch?v=_lpgbvepozk http://www.chinatimes.com/realtimenews/20140615001314-260408
38 億 年 的 地 球 生 物 演 化 史 25-38 億 年 前 : 太 古 代 (Archean), 單 細 胞 生 物 的 誕 生, 如 疊 層 石 (Stromatolit ) 5.3-25 億 年 前 : 原 古 代 (Proterozoic), 嗜 氧 菌 的 盛 行, 如 帶 狀 鐵 礦 (banded ironstone) 0-5.3 億 年 前 : 現 代 寒 武 紀 大 爆 發 (Cambrian Explosion), 多 細 胞 生 物 的 發 生
地 球 的 歷 史 1. 地 球 的 年 齡 -46 億 年 (4600 Ma) 2. 最 早 的 海 洋 -42 億 年 (4200 Ma) 3. 最 早 的 生 命 -38 億 年 (3800 Ma) 4. 氧 氣 達 到 現 今 濃 度 1% -22~25 億 年 (2200~2500 Ma) 5. 最 老 的 多 細 胞 生 物 化 石 <6 億 年 (<600 Ma) 6. 古 生 代 ( 三 葉 蟲 的 世 紀 ) -5.5 億 年 ~2.5 億 年 (550~250 Ma) 7. 中 生 代 ( 恐 龍 的 世 紀 ) -2.5 億 年 ~6 千 5 百 萬 年 (250~65 Ma) 8. 新 生 代 ( 哺 乳 類 的 世 紀 ) -6 千 5 百 萬 年 ~ 現 在 (65~0 Ma) 9. 第 四 紀 ( 人 類 的 出 現 ) -2 百 50 萬 年 至 今 (2.5~0 Ma)
何 謂 海 洋 地 質 學 (Marine Geology)? 定 義 : 海 洋 地 質 學 為 研 究 海 洋 下 地 球 的 地 形 地 質 構 造 沈 積 物 礦 產 及 其 演 變 歷 史 之 地 球 科 學 ( 周 瑞 燉,1980) 研 究 範 圍 : 其 研 究 區 域 包 括 海 灘 海 洋 沼 澤 潟 湖 大 陸 棚 大 陸 斜 坡 海 洋 盆 地 ( 深 海 海 底 ) 及 中 洋 脊 研 究 方 法 : 包 含 地 球 物 理 地 球 化 學 古 生 物 學 及 傳 統 的 地 質 學 等 方 法 應 用 範 圍 : 地 球 環 境 與 氣 候 系 統 生 物 的 長 期 發 展 與 演 化, 新 能 源 與 資 源 的 開 發
海 洋 地 質 學 的 發 展 1840 年,Sir James Ross 於 南 極 航 次 中 首 次 有 系 統 的 精 準 測 量 水 深 1866 年, 任 職 於 美 國 海 軍 水 文 室 的 Matthew Fontain Maury 中 校, 出 版 第 一 張 大 洋 深 度 圖, 為 架 設 橫 貫 大 西 洋 兩 岸 的 電 報 電 纜 做 出 貢 獻, 可 視 為 第 一 位 海 洋 地 質 學 家 英 國 學 者 Charles Wyville Thomson 規 劃 領 導 挑 戰 者 號 (Challenger, 1872-1876) 航 次, 第 一 次 有 規 模 有 計 畫 的 對 全 球 深 海 進 行 科 學 探 測 與 調 查, 並 採 集 了 豐 富 的 生 物 與 沉 積 物 標 本 第 一 位 海 洋 地 質 學 家 Matthew Fontain Maury (1806-1873)
挑 戰 者 號 航 次 Challenger 挑 戰 者 號 航 次 為 海 洋 學 研 究 的 里 程 碑, 創 下 多 項 紀 錄 : 1. 執 行 航 次 期 間 : 歷 時 4 年 2. 航 行 里 程 :7 萬 海 浬 ( 近 13 萬 公 里 ) 3. 進 行 了 500 測 深 133 次 拖 樣 調 查 362 個 測 站 ( 每 200 海 浬 一 站 ) 4. 發 現 715 屬 和 4500 種 新 的 海 洋 生 物
第 一 張 大 西 洋 海 底 地 形 圖
海 洋 地 質 學 的 發 展 Sir John Murray 對 挑 戰 者 號 所 採 集 的 沉 積 物 樣 本 進 行 詳 盡 的 研 究, 辦 認 沉 積 物 與 浮 游 生 物 化 石 的 分 布 特 性 與 種 群 特 徵, 並 出 版 挑 戰 者 號 的 研 究 調 查 報 告, 可 視 為 現 代 海 洋 地 質 學 之 父 1901-1903 年, 德 國 的 南 極 探 測 航 次 於 大 洋 取 得 一 系 列 短 沉 積 物 岩 心 1929-1930 年, 荷 蘭 科 學 家 使 用 Piggot Gun, 將 深 海 沉 積 物 岩 心 的 取 樣 能 力 推 進 到 超 過 2 公 尺 長 現 代 海 洋 地 質 學 之 父 Sir John Murray (1841-1914)
海 洋 地 質 學 的 發 展 1915 年, 德 國 氣 象 學 家 Alfred Wegener (1880-1930) 提 出 大 陸 漂 移 學 說 (Continental Drift), 為 板 塊 構 造 學 說 的 發 展 奠 下 基 礎 Maurice Ewing (1903-1976) 及 其 同 事 發 展 以 人 工 震 波 為 基 礎 的 地 球 物 理 震 測 方 法, 可 以 測 知 海 底 沉 積 物 的 厚 度 和 海 洋 地 殼 的 構 造 Alfred Wegener (1880-1930) Bruce Heezen (1924-1977) 奠 基 海 底 地 形 測 繪, 並 發 現 環 全 球 中 洋 脊 系 統 的 存 在 Maurice Ewing (1903-1976) https://www.youtube.com/watch?v=t1-ces1ekto
海 洋 地 質 學 的 發 展 Harry H. Hess (1906-1969) 提 出 海 底 擴 張 學 說, 建 議 新 的 海 底 地 殼 在 中 洋 脊 處 產 生, 並 推 擠 兩 側 地 殼 向 外 移 動, 是 地 表 發 生 構 造 運 動 的 主 要 動 力 1965 年,J. Tuzo Wilson 整 理 各 項 資 料 ( 深 海 鑽 探 深 海 地 形 的 繪 測 與 磁 力 條 帶 的 發 現 ), 最 終 促 成 板 塊 構 造 學 說 的 成 立, 並 為 科 學 家 廣 為 接 受, 是 目 前 解 釋 地 表 構 造 與 地 球 內 部 系 統 動 態 變 化 的 最 好 學 說 Harry H. Hess (1906-1969) John Tuzo Wilson (1908-1993)