苗栗地區桂竹林層碎屑鋯石定年學研究
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(3) 誌謝 首先誠摯地感謝指導教授李通藝老師，老師悉心的教導使我得以學習地質領域 的專業知識，時常地討論並指點我正確的方向。老師對學問的嚴謹態度更是我輩學 習的典範。 本論文能夠完成同時也要感謝葉孟宛老師，這些日子以來在學業上的建議，由 衷感謝您；感謝鍾孫霖老師提供先進又精準的實驗儀器，讓學生我得以順利完成實 驗； 感謝口試委員羅清華老師、陳華玟博士，仔細且費心的校改學生論文且給予許 多寶貴的意見。 感謝嚕嚕咪學姐不厭其煩的指出我研究中的缺失，且總能在我迷惘時為我解 惑，及糧食援助，太謝謝妳了。進達學長、宇平學姐、小花、雅淇、羑律、孟澔給 予多方面的建議與協助，在此一併致上萬分的謝意。 感謝小四學姐在實驗上的教導與幫忙，讓我終於可以順利的完成實驗以及邵文 佑學長提供的數據，使我的論文可以更加的完善。 感謝父母、妹妹，由於他們多年來生活與精神上的支持，使我能專心於學業， 得以順利的畢業。 感謝所有鼓勵我及協助我至今的人，由於你們的陪伴，使得本論文得以順利完 成，在此致上最高的謝意。. ii.
(4) 摘要 臺灣西部桂竹林層沉積年代為中新世到早上新世，部分學者視其為沉積於臺灣 西部前陸盆地，某些學者則認為其仍屬於被動大陸邊緣沉積層序。因此，本研究嘗 試利用碎屑鋯石鈾-鉛定年來探討苗栗出磺坑背斜附近桂竹林層沉積物源的演變，採 樣地層由老至新分別為北寮砂岩、打鹿頁岩、觀音山砂岩、東坑層、上福基砂岩、 桂竹林層 (關刀山砂岩段、十六份頁岩段、魚藤坪砂岩段)、及錦水頁岩。研究結果 顯示，早中新世-晚中新世早期北寮砂岩、打鹿頁岩、觀音山砂岩、東坑層，具有相 似的 95-165 Ma、200-250 Ma、750-850 Ma 峰值年代；到了晚中新世晚期上福基、關 刀山砂岩其碎屑鋯石的鈾-鉛年代有了改變，90-190 Ma 與 200-250 Ma 峰值年齡的鋯 石大量出現；而到了上新世時十六份、魚藤坪砂岩、錦水頁岩層碎屑鋯石的鈾-鉛年 代又有了不同，顯示 200-300 Ma、400-450 Ma、750-850 Ma、1750-1950 Ma 及 2400-2550 Ma 的峰值，其中 1750-1950 Ma 峰值年齡的鋯石大量出現，由此可知自中新世以來 沉積物來源供應於晚中新世晚期-上新世時發生改變。 對比大陸可能沉積物源區碎屑鋯石定年結果，本研究結果與其年齡頻譜具有高 度相似性，推論臺灣西部前陸盆地主要沉積物源自華夏陸塊。且本研究中鋯石鈾-鉛 年齡與大陸閩浙地區出露的岩盤年代相當吻合，進一步顯示沉積物可能主要來自閩 浙地區。依前人所提出的演化模式，推論於晚中新世晚期時(上福基砂岩及關刀山砂 岩沉積時期)，臺灣西部前陸盆地開始發育，或許肇因於相對海水面變深或沉積坡度. iii.
(5) 變陡，故沉積了大量來自鄰近地區的閩浙沿海的沉積物；到了早上新世時 (十六份頁 岩沉積時期)，前陸盆地穩定發育，亦開始沉積來自臺灣島本身的沉積物。由本研究 可見，苗栗地區中新世至上新世地層中碎屑鋯石的組成確實反應了臺灣新第三紀造 山帶的演變歷程。. 關鍵字：前陸盆地、碎屑鋯石鈾-鉛定年、桂竹林層、沉積岩物源分析. iv.
(6) Abstract The sediments of the Kueichulin Formation were deposited during Late Miocene to Early Pliocene. This formation should be able to shed some lights on the records of the transition from passive margin to foreland basin sedimentary environment in western Taiwan. This study presents U–Pb dating results of detrital zircons by single collector Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer (LA-ICP-MS) to investigate the evolution of sedimentary source region during the deposition of the Kueichulin Formation near Chuhuangkeng Anticline in Miaoli. Samples were collected all the way from the Miocene Peiliao Sandstone to the Pliocene Chinshui Shale. The U-Pb dating of zircons from the Early Miocene Peiliao Sandstone to the Late Miocene Tongken Fomation display age spectra with similar major peaks at 95-165 Ma, 200-250 Ma, and 750-850 Ma. Then U-Pb dating of zircons from the terminal Miocene Shangfuchi Sandstone and Kuantaoshan Sandstone shows similar age spectra with peaks of 90-190 Ma and 200-250 Ma, which suggest that sediment supply should have changed since the terminal Miocene. According to the correlation with detrital zircon age spectra of possible sources, sediment supply of Miocene formations with abundant Proterozoic zircons should have. v.
(7) come from the Cathaysia basement. On the contary, for that of the terminal Miocene formations, the sources would have dominantly derived from Yanshanian and granitic plutons in East Cathaysia. The results of this study suggest that the Shangfuchi Sandstone and Kuantaoshan Sandstone should have been deposited in the initial arc-continent collision between Luzon Arc and Eurasian passive continental margin. The arc-continental collision might have induced a sudden increase of the depositional slope which may have led of the noticeable change of sediment source in the terminal Miocene.. Key words: foreland basin, U-Pb dating of detrital zircon, Kueichulin formation, sediment source analysis. vi.
(8) 目錄 誌謝 .............................................................................................................................. ii 摘要 ............................................................................................................................. iii Abstract ....................................................................................................................... v 目錄 ............................................................................................................................ vii 圖目錄 ......................................................................................................................... ix 表目錄 ......................................................................................................................... xi 第1章. 緒論 .......................................................................................................... 1. 1.1. 前言 .......................................................................................................... 1. 1.2. 研究動機與目的 ...................................................................................... 3. 1.3 前人研究 ........................................................................................................ 5 1.3.1 前陸盆地的演化 ................................................................................. 5 1.3.2 物源分析 ............................................................................................. 9 1.4 研究區域 ...................................................................................................... 10 第2章. 研究方法 ................................................................................................ 15. 2.1. 碎屑鋯石鈾-鉛定年的應用 ...................................................................... 15 2.1.1. 樣本採集 ....................................................................................... 16. 2.1.2 實驗前處理 ...................................................................................... 20. vii.
(9) 2.1.3 鈾-鉛定年分析 .................................................................................. 22 2.1.4 定年數據處理 ................................................................................... 23 第3章. 分析結果 ................................................................................................ 25. 3.1 定年結果 ..................................................................................................... 25 第4章. 討論 ........................................................................................................ 33. 4.1 物源分析 ..................................................................................................... 33 4.2 前陸盆地演變 ............................................................................................. 51 第5章. 結論 ........................................................................................................ 59. 參考文獻 .................................................................................................................... 60 附錄 ............................................................................................................................ 65. viii.
(10) 圖目錄 圖 1-1 臺灣板塊構造圖 ...................................................................................... 2 圖 1-2 臺灣新第三紀地層對比及不整合面示意圖 .......................................... 4 圖 1-3 臺灣弧陸碰撞型態與傳遞方式 .............................................................. 7 圖 1-4 臺灣弧陸碰撞構造演化的 4 個階段 ...................................................... 8 圖 1-5 採樣點位置 ............................................................................................ 14 圖 2-1 採樣點露頭照片 .................................................................................... 18 圖 2-2 臺灣苗栗地區地層系統和時代對比 .................................................... 19 圖 3-1 鋯石鈾-鉛年齡諧和線圖(北寮砂岩、打鹿頁岩、觀音山砂岩) ........ 30 圖 3-2 鋯石鈾-鉛年齡諧和線圖(東坑層、上福基砂岩、桂竹林層關刀山砂岩 段) ............................................................................................................... 31 圖 3-3 鋯石鈾-鉛年齡諧和線圖(桂竹林層十六份砂岩段、桂竹林層魚藤坪砂 岩段、錦水頁岩) ....................................................................................... 32 圖 4-1 鋯石鉛含量與鈾-鉛年齡圖 .................................................................. 35 圖 4-2 碎屑鋯石年齡頻譜分析圖 .................................................................... 37 圖 4-3 苗栗地區早中新世-晚中新世早期碎屑鋯石鈾-鉛年齡頻譜分析圖 . 40 圖 4-4 苗栗地區晚中新世晚期-上新世地層碎屑鋯石鈾-鉛年齡頻譜分析圖 .................................................................................................................... 41. ix.
(11) 圖 4-5 臺灣地區中新世至第四紀之沉積相變化與沉積物來源區 ............... 45 圖 4-6 碎屑鋯石年齡頻譜分析圖 .................................................................... 47 圖 4-7 華南地區火成岩分佈圖 ........................................................................ 48 圖 4-8 中國大陸東南沿海火成岩及岩漿活動分佈圖 .................................... 49 圖 4-9 本研究綜合臺灣苗栗地區中新世-上新世地層碎屑鋯石鈾鉛年齡頻譜 圖 ................................................................................................................ 50 圖 4-10 臺灣前陸盆地形成及沉積形貌演化示意圖 ...................................... 54 圖 4-11 臺灣前陸盆地演化圖 .......................................................................... 55 圖 4-12 臺灣北部地區碎屑鋯石頻譜分析圖 .................................................. 56 圖 4-13 臺灣北部與臺灣苗栗地區碎屑鋯石頻譜分析圖 .............................. 57 圖 4-14 臺灣及其鄰近區域新生代臺西盆地、臺南盆地及南彭佳嶼盆地剖面 圖 ................................................................................................................ 58. x.
(12) 表目錄 表 1‑1 地層簡述 ............................................................................................... 11 表 2-1 採樣點位置表 ........................................................................................ 17 表 3-1 本研究地層中所包含之各年代鋯石個數 ............................................ 28 表 3-2 本研究地層中所包含之各年代鋯石個數（續） ................................ 29 表 4-1 每期運動之鋯石佔各層全部鋯石之百分比 ........................................ 42. xi.
(13) 第1章 緒論 1.1 前言 臺灣位於菲律賓板塊跟歐亞板塊的交界(圖 1-1; 何春蓀, 1986)，晚中新世以來呂 宋島弧與歐亞板塊弧陸碰撞造成歐亞大陸東緣地殼的壓縮與增厚形成臺灣造山帶 (Teng, 1990)，以及被動大陸邊緣的地殼彎曲延伸而快速下陷，大量沉積物快速堆積， 臺灣地區從原本的被動大陸邊緣發展成前陸盆地(Covey, 1986; Lin et al., 2003)，而這 些沉積地層應會保留下前陸盆地的演變資訊。其中前陸盆地的沉積物來源非常複 雜，它涉及到出露的各種岩石，如火成岩、變質岩和沉積岩，而且沉積岩的形成可 能不是一次的，常常是經歷了多階段循環、混合的結果：從源區經歷風化、侵蝕、 搬運、沉積、成岩過程中受到諸多物理化學的作用，導致沉積物的礦物及同位素組 成等性質發生了或多或少的變化，使得傳統的研究方法如岩相分析、礦物組成並不 能準確得知沉積物的物源。因此，我們需要一種性質穩定，其包含的源區資訊不受 沉積過程中物理、化學作用的影響，且可以有效區分不同源區的物質進行研究(Fedo et al., 2003)，鋯石是最好的選擇之一。故本研究利用地層中碎屑鋯石以雷射剝蝕感應耦 合電漿質譜分析術來進行鈾-鉛定年，設法來探討苗栗出磺坑背斜附近中新世至上新 世地層沉積物源的改變，藉此分析前陸盆地的演變歷史。. 1.
(14) 圖 1-1 臺灣板塊構造圖，修改自 Angelier (1986)。. 2.
(15) 1.2 研究動機與目的 臺灣位於歐亞大陸地殼與呂宋火山島弧發生弧陸碰撞的造山帶上，構造活動相 當劇烈。對於大陸邊緣時期與前陸盆地時期的環境變化，許多學者有不同的意見。 有學者認為前陸盆地時期的堆積物自晚中新世桂竹林層開始堆積(Teng, 1990;Lin et al., 2003)， Lin et al. (2003)將前陸基底不整合面由臺灣海峽延伸至臺灣陸地，其分隔 南莊層與桂竹林層，且位於 NN11 超微化石帶內，年代約為 6.5 Ma (圖 1-2)，推斷於 此時開始進入前陸盆地沉積環境。這表示前陸盆地完整地層層序應包含桂竹林層及 其上的年輕地層。然而，亦有學者(如 Chen et al., 2001; Covey, 1986; 陳文山 et al., 2000) 提出穩定狀態的前陸盆地應以淺海相和河流沉積為主，故認為上新世時淺海相 的錦水頁岩才開始為完整的前陸盆地層序出現，而較老的桂竹林層仍屬於被動大陸 邊緣沉積層。. 3.
(16) 層. 圖 1-2 臺灣新第三紀地層對比及不整合面示意圖，修改自 Lin et al. (2003). 4.
(17) 而關於其沉積物來源，前人由岩相的分佈及古水流方向，判斷臺灣中新世時的 沉積物主要來自西北方；到了上新世，中央山脈隆起成為之後沉積物的主要供應來 源(Chou, 1977; 鄧屬予, 1997)。因此，為了更精準地重建臺灣造山帶演化史，前陸盆 地於何時開始沉積、其沉積物物源如何變化是值得我們更深入地去探討的問題。. 1.3 前人研究 1.3.1 前陸盆地的演化 Suppe (1981)以歐亞大陸與菲律賓海板塊間簡單的幾何關係與相對運動向量， 來推論臺灣地區弧陸碰撞的時空架構。此模式建立在下面的幾何關係上：(1) 菲律賓 海板塊以每年 7 公分速率沿 N55oW 方向推著臺灣往亞洲板塊移動 (Seno, 1977)；(2) 馬尼拉海溝隱沒系統的火山島弧 (即增積岩體) 呈 N16oE 方向；及(3) 亞洲大陸邊緣 呈 N60oE 方向。因此，可得到島弧系統與板塊移動方向夾角為 71o，島弧系統間的 夾角則為 44o，推算求得弧陸碰撞點沿著增積岩體主軸由北往南每百萬年移動 90 公 里。之後進一步考慮到海岸山脈的幾何關係，重新計算後得到弧陸碰撞點是以每百 萬年 84 公里速度沿著火山島弧軸線由北往南移動(圖 1-3; Suppe, 1984)。此運動造成 呂宋火山島弧和歐亞大陸邊緣的斜向碰撞，同時推擠大陸邊緣之沉積物形成臺灣島。 Huang et al. (2000)利用震測剖面的分析與微化石的年代制約，提出了臺灣弧陸碰 撞構造演化的 4 個階段，認為早中新世以後，臺灣造山帶連續經歷洋內隱沒 5.
(18) (intra-oceanic subduction)、初期弧-陸碰撞(initial arc-continent collision)、成熟期弧-陸 碰撞(advanced arc-continent collision)及島弧下陷 (arc collapse) 等４個時期(圖 1-4)， 茲分述如下： 一、洋內隱沒(intra-oceanic subduction)：南中國海洋地殼隱沒到菲律賓海板塊 下，形成馬尼拉海溝-呂宋火山島弧系統。 二、初期弧陸碰撞帶(initial arc-continent collision zone)： 歐亞大陸地殼與呂宋火 山島弧發生初期斜向弧陸碰撞，馬尼拉海溝停止隱沒作用並變成為增積岩體變形前 緣。 三、 成熟弧陸碰撞帶(advanced arc-continent collision zone) 在增積岩的後方北段 的呂宋火山島弧向西逆衝；並使得原來已變形的弧前盆地西側岩層再次發生向西剪 裂斷層。 四、島弧下陷 (arc collapse)：由於菲律賓海板塊往北隱沒到歐亞板塊下，使得 已加附到海岸山脈最北端的呂宋火山島弧與弧前盆地下陷。 從這四期的臺灣弧陸碰撞構造演化，我們可以知道臺灣西部前陸盆地的可能發 育過程，故本研究欲利用沉積物源區示蹤研究，經由對沉積物中鋯石鈾-鉛年齡的研 究來可以得知的源區年代資訊，並通過對比臺灣西部前陸盆地內不同時期沉積地層 中的碎屑鋯石年齡特徵的差異，來探討中新世以來臺灣西部前陸盆地沉積作用與造 山構造演化的關係。. 6.
(19) 圖 1-3 臺灣弧陸碰撞型態與傳遞方式。A. 弧陸碰撞點每百萬年由北往南移動 90 公 里(Suppe, 1981)；B. 經重新計算後，弧陸碰撞點是以每百萬年 84 公里由北往南移動 (Suppe, 1984)。 7.
(20) 圖 1-4 臺灣弧陸碰撞構造演化的 4 個階段，引用自 Huang et al. (2000)：(a)洋內隱沒； (b)初期弧-陸碰撞；(c)成熟弧-陸碰撞；(d)島弧下陷。. 8.
(21) 1.3.2 物源分析 Chen et al. (2006)歸納臺灣西部沉積物中獨居石年齡的分佈及頻率與閩江口沉 積物十分相似，但與九龍江口的不同，因而推論閩江扮演搬運及供給臺灣海峽沉積 物的重要角色。由臺灣西部河砂及海濱砂中獨居石之電子探針化學定年結果，顯示 其中普遍富含 1.8 Ga 之年齡，然而在閩江口未發現前寒武紀的獨居石，閩江發源於 武夷山，亦即浙閩變質基底最大的出露地區，此一早元古代的年齡係一全球性事件， 在華夏古陸的變質基底中應普遍存在，故臺灣島西部沉積物中此一早元古代年齡獨 居石的物源區仍待釐清(Chen et al., 2006)。 Lan et al. (2009) 針對臺灣中央山脈始新世到早第三紀岩層，進行碎屑鋯石鈾鉛定年及同位素研究，並與華夏地塊的鋯石鈾-鉛年齡和鉿同位素比值對比，發現臺 灣古元古代-新太古代的鋯石鉿同位素初始值(εHf(t))、鋯石鉿模式年齡 TDM-Hf 值與 華夏地塊鋯石分析結果有相關性，故認為這些鋯石可能有相同的來源。. 9.
(22) 1.4 研究區域 本研究區域主要分為兩段露頭剖面(圖 1-5)： 1. 苗栗獅潭鄉 124 號縣道，範圍約在東經 120°55’至 120°56’、北緯 24°32’， 位於仙山附近之剖面。 2.苗栗頭屋鄉縣道 126 號道，為出磺坑背斜之西翼，範圍約在東經 120°54’至 120°55’、北緯 24°36’至 24°34’之間，為明德水庫剖面。 主要出露的地層有北寮砂岩、打鹿頁岩、觀音山砂岩、東坑層、上福基砂岩、 桂竹林層、錦水頁岩，而其中因桂竹林層中間夾一頁岩層，故可將之細分為三岩段， 由年代老至年輕分別為關刀山砂岩段、十六份頁岩段、魚藤坪砂岩段。其地層年代 為晚中新世晚期到上新世(謝凱旋、黃敦友, 2003)。 此地區以新第三紀的碎屑沉積岩為主，早中新世為富含海相化石的北寮砂岩， 中新世至上新世間的地層大致為連續沉積。何信昌 (1994)中提到北寮砂岩上部至觀 音山砂岩下部為沉積循環的最高峰，故而沉積了富含海相化石之北寮砂岩、打鹿頁 岩及觀音山砂岩下段等地層。東坑層後，變成淺海-濱海的沉積環境。因為持續海退， 到了上福基砂岩時已成為三角洲-沼澤沉積環境，結束了此次之沉積循環。在桂林層 底部盆地再度為海水所侵。在關刀山砂岩時期，盆地海水逐漸加深，此次沉積循環 尚可辨認出兩個週期性的海退海進，一為關刀山砂岩底部以迄魚藤坪砂岩，第二個 週期為魚藤坪砂岩上部開始，海水逐漸加深，至錦水頁岩為最海進最高點。 10.
(23) 表 1‑1 地層簡述 年代. 地層. 命名. 標準地. 岩性概述. 地層 代號. 由砂質頁岩所構成，頁. 晚 期. 錦 水 頁 岩. 安藤昌三郎在 1930 年所命名(安藤昌三 郎, 1930). 苗栗縣造橋鄉 錦水村. 岩呈深灰色，具有發育 良好的球狀風化構造，. Cs. 夾粉砂岩和薄層泥岩互 層。. 魚 藤 坪 砂 岩 段. 上 新 世. 林朝棨在 1954 所 命 名 ( 林 朝 棨, 1954). 魚藤坪砂岩段以青灰色 苗栗縣三義以. 或灰色泥質砂岩為主，. 南約 10 公里. 露頭風化後多呈黃色或. 之魚藤坪. 黃灰色，夾有薄層砂頁. Kcy. 岩互層。. 早 期. 桂 竹 林 層. 十 六 份 頁 岩 段. 張麗旭、何 春. 蓀. 在. 1948 年 所 命名(張麗 旭、何春. 苗栗縣三義以. 以暗灰色或青灰色砂質. 南約 4 公里之. 頁岩及具強烈生物擾動. 十六份. 的粉砂岩為主。. Kcs. 蓀, 1948) 上部為以灰色泥質砂岩 夾灰色砂質頁岩所構 成，並含多量化石碎. 中 新 世. 晚 期. 關 刀 山 砂 岩 段. 屑。下部為灰色、灰白 林朝棨在. 色或白色粗粒砂岩、礫. 1935 年 所. 苗栗縣三義附. 石質砂岩所構成，且可. 命名(林朝. 近之關刀山. 見許多粉直管狀生痕化. 棨, 1935). 石(Skolithos sp.)，間 夾頁岩互層。本砂岩段 較堅硬細緻，在地形上 多成為峭壁或高角度斜 坡。 11. Kck.
(24) 苗栗縣福基東. 晚 期. 上 福 基 砂 岩. 郝騤、蕭寶宗在 1957 年所命名(何信昌, 1994; 郝 騤 、 蕭 寶 宗, 1957). 南之上福基。 本岩層出露於 出磺坑背斜兩 翼、獅頭山背 斜兩翼與神桌. 本層以白色中至粗粒石 英砂岩為主，夾頁岩、 砂岩與頁岩薄互層、以. Sf. 及煤層。. 山斷層兩側 後龍溪旁福基 至汶水之東坑 一帶，分佈於. 晚 期. 東 坑 層. 邱華燈、徐兆祥在. 出磺坑背斜兩. 細粒砂岩及頁岩互層為. 1963 年所命名(何信. 翼、神桌山斷. 主，間夾數層厚層塊狀. 昌, 1994; 邱華燈、 層兩側、獅頭. 砂岩及數層煤層，常見. 徐兆祥, 1963). 砂岩及頁岩薄互層. 山背斜兩翼、. Te. 紅毛館斷層西 側及神社向斜 軸部地區 苗栗福基以南 約四公里之觀. 觀 音 山 砂 岩. 中 中 中 新 新 新 世 世 世. 音山一帶，分 張麗旭在 1959 年所. 佈於出磺坑背. 命名(何信昌, 1994;. 斜兩翼、神桌. 張麗旭, 1959). 山斷層兩側、 紅毛館斷層及 大湳斷層之東. 中 期. 側地區. 中 期. 厚層或塊狀之青灰色至 灰色鈣質混濁砂岩所組 成，夾頁岩、砂岩及頁 岩薄互層、化石及薄煤 層，底部以砂岩為主，. Ky. 頁岩的比例向上漸增， 故頂部大多為砂頁岩互 層. 後龍溪畔褔基. 打 鹿 頁 岩. 與出磺坑之間. 青灰色或暗灰色之略含. 安藤昌三郎在 1930. 之打鹿坑；本. 砂質之頁岩，以及泥質. 年所命名(安藤昌三. 層多呈帶狀分. 之粉砂岩為主，於出磺. 郎, 1930; 何信昌,. 佈，分別出露. 坑背斜之打鹿頁岩以暗. 1994). 於出磺坑背斜. 灰色頁岩為主，夾數層. 兩翼、神桌山. 泥質粉砂岩. 斷層兩側. 12. Tl.
(25) 早 期. 北 寮 砂 岩. 後龍溪北岸出. 以灰色細粒塊狀砂岩為. 安藤昌三郎在 1930. 磺坑背斜軸部. 主，間夾砂質頁岩、砂. 年所命名(安藤昌三. 附近之北寮一. 岩及頁岩薄互層、少量. 郎, 1930; 何信昌,. 帶，分佈於出. 雲母及炭質物。與其下. 1994). 磺坑背斜軸. 層出磺坑層及其上層打. 部、獅頭山背. 鹿頁岩皆為整合接觸，. 斜軸部、. 為富含化石的鈣質砂岩. 13. Pl.
(26) 圖 1-5 採樣點位置。本研究沿著苗栗 124、126 線道，採集 9 個岩層樣本。. 14.
(27) 第2章 研究方法 2.1 碎屑鋯石鈾-鉛定年的應用 在早期關於鋯石來源的鈾-鉛定年學研究(Grauert, 1973)，需要將單顆鋯石整個溶 解之後再測定，但由於鋯石時常因後期的岩漿或變質作用而造成環帶增生現象，使 單顆鋯石在不同的位置有不同的年代數據及同位素組成，因此這種方法可能會得到 此一鋯石在不同期的作用影響下的年齡結果，或是數個事件的平均年齡，故無法精 確得到鋯石的結晶年齡與形成時的同位素比值，使得鋯石來源的探討受到許多限 制。時至今日，因為分析技術的進步，例如雷射剝蝕感應耦合電漿質譜分析法的出 現，使我們可以針對單顆鋯石進行測量，讓科學家在來源複雜的沉積物中，可利用 單顆鋯石晶體中揭示出多期地質事件，包括引起鋯石溶蝕、改造和增生鋯石形成的 各種岩漿或變質過程，也能夠藉由鋯石的組成來討論今日的沉積物或沉積岩是如何 形成的，透過同時測量鋯石顆粒的鈾-鉛年齡與元素組成，可以較為肯定地確定此顆 粒的來源區，將多個鋯石的資訊作統計，就能進一步探討不同源區的相對供應量 (Gehrels, 2011)。 Pell et al. (1997)提出，當測得大量的單顆鋯石鈾-鉛年齡後，可藉由年代頻譜分 析 (age spectrum histogram) 的方式，表現出不同年代鋯石所佔之比重；假設可以經 由鋯石來源反映整體沉積物的來源，那麼便能夠比對鄰近地區已知年代的地殼物 質，以獲得這些沉積物可能的來源範圍。Pell et al. (1997)將上述的構想成功地應用在. 15.
(28) 澳洲的沙丘沉積物的物源分析。 除了可推論沉積物中碎屑鋯石的源區分佈之外，單顆鋯石的鈾-鉛年齡更廣泛地 應用於探究沉積物來自哪些相關的岩層單位，以及碎屑鋯石的年代頻譜分析更能反 應沉積岩源區岩石年齡特徵，進而探討其沉積年代(Li et al., 2011)。. 2.1.1. 樣本採集. 為了針對前陸盆地形成前後其沉積物源是否有發生變化，所以本研究採樣地層 由老至年輕依序採集北寮砂岩、打鹿頁岩、觀音山砂岩、東坑層、上福基砂岩、桂 竹林層 (關刀山砂岩段、十六份頁岩段、魚藤坪砂岩段)、及錦水頁岩(謝凱旋、黃敦 友, 2003)，共採了 9 個樣本(圖 2-1；表 2-1)，並拍攝露頭照片(圖 2-2)。. 16.
(29) 表 2-1 採樣點位置表 樣本 編號. 年 代. 地層. 採樣位置. 採樣剖面. 經度. 緯度. E120°55.142'. N24°35.658'. 出磺坑背斜之西翼明 德水庫剖面. E120°55.126'. N24°35.297'. 出磺坑背斜之西翼明 德水庫剖面. E120°55.489'. N24°35.158'. 出磺坑背斜之西翼明 德水庫剖面. E120°55.632'. N24°35.168'. 出磺坑背斜之西翼明 德水庫剖面. E120°55.687'. N24°35.151'. 出磺坑背斜之西翼明 德水庫剖面. 東坑層. E120°55.871'. N24°32.268'. 出磺坑背斜之東翼仙 山剖面. 觀音山砂岩 層. E120°56.208'. N24°32.316'. 出磺坑背斜之東翼仙 山剖面. 02Tl. 打鹿頁岩層. E120°56.312'. N24°32.331'. 03Pl. 北寮砂岩層. E120°56.433'. N24°32.166'. 錦水頁岩. S13. S11. 上 新 世. S7. S3. 04Ky. 桂 竹 十六份 林 頁岩段 層 關刀山 砂岩段 上福基砂岩. S1. 01Te. 魚藤坪 砂岩段. 中 新 世. 17. 出磺坑背斜之東翼仙 山剖面 出磺坑背斜之東翼仙 山剖面.
(30) S1. S3. S7. S1 1. S1 3. 01Te. 02Tl. 03Pl. 04Ky. 圖 2-1 採樣點露頭照片. 18.
(31) 蓬萊造山 運動~5Ma. 圖 2-2 臺灣苗栗地區地層系統和時代對比。年代對比表修改自謝凱旋、黃敦友 (2003) ；造山活動時間引用自 Liu et al. (2000)。. 19.
(32) 2.1.2 實驗前處理. 2.1.2.1 LA-ICP-MS 樣品靶(target)的製作 樣本採集完畢後，利用淘選、磁選及重液方法逐漸分離鋯石。參考 Chiu et al. (2009) 製作樣品靶的過程，將鋯石逐顆挑出排列後，放置模具並灌注環氧樹脂(epoxy)將其 製作成一直徑 2.5 公分的標靶餅。再將標靶餅打磨拋光及顯微照相，以完成本研究 的 LA-ICP-MS 樣品靶樣之製備。. 2.1.2.1.1 鋯石黏貼 將雙面膠帶黏貼在平坦的玻璃板上，在黏貼雙面膠時要將其與玻璃板上之間的 空氣驅趕乾淨，使黏附鋯石的雙面膠表面保持平整，以利於黏貼鋯石與拋光。製作 樣品靶的模型為底面直徑 1 英吋的空心圓柱，因此在預設樣品靶的位置中心預先在 雙面膠上畫出直徑 1 公分的圓，作為黏貼鋯石的範圍。通常一個樣品靶可容納六個 的樣本，此六個樣本之鋯石粒徑需相近。同一個樣本的鋯石會黏貼成一長條，並將 各個樣本平行排列。在黏貼鋯石時，需將鋯石平放，不能直立或傾斜，並略用力向 下壓，使其黏貼牢固於雙面膠上，每黏貼完一個樣品並記錄下其於靶上的相對位置 及黏貼的鋯石個數。為了避免因人為挑選而造成偏差，在沾黏鋯石時，應隨機挑選。. 20.
(33) 2.1.2.1.2 環氧樹脂的製備與灌注 將內徑 1 英吋的聚四氯乙烯空心圓柱膜內面塗抹凡士林，將鋯石樣本置於空心 柱中心，用力將空心柱垂直壓置於已黏貼鋯石樣本的雙面膠上，以避免之後環氧樹 脂灌注時流出。環氧樹脂由 1.4：10 的 EPIREZ HARDENER 與 EPIREZ COMPOUND 兩種物質配置而成。將兩種物質放在玻璃燒杯內小心輕攪拌避免混入 太多空氣，混合均勻緩慢灌入空心圓柱，放入真空機中儘量將樹脂內的空氣抽出， 以避免樹脂凝固之後有氣泡殘留於其中。最後將其放置 24 小時後即會凝固。. 2.1.2.1.3 打磨與拋光 使用乙醇擦拭去除樣品靶上的凡士林與雙面膠，在打磨鋯石之前，要將沒有黏 貼的鋯石的另外一面打磨成平面，並儘量使其與黏貼鋯石的另外一面保持平行，以 便將來使用顯微鏡以透射光觀察鋯石，也便於在雷射系統載物臺上放置。打磨鋯石 時，要使用防水細砂紙(#600)，粗砂紙容易磨掉鋯石，又容易產生較深的擦痕而不利 於拋光。打磨樣品時手的動作要輕不要在垂直於砂紙的方向上用較大的力，樣品靶 的運動軌跡要成 8 字型，以使樣品靶在各方向都受力。打磨時要常常加水保持濕潤， 這樣可以在砂紙表面形成薄薄的水膜，減少鋯石與砂紙間的摩擦力，也減少了將鋯 石從環氧樹脂中脫落的機會。 在顯微鏡下觀察其鋯石樣本的反射光與透射光影像面積大致相同時，代表鋯石. 21.
(34) 已出露最大之截面積，表示打磨程度合適。使用 1μm 和 3μm 的拋光砂將靶表面 拋光，當在顯微鏡下觀察時，鋯石表面呈光潔、平滑的狀態，且周圍環氧樹脂上的 擦痕也變少、變淺時，便完成了定年分析前的準備工作。。. 2.1.3 鈾-鉛定年分析 自然界中，. 238. U、235U 與 232Th 會經由一連串的衰變反應最終變成穩定的 Pb 同. 位素，分別為 206Pb、207Pb 與 208Pb，其反應式、半衰期與衰變常數分別為：. 鋯石結晶時富含鈾釷元素，但鉛含量極低，當岩體逐漸冷卻低於鋯石鈾鉛系統 的封存溫度後，衰變來的鉛同位素便能被保存在鋯石內而不流失，所以一般鋯石的 Pb 同位素初始值都被假設成零計算或忽略不計，將所有測量到的鉛皆當作鈾與釷的 衰變產物。 假定鋯石形成時的鉛初始含量 Pb0 極低，且沒有受到後來熱事件或變質作用影 響，經過 t 時間之後測得的最終子元素為 Pbt，則可以利用下列公式來推算得時間 t：. 22.
(35) 本研究所利用之儀器為：臺灣大學地質科學系地球化學與岩石成因實驗室的雷 射源感應耦合電漿質譜儀 (LA-ICP-MS, Laser Ablation-Inductively Coupled PlasmaMass Spectrometer)。雷射進樣系統是 UP213 laser ablation system (New Wave Research/Merchantek, λ=213 nm)，雷射直徑為 30μm。以氬氣和氦氣為載氣，受到磁 場感應而游離的氬氣可以瞬間達到絕對溫度一萬度左右的高溫，進而使經由雷射燒 蝕單顆鋯石的待測樣品游離而形成離子，進入質譜儀 Agilent 7500S 中以量測每顆鋯 石的 Pb、U、Th 同位素比值。 所有實驗皆利用標準鋯石 GJ-1 來進行校正，其 206Pb/238U 年齡約在 596-602 Ma (Jackson et al., 2004)。每次實驗進行時為先測量兩顆標準鋯石 GJ-1，接著測量 12 顆 待測鋯石，最後再測量兩顆標準鋯石 GJ-1 鋯石來進行線性校正。此外，亦會以次要 標準鋯石 91500 和 PLS 來評估數據的正確性。91500 鋯石的 207Pb/206Pb 年齡約在 1065 Ma (Wiedenbeck et al., 1995)，PLS 鋯石的 206Pb/238U 年齡約在 337 Ma (Sláma et al., 2008)。所得數據利用 GLITTER 4.0 程式 (Knudsen et al., 2001)計算比值與年齡。. 2.1.4 定年數據處理 以上結果再經過普通鉛校正程式 ComPbcorr (Andersen, 2002)校正後，可以得到 精確 207Pb/206Pb、206Pb/238U、207Pb/235U、208Pb/232Th 之比值與誤差、以及其對應年齡. 23.
(36) 與誤差。利用 ISOPLOT 3.75 (Ludwig, 2003) 程式將個別樣品定年結果投圖在 206. Pb/238U 對 207Pb/235U 諧和線上。由於在變質作用或重結晶的過程中，可能會使得. 鋯石的鈾鉛封閉系統受到破壞(Mezger and Krogstad, 1997)，造成鋯石中鉛丟失，使 206. Pb/ 238 U 和 207 Pb/ 235 U 兩組年齡不一致。如果岩石礦物在形成以後，其鈾鉛同位. 素系統都在封閉的狀況下，其同位素比值應該都落在諧和線上，故應刪除遠離諧和 線的結果，再選取諧和率在 0.9 上的數據 (Friedl et al., 2004)，確認所選結果為諧和 年齡。 但顯生元以來的年輕鋯石樣品(小於 1000 Ma)中從低含量的 235U 蛻變來的 207Pb 含量亦少(Ireland and Williams, 2003)，不足以分析得到精確的 207Pb/206Pb 年齡，因此 一般定年結果 206Pb/238U 年齡在 1000 Ma 以下者，選用經過普通鉛含量校正的 206. Pb/238U 年齡；定年結果 206Pb/238U 年齡在 1000 Ma 以上者，則選用經過普通鉛含. 量校正的 207Pb/206Pb 年齡(Gehrels, 2011)。. 24.
(37) 第3章 分析結果 3.1 定年結果 本研究在苗栗地區採取 S1、S2、S3、S4、S5、Te、kcy、Tl 及 Pl 等九個樣本， 將分選出的碎屑鋯石進行鈾-鉛定年，完整的定年分析資料列於附錄，各樣本的鋯石 年代諧和線圖請見圖 3-1、圖 3-2 及圖 3-3。 各地層分析結果如下：. 北寮砂岩 從北寮砂岩層中的碎屑鋯石中，本研究分析了 96 個單顆鋯石，其中分析後得到 85 筆鈾-鉛年齡諧和數據。 其主要年齡峰值區間：200-350 Ma，400-500 Ma，750-850 Ma，1850-1950 Ma， 2400-2500 Ma。. 打鹿頁岩 從打鹿頁岩層中的碎屑鋯石中，本研究分析了 96 個單顆鋯石，其中分析後得到 82 筆鈾-鉛年齡諧和數據。 其主要年齡峰值區間：95-165 Ma，200-250 Ma，400-500 Ma，750-850 Ma， 2400-2500 Ma。. 25.
(38) 觀音山砂岩 從觀音山砂岩層中的碎屑鋯石中，本研究分析了 96 個單顆鋯石，其中分析後得 到 86 筆鈾-鉛年齡諧和數據。 其主要年齡峰值區間：100-200 Ma，200-250 Ma，400-500 Ma，800-900 Ma， 1850-1950 Ma，2450-2500 Ma。. 東坑層 從東坑層中的碎屑鋯石中，本研究分析了 108 個單顆鋯石，其中分析後得到 96 筆鈾-鉛年齡諧和數據。 其主要年齡峰值區間：95-165 Ma，200-250 Ma，400-450 Ma，750-850 Ma， 1750-1850 Ma，2450-2550 Ma。. 上福基砂岩 從上福基砂岩層中的碎屑鋯石中，本研究分析了 112 個單顆鋯石，其中分析後 得到 96 筆鈾-鉛年齡諧和數據。 其主要年齡峰值區間：100-150 Ma，220-250 Ma，400-450 Ma，1800-1900 Ma。. 桂竹林層-關刀山砂岩段. 26.
(39) 從桂竹林層-關刀山砂岩段中的碎屑鋯石中，本研究分析了 120 個單顆鋯石，其 中分析後得到 103 筆鈾-鉛年齡諧和數據。 其主要年齡峰值區間：95-150 Ma，1800-1900 Ma。. 桂竹林層-十六份頁岩段 從十六份頁岩段中的碎屑鋯石，本研究分析了 117 個單顆鋯石，其中分析後得 到 110 筆鈾-鉛年齡諧和數據。 其主要年齡峰值區間：150-250 Ma，750-850 Ma，1700-1900 Ma，2400-2600 Ma。. 桂竹林層-魚藤坪砂岩段 從魚藤坪砂岩段中的碎屑鋯石，本研究分析了 114 個單顆鋯石，其中分析後得 到 102 筆鈾-鉛年齡諧和數據。 其主要年齡峰值區間：150-250 Ma，750-850 Ma，1800-1950 Ma，2400-2600 Ma. 錦水頁岩 從關刀山砂岩段中的碎屑鋯石，本研究分析了 108 個單顆鋯石，其中分析後得 到 97 筆鈾-鉛年齡諧和數據。 其主要年齡峰值區間：200-300 Ma，400-450 Ma，750-850 Ma，1850-1950 Ma， 2400-2550 Ma。. 27.
(40) 表 3-1 本研究地層中所包含之各年代鋯石個數. 樣本編號 S13. 年代. S3. 早元古代. 中元古代. 晚元古代. 寒武系. 奧陶系. 志留系. 泥盆系. 石炭系. 3. 27. 4. 28. 3. 3. 4. 4. 3. 魚藤坪砂岩段. 5. 39. 3. 20. 4. 2. 1. 4. 4. 十六份頁岩段. 10. 47. 1. 15. 3. 1. 3. 2. 3. 關刀山砂岩段. 3. 13. 3. 8. 1. 1. 4. 4. 1. 錦水頁岩. S11 S7. 太古代. 地層. 桂竹林層. S1. 上福基砂岩. 1. 12. 1. 5. 0. 4. 5. 6. 0. 01Te. 東坑層. 5. 15. 2. 29. 2. 1. 6. 2. 0. 04Ky. 觀音山砂岩層. 5. 27. 1. 17. 0. 1. 2. 4. 3. 02Tl. 打鹿頁岩層. 2. 12. 3. 9. 0. 1. 2. 2. 1. 03Pl. 北寮砂岩層. 1. 31. 1. 23. 1. 2. 4. 2. 2. 28.
(41) (續上頁) 表 3-2 本研究地層中所包含之各年代鋯石個數（續） 樣本編號 S13. 年代. 地層 錦水頁岩. 二疊系. 三疊系. 侏羅系. 白堊系. 早第三紀. 7. 7. 3. 4. 0. S11. 魚藤坪砂岩段. 3. 9. 3. 3. 0. S7. 桂竹林層 十六份頁岩段. 5. 8. 7. 5. 0. S3. 關刀山砂岩段. 2. 6. 2. 55. 0. S1. 上福基砂岩. 1. 13. 10. 37. 0. 01Te. 東坑層. 4. 12. 6. 10. 2. 04Ky. 觀音山砂岩層. 4. 9. 5. 8. 0. 02Tl. 打鹿頁岩層. 9. 12. 13. 15. 1. 03Pl. 北寮砂岩層. 2. 8. 3. 4. 0. 29.
(42) 觀音山砂岩 N=86. 打鹿頁岩 N=82. 北寮砂岩 N=85. 圖 3-1 鋯石鈾-鉛年齡諧和線圖(北寮砂岩、打鹿頁岩、觀音山砂岩)。左側為各地層 之全部數據，右側為小於 1000 Ma 的鈾-鉛年齡數據。. 30.
(43) 桂竹林層關刀山砂岩段 N=103. 上福基砂岩 N=96. 東坑層 N=96 圖 3-2 鋯石鈾-鉛年齡諧和線圖(東坑層、上福基砂岩、桂竹林層關刀山砂岩段)。左 側為各地層之全部數據，右側為小於 1000Ma 鈾-鉛年齡數據。. 31.
(44) 錦水頁岩 N=97. 桂竹林層魚藤坪砂岩段 N=102. 桂竹林層十六份頁岩段 N=110 圖 3-3 鋯石鈾-鉛年齡諧和線圖(桂竹林層十六份砂岩段、桂竹林層魚藤坪砂岩段、錦 水頁岩) 。左側為各地層之全部數據，右側為小於 1000 Ma 鈾-鉛年齡數據。. 32.
(45) 第4章 討論 4.1 物源分析 將研究地層之鋯石鈾鉛年齡與鈾含量進行對比(圖 4-１)，可以發現各期岩漿事件 的鋯石鈾含量皆在 50-1000ppm 之間，平均鈾含量隨著鈾-鉛年齡減少而約略有遞增 的趨勢。釷鈾比幾乎皆大於 0.4，晶型長寬軸比約在 2:1 ~ 4:1 之間，這些特徵都跟花 岡岩的鋯石極為相似(Ahrens et al., 1967; Hoskin, 2003)，也代表了這些鋯石年齡峰值 可以用來代表源區的火成事件年代。 將本研究之定年結果，依所採之地層沉積時間分為三段來討論。早中新世-晚中 新世早期之地層具有 95-165 Ma、200-250 Ma，400-500 Ma、750-850 Ma、1750-1850 Ma、2400-2500 Ma 的鋯石年齡峰值，晚中新世晚期之地層以 150-200 Ma、200-250 Ma 的鋯石年齡較為顯著，上新世之地層具有 95-165 Ma、200-250 Ma、400-500 Ma、 750-850 Ma、1750-1850 Ma、2400-2500 Ma 的峰值，且 1750-1850 Ma 的鋯石大量出 現(圖 4-2)。依台灣之地理位置來推論，其大陸邊緣沉積物物源供應區則可能為揚子 陸塊、華夏陸塊(圖 4-2; Zhao et al., 2001)，故本研究引用華北古陸塊、揚子陸塊、華 夏陸塊中的碎屑鋯石研究資料，來進行沉積物物源區鋯石鈾-鉛年齡的分佈及頻率比 對。其中華北古陸塊有顯著的 2.52 Ga、1.85 Ga 的鋯石，揚子陸塊具有顯著的 2.45-2.50 Ga、2.00-2.05 Ga、750-900 Ma 的鋯石，而華夏陸塊則具有顯著的 2560-2450 Ma、 1750-1850 Ma、750-850 Ma、200-250 Ma 的鋯石(圖 4-2; Wan et al., 2011; Wang et al.,. 33.
(46) 2010; Wang et al., 2013)。由年齡頻譜對比來看，華北陸塊明顯缺少加里東期及晉寧期 的鋯石，而揚子陸塊亦缺少加里東期的鋯石，但具有古元古代 2.00-2.05 Ga 峰值，與 本研究中普遍之晉寧期所形成之峰值並不相同，故無法提供本研究中新世到上新世 地層中加里東期及晉寧期的鋯石。相較於華北陸塊及揚子陸塊，華夏陸塊則有有著 明顯加里東期、晉寧期峰值，基於年齡頻譜之相似性，可推論華夏陸塊為臺灣西部 前陸盆地主要的沉積物物源。. 34.
(47) 圖 4-1 鋯石鉛含量與鈾-鉛年齡圖。. 35.
(48) Number. Age(Ma) 36.
(49) 圖 4-2 碎屑鋯石年齡頻譜分析圖。(A)位於華北古陸塊，中-新元古代沉積岩(Wan et al., 2011)；(B)位於揚子陸塊，新元古代沉積岩(Wang et al., 2013)；(C)位於華夏陸 塊，古生代沉積岩(Wang et al., 2010)；(D)、(E)、(F)本研究綜合臺灣苗栗地區中新 世-上新世地層分析結果。. 37.
(50) 前人文獻中，華南地區主要大地構造活動可分為(1)五臺運動(小於 2.4 Ga)、(2) 呂梁運動(1.9-1.7 Ga) 、(3)晉寧運動(850-750 Ma，晚元古代)、(4)加里東造山運動 (450-400 Ma，中古生代)(Zhou et al., 2002)、(5)印支運動(270-200 Ma，早中生代)(陳 正宏, 2004) 、(6)燕山運動(200-90 Ma，晚中生代)(Chen et al., 2002)。此六個運動均 為岩漿活動的重要時期，故本研究再將碎屑鋯石鈾-鉛年齡依此六構造活動期來進行 分析統計(圖 4-3、圖 4-4 及表 4-1)。 早中新世-晚中新世早期的地層 早中新世的北寮砂岩層中以燕山運動(佔 18.2%)、印支運動(12.9%)、晉寧運動 (15.2%)、呂梁運動(15.2%)所形成的鋯石為主，中中新世的打鹿頁岩層中則以燕山運 動(佔 29.2%)、印支運動(25.6%)所形成的鋯石為主，中中新世的觀音砂岩層中以燕山 運動(佔 12.7%)、印支運動(16.2%)、晉寧運動(12.7%)、呂梁運動(13.9%)所形成的鋯 石為主，晚中新世早期的東坑層中以燕山運動(佔 16.6%)、印支運動(16.6%)、加里東 造山運動(10.4%)、晉寧運動(16.6%)所形成的鋯石為主。 晚中新世晚期的地層 晚中新世晚期上福基層中以燕山運動(佔 48.9%)、印支運動(14.5%)、加里東造山 運動(16.6%)、呂梁運動(10.4%)所形成的鋯石為主，晚中新世晚期關刀山砂岩段中以 燕山運動(佔 55.3%)所形成的鋯石為主。. 38.
(51) 上新世的地層 上新世早期十六份頁岩段中以燕山運動(佔 10%)、印支運動(12.7%)、呂梁運動 (22.7%)所形成的鋯石為主，上新世魚藤坪砂岩段中以以印支運動(11.7%)、加里東造 山運動(11.7%)、呂梁運動(21.3%)、所形成的鋯石為主，上新世錦水頁岩中以以印支 運動(14.4%)、加里東造山運動(13.4%)、晉寧運動(11.3%)、呂梁運動(13.4%)所形成 的鋯石為主。 將本研究之碎屑鋯石的鈾-鉛定年結果，以年齡做為橫軸繪製成年代頻譜分析 圖，其中於早中新世的北寮砂岩、中中新世的打鹿頁岩及觀音砂岩、晚中新世早期 的東坑層顯示其鋯石年齡峰值主要在 95-250 Ma、750-850 Ma、1850-1950 Ma。而到 了晚中新世晚期上福基砂岩沉積時峰值出現了很明顯的變化，100-150 Ma、220-250 Ma 峰值年齡的鋯石大量出現(圖 4-3)，故當時以燕山期及印支期的沉積物供應為主。 而到上新世早期桂竹林層-十六份頁岩段沉積時，1750-1850 Ma 峰值年齡的鋯石增加 了許多(圖 4-4)。所以可推論自中新世至上新世，苗栗地區的地層記錄下兩次沉積物 源的改變，第一次為晚中新世早期的東坑層至晚中新世晚期上福基砂岩；而另一次 為晚中新世晚期桂竹林層-關刀山砂岩段到新世早期桂竹林層-十六份頁岩段沉積時。. 39.
(52) 上福基砂岩 N=96. 東坑層 N=96. 觀音山砂岩 Number. N=86. 打鹿頁岩 N=82. 北寮砂岩 N=85. Age(Ma) 圖 4-3 苗栗地區早中新世-晚中新世早期碎屑鋯石鈾-鉛年齡頻譜分析圖。於上福基砂 岩沉積時，燕山期年齡的鋯石所佔百分比大量增加。. 40.
(53) 錦水頁岩 N=97. 魚藤坪砂岩段 Number. N=102. 十六份頁岩段 N=110. 關刀山砂岩段 N=103. Age(Ma) 圖 4-4 苗栗地區晚中新世晚期-上新世地層碎屑鋯石鈾-鉛年齡頻譜分析圖。桂竹林層 -十六份頁岩段之後的魚藤坪砂岩段與錦水頁岩之鈾-鉛年齡中，小於 250 Ma 的鋯石 數目明顯減少許多。. 41.
(54) 表 4-1 每期運動之鋯石佔各層全部鋯石之百分比 樣本 編號 S13. 年代(Ma). S3. 印支運動. 加里運動. 晉寧運動. 90-200. 200-270. 360-650. 750-850. 1700-1900. 於 2400. 5.15%. 14.40%. 13.40%. 11.34%. 13.40%. 9.27%. 魚藤坪 砂岩段. 5.50%. 11.70%. 11.70%. 9.80%. 21.30%. 5.80%. 十六份 頁岩段. 10.00%. 12.70%. 9.00%. 8.18%. 22.70%. 10.90%. 關刀山 砂岩段. 55.30%. 7.70%. 2.70%. 5.80%. 8.70%. 2.90%. 地層 錦水頁岩. S11 S7. 燕山運動. 桂竹林層. 呂梁運動 五臺運動小. 其他時期. 總和. 33.04%. 100%. 34.20% 26.52% 16.90%. 100% 100% 100%. S1. 上福基砂岩. 48.90%. 14.50%. 16.60%. 2.00%. 10.40%. 1.00%. 6.6%. 100%. 01Te. 東坑層. 16.60%. 16.60%. 10.40%. 16.60%. 7.20%. 8.30%. 24.3%. 100%. 04Ky. 觀音山砂岩層. 12.70%. 16.20%. 9.30%. 12.70%. 13.90%. 9.30%. 25.9%. 100%. 02Tl. 打鹿頁岩層. 29.20%. 25.60%. 6.00%. 4.80%. 3.60%. 8.50%. 22.3%. 100%. 03Pl. 北寮砂岩層. 18.20%. 12.90%. 9.40%. 15.20%. 15.60%. 10.00%. 18.70%. 100%. 42.
(55) 為了利用碎屑鋯石來討論前陸盆地沉積物源的變化，首先必須釐清沉積物的來 源有哪幾種可能性。就臺灣的位置來說，沉積物的來源可能為大陸邊緣沉積物，亦 有可能為臺灣造山帶沉積物再堆積(圖 4-5; 鄧屬予, 1997)。 將本研究之定年結果與華夏陸塊之定年文獻(Wang et al., 2010 ; Xu et al., 2007; Yang et al., 2012; 王果勝 et al., 2009) 進行比較(圖 4-6)，結果顯示早中新世-晚中新 世早期地層之鋯石鈾-鉛定年結果與閩江及福建西南晚三疊紀所沉積的砂岩中之鋯石 年齡有相似的年齡峰值，可能有著相同的沉積物來源，且皆富含早元古代(~1.8 Ga) 的鋯石年齡；早中新世-晚中新世地層中鋯石年齡亦含有大量燕山期鋯石年齡，甌江 的河砂鋯石也具有明顯的燕山期年齡峰值，顯示當時沉積物供應可能是經由閩江、 甌江搬運輸而來。再與華南的火成岩分佈範圍(圖 4-7、4-8; Li and Li, 2007; Wang et al., 2013)進行分析，其古元古代鋯石年齡，與大陸福建地區出露的岩盤相當一致，符合 自中新世以來主要沉積物源供應為華夏地塊的推論。晚中新世晚期鋯石鈾-鉛定年結 果則與甌江沉積的砂岩中之鋯石年齡有相似的年齡峰值，推論當時臺灣沉積物供應 主要受控於甌江水系，根據華南的火成岩分佈範圍可以推論晚中新世晚期西部地層 沉積來源則可能為中國東南沿海燕山期花崗岩。上新世早期鋯石鈾-鉛定年結果顯示 與早中新世沉積的砂岩中之鋯石年齡有相似的年齡峰值，相較於晚中新世晚期時的 沉積物鋯石年齡分佈較為分散，而顯現出與早中新世沉積的砂岩中之鋯石年齡相似 的年齡峰值，可能由於造山作用的影響，大陸邊緣受到碰撞而抬升，沉積層露出水 面後受風化侵蝕向西再堆積到前陸盆地中，致使沉積物的供應自上新世早期開始發. 43.
(56) 生變化。 Lan et al. (1996)分析於中央山脈東翼出露之花岡岩，針對岩石中的鋯石進行鈾鈾定年後，得到約 90 Ma 的年齡值，認為其與華南浙閩沿海地區年代約為 80-120 Ma 的花岡岩有關。前人的研究中臺灣主要有 5 期的熱構造事件：(1)早侏羅紀的熱構造 事件(200-175 Ma)，普遍出現在臺灣北部的大南澳變質岩基盤中。(2)晚侏羅紀的熱構 造事件(~153 Ma)，記錄於臺灣南部變質岩基盤構造中的變質花岡岩。(3)晚中生代熱 構造事件(97-77 Ma)，在臺灣北部及西部的大南澳變質基盤構造有記錄下這一事件。 (4)新生代上新世熱構造事件(56-9 Ma)，在中央山脈中的岩脈及臺灣本島的板內玄武 岩中。(5)晚新生代熱構造事件(自 5 Ma 開始)，於臺灣北部及東北部的火山構造，有 記錄下此一事件(Lan et al., 2008)。 因此，可以進一步分析本研究地層中鋯石來源是否可能來自於臺灣熱構造事 件。故將本研究之定年資料依五期熱構造事件進行分析，結果顯示中新世地層中的 鋯石鈾-鉛定年頻譜圖無法對應這五期熱構造事件(圖 4-9)，然而上新世地層中的鋯石 年齡卻反映了第一期早侏羅紀的熱構造事件(200-175 Ma)、晚侏羅紀的熱構造事件 (~153 Ma)以及晚中生代熱構造事件(97-77 Ma)。故推論於中新世地層中鋯石來源為來 自臺灣熱構造所形成的可能性較低，至上新世地層沉積時，開始有來自臺灣熱構造 事件所形成的鋯石堆積到臺灣西部前陸盆地中。. 44.
(57) 圖 4-5 臺灣地區中新世至第四紀之沉積相變化與沉積物來源區，引用自鄧屬予 (1997)。. 45.
(58) Number. Age(Ma). 46.
(59) 圖 4-6 碎屑鋯石年齡頻譜分析圖。(A)華夏陸塊南邊，新元古變質沉積岩(Yu et al., 2010)；(B)閩江河砂(Yang et al., 2012)；(C)甌江的河砂(Xu et al., 2007)；(D)福建西 南，晚三疊紀石英砂岩(王果勝 et al., 2009)；(E)位於華夏陸塊，古生代沉積岩(Wang et al., 2010)；(F)、(G) 、(H) 本研究綜合臺灣苗栗地區中新世-上新世地層分析結果。. 47.
(60) 圖 4-7 華南地區火成岩分佈圖，引自 Wang et al. (2013)。. 48.
(61) 圖 4-8 中國大陸東南沿海火成岩及岩漿活動分佈圖，引用自 Li and Li (2007)。. 49.
(62) Number Age(Ma) 圖 4-9 本研究綜合臺灣苗栗地區中新世-上新世地層碎屑鋯石鈾鉛年齡頻譜圖(小於 300 Ma) 上色區域為台灣曾經歷熱構造事件之年代，顯示苗栗地區中新世-上新世地 層之碎屑鋯石來自於台灣火成事件的可能性不高。. 50.
(63) 4.2 前陸盆地演變 本研究碎屑鋯石的鈾-鉛定年結果顯示，於晚中新世晚期關刀山砂岩段含有大量 100-150 Ma 和 220-250 Ma 的鋯石，推論可能是因為弧陸碰撞的發生而改變了沉積物 的供應。根據 Lee et al. (2006)提出的模式(圖 4-9)，晚中新世晚期時，弧陸碰撞影響 到前陸盆地之發育，大陸邊緣因此快速下陷，其坡度很可能從原來大陸棚遠小於 1 度之坡度，快速變化至大於 1 度；沉積物出河口後，快速下滑而形成海底扇，而後 再逐漸堆積充填(Lee et al., 2006)。由於大陸棚的坡度快速的變陡，造成相對海水面上 升，使得沉積物大都沉積在河口以上而無法大量供應，造成沉積物組成較為單調， 閩浙沿海出露之燕山期岩盤因而成為主要供應沉積物物源，故於關刀山砂岩中出現 了大量燕山期的鋯石。 到了上新世早期桂竹林層-十六份頁岩段沉積時鋯石鈾-鉛年齡峰值出現明顯的 改變，其中呂梁期鋯石年齡大量的出現，可能為臺灣古第三紀沉積層再次堆積所造 成。根據碎屑鋯石鈾-鉛定年資料推論中新世時，華南閩浙地區的岩盤出露受到風化 作用，經由閩江搬運至沿海形成大陸邊緣堆積(Chen et al., 2006)；到了晚中新世晚期 關刀山砂岩段沉積時，弧陸碰撞開始發生，造成大陸邊緣下陷，使得沉積物物源發 生改變，以閩浙沿海出露之燕山期岩盤為主；而到了上新世早期桂竹林層-十六份頁 岩段沉積時，隨著呂宋島弧和歐亞板塊不斷地碰撞，造成前陸盆地東側隆起，古第 三紀沉積層露出水面。Chi et al. (1981)亦提出於上新世時(NN15-NN16)，有一明顯之. 51.
(64) 沉積速率迅速增加時期，故與本研究推論相符：上新世時大量的臺灣古第三紀沉積 物堆積到西部前陸盆地中。 周瑞燉 (1980)利用震測剖面，將中新世的地層進行劃分，其厚度為自西北向東 南逐漸增厚，砂岩百分比逐漸降低、顆粒漸細，根據沉積物結構的方向性推測搬運 沉積物的水流方向是西北-東南向。故綜合本研究臺灣苗栗地區中新世地層碎屑鋯石 鈾-鉛定年結果及古水流方向分析，可推論臺灣西部中新世盆地沉積物可能由盆地之 西北方搬運沉積而來，源區可能為大陸閩浙一帶沿海地區。到了上新世時，古水流 方向為西北-東南向及東-西向，本研究的碎屑鋯石鈾-鉛定年結果亦顯示此時鋯石來 源與中新世早期有著相似的峰值，據此推論上新世時，除了繼續沉積來自大陸邊緣 的沉積物外，也加入了部分來自臺灣古第三紀地層的沉積物（圖 4-4；圖 4-10)。 臺灣的造山歷史相當年輕，由於菲律賓海板塊相對於歐亞板塊每年以七公分的 速率向西北斜向聚合，臺灣碰撞運動的發生與地質現象是由北向南遷移(Suppe, 1984)，這代表著臺灣島地體構造的發育是由北向南逐漸被擠出海水面。因此本研究 所揭示之前陸盆地沉積物供應變化，也可能於臺灣北部地層發現類似變化，故利用 臺灣北部的碎屑鋯石鈾-鉛定年資料(邵文佑，未發表資料)來進行分析。此筆資料是 針對自始新世西村層到上新世二鬮層，共 10 個連續地層中的碎屑鋯石來進行鈾-鉛 定年研究(圖 4-12)。其定年結果顯示始新世西村層之碎屑鋯石鈾-鉛年齡以 200-100 Ma 及 540-250 Ma 的峰值為主，而漸新世到晚中新世早期則以 2.0-1.8 Ga 及 2.6-2.4 Ga 的峰值較為顯著，而到了上新世早期時則以 200-100 Ma 峰值為主。所以，可推論臺. 52.
(65) 灣北部地層的沉積物供應於始新世到漸新世早期之間，以及晚中新世早期到上新世 早期之間，共發生了兩次改變。 利用本研究與臺灣北部地層的碎屑鋯石鈾-鉛定年資料(邵文佑，未發表資料)進 行鋯石鈾-鉛年齡的分佈及頻率比對(圖 4-13)，結果顯示本研究之晚中新世晚期關刀 山砂岩段與臺灣北部上新世二鬮層皆記錄下燕山期鋯石年齡大量出現之物源改變現 象。根據 Suppe (1984)提出之模式，則臺灣地體構造的發育應由北向南逐漸被抬升出 海水面，故臺灣北部應較早記錄下轉變為前陸盆地的過程。但根據定年資料之比對， 卻顯示臺灣西部於晚中新世晚期時即記錄下沉積物物源改變的過程，但臺灣北部地 區卻到上新世早期二鬮層沉積時才出現改變，沉積物的紀錄明顯不符合臺灣地體構 造的發育過程。推論有可能是因為臺灣西側的沿海地殼隆起形成觀音高區(圖 4-14)， 將臺灣盆地隔成了北部的南彭佳嶼盆地系統及西部地區的臺西-臺中盆地系統，故造 成其沉積物供應系統不同(Sun, 1985)。. 53.
(66) 圖 4-10 臺灣前陸盆地形成及沉積形貌演化示意圖，引用自 Lee et al. (2006)。. 54.
(67) 圖 4-11 臺灣前陸盆地演化圖，修改自 Teng (1990)。紅色箭頭為沉積物移動方向。 (A)早中新世沉積物主要來自於華夏陸塊；(B)晚中新世晚期，因弧陸碰撞臺灣隆起 造山，前陸盆地開始發育。(C)上新世早期古臺灣島因弧陸碰撞而抬升露出水面，前 陸盆地沉積中心西移，古臺灣島開始供應沉積物至前陸盆地中。由此可推論前陸盆 地開始發育的時間較前人所推論的更早，上新世早期臺灣造山活動已非常可觀。. 55.
(68) 圖 4-12 臺灣北部地區碎屑鋯石頻譜分析圖(邵文佑，未發表資料)。. 56.
(69) 圖 4-13 臺灣北部與臺灣苗栗地區碎屑鋯石頻譜分析圖。(A)臺灣北部地區碎屑鋯石定年資料(邵文佑，未發表資料)；(B) 臺灣地層對比 表(謝凱旋 et al., 2001)；(C)本研究資料，臺灣中部中新世-上新世地層碎屑鋯石定年資料。 57.
(70) 圖 4-14 臺灣及其鄰近區域新生代臺西盆地、臺南盆地及南彭佳嶼盆地剖面圖，引用自 Sun (1985)。 58.
(71) 第5章 結論 本研究嘗試利用碎屑鋯石鈾-鉛定年(LA-ICP-MS) 來探討苗栗出磺坑背斜附近 桂竹林層沉積環境的演變，得到以下結論： 1. 根據碎屑鋯石鈾鉛年齡頻譜分析結果，顯示中新世以來地層記錄下沉積物物 源發生兩次的改變，一為晚中新世早期的東坑層至晚中新世晚期上福基層，而另一 次則為晚中新世晚期桂竹林層-關刀山砂岩段到上新世早期桂竹林層-十六份頁岩段 沉積時。 2. 早中新世至晚中新世早期，前陸盆地主要接受來自閩浙地區的沉積物。晚中 新世晚期關刀山砂岩段沉積時，由於弧陸碰撞開始發生，沉積了大量中國大陸閩浙 沿海地區沉積物，故以燕山期與印支期鋯石所佔的比例大為增加。到了上新世早期， 則因碰撞造山使古臺灣露出水面之上，古第三紀沉積層開始供應沉積物至前陸盆地 中。 3.基於臺灣北部與臺灣西部沉積物物源區鋯石鈾-鉛年齡的分佈及頻率比對，推 論臺灣北部與西部分別為兩種不同之盆地系統，沉積物供應來源也不相同。. 59.
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(78) s1-111 0.05627 0.00053 0.55637 0.01202 0.07171 0.00139 463. 22. 449. 8. 446. 8. 6.64. 446. 8. 478.3. s1-112 0.05165 0.0051 0.10718 0.01337 0.01505 0.00045 270. 218. 103. 12. 96. 3. 1.25. 96. 3. 20.0. s1--12 0.06965 0.00962 0.1415 0.02419 0.01473 0.00055 918. 300. 134. 22. 94. 3. 1.19. 94. 3. 12.9. s1--13 0.05164 0.00059 0.2001 0.00507 0.02811 0.00057 270. 26. 185. 4. 179. 4. 2.9. 179. 4. 213.5. s1--14 0.0504 0.005. 0.10446 0.01309 0.01503 0.00045 213. 216. 101. 12. 96. 3. 0.98. 96. 3. 21.3. s1--15 0.05071 0.0037 0.12995 0.01197 0.01859 0.00046 228. 166. 124. 11. 119. 3. 1.31. 119. 3. 116.4. s1--16 0.04925 0.00059 0.20875 0.00548 0.03075 0.00062 160. 28. 193. 5. 195. 4. 1.5. 195. 4. 160.9. s1--17 0.05573 0.00053 0.50349 0.01099 0.06553 0.00128 442. 21. 414. 7. 409. 8. 1.81. 409. 8. 262.9. s1--19 0.05694 0.00056 0.53247 0.01207 0.06783 0.00135 489. 22. 433. 8. 423. 8. 2.21. 423. 8. 189.2. s1--20 0.05271 0.00065 0.16076 0.0043 0.02212 0.00045 316. 28. 151. 4. 141. 3. 1. 141. 3. 184.8. s1--21 0.11364 0.00117 4.72901 0.11091 0.30184 0.00592 1858. 19. 1772. 20. 1700. 29. 3.65. 1858. 19. 194.3. s1--22 0.05418 0.00063 0.46822 0.012. 0.06269 0.00126 379. 26. 390. 8. 392. 8. 1.19. 392. 8. 79.2. s1--23 0.05509 0.00052 0.50005 0.01075 0.06583 0.00129 416. 21. 412. 7. 411. 8. 2.11. 411. 8. 481.2. s1--24 0.05373 0.00079 0.15906 0.00484 0.02147 0.00045 360. 34. 150. 4. 137. 3. 1.14. 137. 3. 157.8. s1--25 0.04896 0.00069 0.14954 0.00436 0.02215 0.00045 146. 33. 142. 4. 141. 3. 0.68. 141. 3. 151.1. s1--27 0.0496 0.00106 0.10732 0.00411 0.01569 0.00033 176. 51. 104. 4. 100. 2. 1.4. 100. 2. 102.5. s1--28 0.11179 0.00114 4.46564 0.10424 0.28971 0.006. 19. 1725. 19. 1640. 30. 1.95. 1829. 19. 108.0. s1--29 0.05506 0.00071 0.46162 0.01271 0.06081 0.00122 415. 29. 385. 9. 381. 7. 1.41. 381. 7. 57.3. s1--3 0.04889 0.00062 0.14683 0.00403 0.02178 0.00044 143. 30. 139. 4. 139. 3. 1.38. 139. 3. 186.9. s1--31 0.10824 0.00096 4.33861 0.08789 0.29071 0.0056 1770. 16. 1701. 17. 1645. 28. 3.72. 1770. 16. 267.8. s1--32 0.05271 0.00056 0.27005 0.00649 0.03716 0.00073 316. 25. 243. 5. 235. 5. 1.2. 235. 5. 241.1. s1--33 0.07411 0.00645 0.22465 0.02476 0.02198 0.00063 1045. 185. 206. 21. 140. 4. 1.01. 140. 4. 101.4. s1--34 0.06714 0.00062 1.16245 0.02459 0.12558 0.00242 842. 19. 783. 12. 763. 14. 1.6. 763. 14. 206.7. 1829. 66.
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