蘭陽平原以南山麓地區斷層擦痕之古應力分析研究

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(1)國立臺灣師範大學地球科學研究所碩士論文 Department of Earth Sciences National Taiwan Normal University Master Thesis. 蘭陽平原以南山麓地區斷層擦痕之古應力分析研究 Study of Fault-Slip Data and Paleostress Analysis along Southern Foothills Ilan Plain. 研究生:徐啟舜 Shu Chi-Shun. 指導教授:葉恩肇 Advisor: En-Chao Yen Ph.D.. 中華民國 104 年 7 月. July, 2015.

(2) 摘要蘭陽平原以南的山麓地區由早期的造山擠壓轉變為現今以西北-東南向拉張為主的應力場，顯示其地體構造上相對較為複雜，因此本研究主要目的在於了解蘭陽平原以南的山麓地區的脆性構造特性與應力場演化史。透過觀察清水溪、寒溪與南方澳野外露頭之構造特性，量測地表斷層擦痕並利用擦痕截切關係進行分期，以獲得各期脆性構造特性與順序以及相對應的斷層擦痕資料。斷層擦痕數據使用 MIM 程式與 T-Tecto3.0 軟體進行古應力反演，解算各區域不同期的獨立應力場，藉由擦痕的截切關係與交差比對應力場後，可將全部區域之應力場分為五期。N+1 期為東北-西南向拉張的正斷層應力場；N+2 期為東北 -西南向拉張，西北-東南向擠壓之走向滑移應力場；N+3 期為為西北-東南向拉張，東北西南向擠壓之走向滑移應力場；N+4 期為西北-東南向拉張的正斷層應力場；N+5 期為西北-東南向拉張，東北西南向擠壓之走向滑移應力場。本研究的 N+1 期之正斷層在比較山脈的同造山伸張模式後推測最早期的正斷層可能為受重力作用造成的山脈塌陷。利用本研究的五期應力場之最小主應力軸方向比對區域內的主軸應變率後，發現 N+3 期至 N+5 期應力場與 GPS 主軸應變率比較有一致的趨勢，這代表 N+3~N+5 期應力場較趨近於現今所觀測到的結果且應力場於空間分布有旋轉的現象。. 關鍵字:蘭陽平原、斷層擦痕、古應力分析. I.

(3) ABSTRACT In southern foothills area of the Ilan Plain, stress field changes from the compression of mountain building to NW-SE extension of the Okinawa trough, indicating tectonics is relatively complex. The aim of this study is to understand the characteristics of brittle structures and the evolution of stress field in south foothills of Ilan Plain. By observing the structure characteristics, measuring fault slip data and classifying the different stages via cross-cutting relationship in the Chingshuixi, Hanxi and Nanangao outcrops, aspects of brittle structures, development sequence and corresponding fault slip can be established. This study used the Multiple Inversion Method and T-Tecto 3.0 program for stress inversion analysis of fault slip data to gather the independent stress fields of different phases. Based on cross-cutting relation and comparison with stress fields, 5 phases of stress field can be classified. N+1 phase is characterized as normal faulting stress field with the northeast-southwest extension. N+2 phase is consisted of strike-slip. faulting. stress. regime. with. northeast-southwest. extension. and. northwest-southeast compression. N+3 phase is strike-slip faulting stress regime with northwest-southeast extension and southwest-northeast compression. N+4 phase is characterized as normal faulting stress regime with northwest - southeast extension. N+5 is considered as strike-slip faulting stress regime with northwest-southeast extension and northeast-southwest compression. Comparing the aspects of N+1normal faulting with the characterization of synorogenic extension model, it is speculated that the earliest normal faulting may be caused by mountains extension due to the gravity influence. Correlating the horizontal minimum stress orientations of 5-phase stress regimes to the principal strain rate II.

(4) calculated from GSP data, stress field between N+3 and N+5 is more consistent with strain rate pattern. The results suggest stress field of N+3-N+5 phases is more closed the current stress state. Also, the stress field has spatial rotation phenomena.. Keywords: Ilan plain, fault slip, paleostress analysis. III.

(5) 誌謝首先誠摯的感謝指導教授葉恩肇老師的指導，這三年在野外工作以及撰寫論文感到困惑時，老師總會適時指點學生往正確的方向完成論文與研究，使我在野外與構造地質的領域真的獲得很多寶貴的經驗與知識。本論文的完成非常感謝行政院國家科學委員會的宜蘭地區深層地熱資源探勘及加強型地熱系統的評估計畫(編號 NSC 102-3113-P-002-031)與科技部宜蘭地區深層地熱資源調查及加強型地熱系統場址的評估計畫(編號 MOST 103-3113-M-002-001)提供經費讓本人能順利完成論文，此外也感謝口試委員朱傚祖老師與李建成老師不吝指正並提供很多意見及各種幫助，在此由衷的感謝兩位口試委員的幫助。碩士班三年多很感謝實驗室裡的大家，感謝詠恬學姊總是在 Meeting 時給予這麼多的意見還有學校生活上的各種幫助，謝謝筱君、朝彥和我一起奮戰了將近四個月，因為有你們兩位激勵我，陪我一起熬夜，我才有辦法完成我的論文，緯誠、東晉學長在我碩一很多事情不懂時給予指教及幫助我進入狀況，子恩、朝彥、育愷謝謝你們陪我出野外並且在生活上、學術討論上都給我不少意見，致柔、亞彤、致緯、傳立、承哲、穎容、惠君謝謝你們在各方面給我的幫助，最後感謝三年來總是在問我甚麼時候畢業的文化大學死黨們，家齊、玨安、仲益、淳淳、楷軒、朝宏、器暉、姵萱、世豪、瑋藍、馨儀、竹逸、易煬等好友以及我的父母親給予的支持及鼓勵，謝謝你們!!沒有你們就沒有現在的我。. IV.

(6) 目錄摘要................................................................................................................................ I ABSTRACT .................................................................................................................. II 誌謝..............................................................................................................................IV 目錄............................................................................................................................... V 圖目錄........................................................................................................................ VII 表目錄..........................................................................................................................XI 第一章緒論.................................................................................................................. 1 1.1 動機與研究目的............................................................................................. 1 1.2 研究區域之位置與交通................................................................................. 3 第二章前人研究.......................................................................................................... 5 2.1 區域地質背景................................................................................................. 5 2.2 野外構造相關研究......................................................................................... 9 2.3 地表斷層擦痕相關研究............................................................................... 12 2.3 GPS 地表位移量 ........................................................................................... 17 2.3.1 應變分析............................................................................................ 17 2.4 震源機制解................................................................................................... 19 第三章研究方法........................................................................................................ 24 3.1 野外工作....................................................................................................... 25 3.1.1 野外描述與中視尺度構造繪圖........................................................ 25 3.1.2 地表斷層擦痕量測與判別................................................................ 25 3.1.3 斷層擦痕之截切關係........................................................................ 28 3.2 古應力反演................................................................................................... 29 3.2.1 反演原理............................................................................................ 29 V.

(7) 3.3.1 多重反演法(Multiple inversion method；MIM) .............................. 30 3.3.2 MIM 獨立應力場 ............................................................................... 35 3.2.2 T-Tecto 3.0 .......................................................................................... 40 第四章野外觀察與應力反演結果............................................................................ 42 4.1 清水溪地區................................................................................................... 44 4.2 寒溪地區....................................................................................................... 56 4.3 南方澳地區.................................................................................................... 68 4.4 古應力反演結果........................................................................................... 79 4.4.1 清水溪古應力反演結果.................................................................... 79 4.4.2 寒溪地區古應力反演結果................................................................ 84 4.4.3 南方澳地區古應力反演結果............................................................ 88 第五章討論................................................................................................................ 92 5.1 MIM 與 T-Tect3.0 應力反演結果之探討 ..................................................... 92 5.2 有無截切關係之應力場對比與應力比值互換之可能性........................... 94 5.3 現地應力及前人古應反演結果之比較....................................................... 98 5.4 蘭陽平原地區主軸應變率之比較.............................................................. 101 5.5 早期正斷層應力來源探討......................................................................... 103 5.6 塊體旋轉現象探討..................................................................................... 105 第六章結論與建議.................................................................................................. 110 6.1 結論.............................................................................................................. 110 6.2 建議事項...................................................................................................... 111 參考文獻.................................................................................................................... 112 中文文獻............................................................................................................ 112 英文文獻............................................................................................................ 114 附錄一........................................................................................................................ 117 VI.

(8) 圖目錄圖 1.1 台灣板塊聚合與構造框架圖........................................................... 2 圖 1.2 蘭陽平原以南山麓之地理位置圖.................................................... 4 圖 2.1 台灣宜蘭清水地熱地區地質圖........................................................ 6 圖 2.2 三星與蘇澳地質圖幅........................................................................ 7 圖 2.3 宜蘭地質圖....................................................................................... 8 圖 2.4 蘇澳南方區域路線地質圖.............................................................. 10 圖 2.5 脊樑山脈北端斷塊分布圖.............................................................. 10 圖 2.7 中央山脈地表斷層擦痕反演結果圖.............................................. 13 圖 2.8 清水地熱地區具截切關係的斷層擦痕.......................................... 14 圖 2.9 清水溪地熱區 MIM 應力場解算結果圖 ....................................... 15 圖 2.10 清水溪 T-TECTO 3.0 解算結果圖 .............................................. 16 圖 2.11 宜蘭地區應變速率分布圖 ............................................................ 18 圖 2.12 臺灣東北部宜蘭地區震源機制解................................................ 20 圖 2.13 台灣東北地區震源機制分布圖.................................................... 21 圖 2.14 臺灣地區震源機制應力反演結果................................................ 22 圖 2.15 臺灣造山帶書摺構造模型示意圖................................................ 23 圖 3.1 研究流程圖...................................................................................... 24 圖 3.2 斷層擦痕量測示意圖...................................................................... 26 圖 3.3 礦物階示意圖.................................................................................. 27 圖 3.5 截切關係示意圖.............................................................................. 28 圖 3.6 應力橢圓示意圖.............................................................................. 32 圖 3.7 MIM 反演結果範例 ......................................................................... 32 圖 3.8 MIM 程式操作過程範例圖 ............................................................. 33 VII.

(9) 圖 3.9 MIM 解算結果之莫爾圓分布圖 ..................................................... 34 圖 3.10 平均應力角距示意圖(MASD) ..................................................... 34 圖 3.11 MIM 獨立應力場挑選概念圖 ....................................................... 36 圖 3.14 獨立應力場挑選步驟三................................................................. 38 圖 3.15 獨立應力場最終結果範例............................................................ 39 圖 3.16 T-Tecto 解算結果範例 ................................................................... 41 圖 4.1 野外與斷層擦痕露頭位置分布圖.................................................. 43 圖 4.2 清水溪調查露頭位置圖.................................................................. 46 圖 4.3 清水溪 C1 區垂直變質砂岩層面之石英脈 ................................... 47 圖 4.4 清水溪分區之砂岩層面與板劈理位態極點分布圖...................... 47 圖 4.5 清水溪 C1 區域正斷層野外相片 ................................................... 48 圖 4.6 清水溪 C1 區域斷層擦痕之截切關係圖 ....................................... 48 圖 4.7 清水溪 C1 區域之斷層擦痕之截切關係 ....................................... 49 圖 4.8 清水溪 C2 區域之 Z 型褶皺 .......................................................... 49 圖 4.9 清水溪 C2 區域之 M 型寄生褶皺 ................................................. 50 圖 4.10 清水溪 C2 地區正斷層轉為右移斷層照片 ................................ 50 圖 4.11 清水溪 C1 與 C2 區域層面傾向差異照片 .................................. 51 圖 4.12 清水溪 C2 區域西側大溪左移斷層露頭 ..................................... 52 圖 4.13 清水溪 C2 大溪地區斷層擦痕照片 ............................................. 52 圖 4.14 大溪地區正斷層擦痕照片............................................................ 53 圖 4.15 清水溪下游泰雅路露頭................................................................ 53 圖 4.16 泰雅路下游正斷層擦痕照片........................................................ 54 圖 4.17 清水溪區域應力場空間分布圖..................................................... 55 圖 4.18 寒溪露頭位置圖............................................................................ 58 圖 4.19 寒溪地區岩層面與板劈理位態極點投影圖................................ 59 VIII.

(10) 圖 4.20 寒溪 H2 區域正斷層露頭 ............................................................. 59 圖 4.21 寒溪 H2 地區截切關係 ................................................................. 60 圖 4.22 寒溪 H2 區域斷層模式圖 ............................................................. 60 圖 4.23 寒溪 H1 地區切過板岩層之正斷層露頭 ..................................... 61 圖 4.24 褶皺軸逆斷層所切過之照片........................................................ 61 圖 4.25 寒溪 H3 地區截切關係 ................................................................. 62 圖 4.26 中視褶皺後被左移斷層截切照片................................................ 63 圖 4.27 寒溪 H3 區域切過中視褶皺之右移斷層擦痕 ............................. 63 圖 4.28 變質砂岩層間滑動照片................................................................ 64 圖 4.29 寒溪 H3 區域變質砂岩層間的右移斷層擦痕 ............................. 64 圖 4.30 寒溪 H3 區域褶皺露頭 ................................................................. 65 圖 4.31 褶皺層間斷層擦痕........................................................................ 65 圖 4.32 寒溪下游之斷層面位態投影圖。................................................ 66 圖 4.33 寒溪 H4 區域斷層擦痕照片 ......................................................... 66 圖 4.34 寒溪區域古應力場之空間分布圖................................................. 67 圖 4.35 南方澳野外露頭分區圖。............................................................ 69 圖 4.36 豆腐岬公園北側之背斜軸............................................................ 70 圖 4.37 切過板岩層右移擦痕照片............................................................ 70 圖 4.38 南方澳 S1 區背斜軸南翼露頭 ..................................................... 71 圖 4.39 板劈理形成後的正斷層雁型排列................................................. 71 圖 4.40 南方澳早期正斷層構造................................................................ 72 圖 4.42 南方澳 S2 區域豆腐岬北側的斷層面 ......................................... 73 圖 4.43 南方澳 S2 地區右移斷層 ............................................................. 73 圖 4.44 南方澳北側露頭斷層擦痕............................................................ 74 圖 4.45 南方澳 S2 區域南側露頭正斷層擦痕 ......................................... 74 IX.

(11) 圖 4.46 南方澳 S2 區域正斷層構造 ......................................................... 75 圖 4.47 南方澳 S2 地區擦痕截切關係 ..................................................... 75 圖 4.48 內埤海灘露頭................................................................................ 76 圖 4.49 內埤海灘由東向南轉之斷層擦痕................................................ 76 圖 4.50 南方澳 S3 區域斷層滑動模式圖 ................................................. 77 圖 4.51 南方澳古應力空間分布圖。......................................................... 78 圖 4.52 清水溪 MIM 程式反演結果 ......................................................... 81 圖 4.53 清水溪 T-Tecto3.0 程式反演結果 ................................................ 83 圖 4.54 寒溪 MIM 程式反演結果 ............................................................. 85 圖 4.55 寒溪 T-Tecto 反演結果 ................................................................. 87 圖 4.56 南方澳 MIM 應力反演結果 ......................................................... 89 圖 4.57 南方澳 T-Tecto 反演結果 ............................................................. 91 圖 5.1 MIM 與 T-Tecto3.0 反演結果之異同 .............................................. 93 圖 5.2 區域古應力對應圖.......................................................................... 96 圖 5.3 無截切關係獨立應力場對應結果圖.............................................. 97 圖 5.4 清水溪上游現地應力 ASR 應變主軸投影圖 ................................ 99 圖 5.5 雪山山脈與牛鬥地區古應力反演結果圖.................................... 100 圖 5.6 應變張量與古應力結果之比較.................................................... 102 圖 5.7 山脈塌陷常見的模式.................................................................... 104 圖 5.9 板劈理位態分布之比較................................................................ 107 圖 5.10 各期應力場於斷塊內之差異...................................................... 108 圖 5.11 南方澳區域應力場逆時針旋轉 24°之結果 ............................... 109. X.

(12) 表目錄表 2.1 廬山層岩性對照圖........................................................................... 8 表 4.1 清水溪 MIM 反演結果詳細數據 ................................................... 82 表 4.2 寒溪各期應力場的資料參數.......................................................... 86 表 4.2 南方澳各期應力場的資料參數...................................................... 90 表 5.1 各期應力場最小主應力方向........................................................ 108. XI.

(13) 第一章緒論 1.1 動機與研究目的蘭陽平原以南的山麓地區位於脊樑山脈的北緣，此區域在地體構造上相對較為複雜，其東南側有歐亞大陸板塊向東南隱沒至菲律賓海板塊之下形成呂宋-馬尼拉弧溝系統並且向北延伸，在台灣東部產生斜向碰撞，造成上新世晚期以來的蓬萊造山運動，另一方面菲律賓海板塊在台灣東北部隱沒至歐亞板塊下，形成琉球弧溝系統。沖繩海槽為琉球弧溝系統的弧後張裂區域(Letouzey and Kimura,1986；Sibuet et al.,1987)且在 2Ma 時沖繩海槽南部向西延伸至台灣東北部，造成現今蘭陽平原內部的地盤下陷(Liu,1995)，由此可知此區域由早期造山運動的擠壓作用至沖繩海槽的弧後張裂作用，造成現今所發現的地質構造較為複雜的現象。本人對於脊樑山脈北緣的山麓地區由早期以擠壓為主的應力場至現今以拉張為主的應力場(Liu,1995；Huang et al.,2012)的構造演化過程感到相當好奇，由於區域韌性構造的演化已有林啟文(1998)與葉恩肇(1998)等前輩進行了相關的研究與探討，而區域脆性構造之研究有朱傚祖前輩(1990)於牛鬥地區利用地表斷層擦痕對此區域進行古應力與構造上的解釋，然而宜蘭牛鬥區域以東至蘇澳的山麓地區詳細的脆性構造演化尚未有調查與分析工作。為瞭解在脊樑山脈北緣山麓地區的脆性構造演化史，本研究由藉由野外調查不同區域的地質構造及量測地表斷層擦痕，觀察斷層與板劈理及層面之間的關係，記錄露頭與構造之特性，判斷斷層擦痕之截切關係以獲得脆性斷層之先後順序，於室內進行古應力反演。有助明瞭造山擠壓與弧後張裂的交互作用與其地體構造演化的意義，詳細而言希望能瞭解本區域的應力場隨時間的變化以及應力場於空間的分佈，以對造山擠壓與弧後張裂的交互作用有所了解。. 1.

(14) 圖 1.1 台灣板塊聚合與構造框架圖(Teng,1986；Angelier,2001)。紅色方框內為本研究區域，框內的水平斜線範圍為中央山脈，深灰色的為海岸山脈，藍色箭頭為沖繩海槽拉張方向，紅色箭頭為菲律賓海板塊向歐亞大陸板塊聚合方向。. 2.

(15) 1.2 研究區域之位置與交通本論文之研究區域位於台灣東北部蘭陽平原南側的山麓地區(以下簡稱本區)，如圖 1.2，本區於以三星鄉的清水溪、冬山鄉的寒溪與蘇澳鎮的南方澳豆腐岬地區為主要的調查地點。在交通方面，清水溪可由羅東鎮經台 7 丙(三星路)前往長埤湖和大溪區域，抵達清水地熱遊客中心後再向南步行約 2K，可抵達清水溪地區的上游露頭，而沿著泰雅路的道路旁下切溪流即可抵達下游的露頭。寒溪在交通方面，由羅東鎮經台 7 丙左轉梅花路後，直行到底就即可以到達寒溪。前往寒溪上游的露頭則必須向南溯溪步行約 1.5Km，寒溪下游的東側區域行走沿著梅湖路即可到達梅花湖區域，主要露頭分布於梅花湖的周圍。下游的西側區域則沿著進利路與三清路行走，露頭位於道路旁。南方澳在交通方面以南方跨港大橋為主要聯絡道路，途中經豆腐岬海水遊憩區後即可抵達，此外於內埤海灘北側有些許露頭，往南側約 400~500m 有數十米的連續露頭。. 3.

(16) 4. 溪與南方澳地區。. 圖 1.2 蘭陽平原以南山麓之地理位置圖。修改自宜蘭地圖(宜蘭縣政府)，虛線為清水溪、寒.

(17) 第二章前人研究 2.1 區域地質背景本區域的地質調查始於日治時期小笠原美津雄(1933)所繪製的大南澳地質圖(1:100,000)，其主要目的為礦產的探勘，此後陸續有學者進行生物地層研究及相關地質調查(Yen et al.,1956；何春蓀，1975、1982；Suppe et al.,1976；Wang et al.,1979；Lu et al.,1989；孫荔珍，1982；林啟文，1998；葉恩肇，1998；林啟文等，2006、2009)，詳細的地層劃分則始於顏滄波(1960,1970,1973)對中央山脈北部與雪山山脈的相關研究，而後陸續有吳永助(1976)對中央山脈板岩帶的地層劃分及曾長生(1978)繪製的清水、土場地質圖幅(圖 2.1)，較為詳細的地質圖幅為林啟文與林偉雄(1995；2009)繪製的五萬分之一的三星地質圖幅與蘇澳地質圖幅(圖 2.2)以及羅偉(2012)的宜蘭地質圖(圖 2.3)。本區域地層分類上屬於廬山層以及南蘇澳層(曾長生，1978；林啟文與林偉雄，1995；林啟文與高銘健，2009)，由於廬山層與蘇澳層的岩性以板岩或硬頁岩偶夾變質砂岩為主，雖然曾長生在清水地區細分為古魯段、清水湖段與仁澤段，但前二者界線與岩性差異小，在野外無法細分，因此在林啟文與林偉雄(1995)的研究中將其古魯段併入為清水湖段(表 2.1)。此外南蘇澳層的岩性以板岩或千枚岩與變質砂層互層為主，在羅偉(2012)五萬分之一的宜蘭地質圖中，廬山層與南蘇澳層由於岩性上差異小，因此於地質圖並未標示明顯界線。. 5.

(18) 圖 2.1 台灣宜蘭清水地熱地區地質圖。修改自曾長生(1978)，黑色方框代表清水溪的熱徵兆區，地質圖下方為地熱徵兆區內的地層剖面。. 6.

(19) 7. 圖 2.2 三星與蘇澳地質圖幅。修改自林啟文與林偉雄，1995；林啟文與高銘健，2009。.

(20) 圖 2.3 宜蘭地質圖。摘自羅偉(2012)。. 表 2.1 廬山層岩性對照圖. 8.

(21) 2.2 野外構造相關研究根據 Lu et.al.(1989)於蘇澳南方由野外觀察所繪製的路線地質圖(圖 2.4) 提供蘇澳南方地區可能的構造演化的相對順序，其由野外發現到許多剪力構造，主要受到菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊之斜向聚合及沖繩海槽張裂的影響下，在不同時間點形成這些構造並推論出五個變形作用時期: (1)逆衝斷層；(2)褶皺作用，伴隨伸張構造及壓影構造；(3)平移斷層作用；(4)正斷層作用；(5)尖頂褶皺作用，變形作用順序可提供一定參考，然而此區域較小，各別區域上並不一定都記錄到相同構造事件。區域構造上由林啟文(1998)依據牛鬥斷層、古魯斷層、猴漪山斷層將脊樑山脈北緣分為四個斷塊說明台灣東北部板岩帶與片岩帶的構造特性(圖 2.5)，將野外觀察之褶皺、節理、斷層分析與地層分布將台灣東北部由古生代晚期至蓬萊造山運動後的構造史圖 2.6)分為七期變形作用:最早(D1)為片理(S1)發育；D2 為片麻岩入侵片岩，形成捕獲體及偉晶岩脈與輝綠岩脈入侵、D3 為次生葉理發育與褶皺作用的產生；D4 為褶皺後期的壓扁作用，以及形成梵梵溪、四稜、石頭溪、三星山翠峰湖等次斷塊的橫移斷層作用；D5 主要為橫移斷層作用與局部地區次生葉理(S3)的發育，造成牛鬥斷層、古魯斷層、猴漪山斷層、鹿皮溪左移斷層，主要橫移斷層附近發育夾皺劈理；D6 主要為逆衝斷層與倒轉褶皺作用，猴漪山斷層由左移斷層轉為逆衝斷層，主要斷塊內出現倒轉褶皺；D7 為明池、太平山斷塊內的正斷層與倒轉摺皺作用。. 9.

(22) 圖 2.4 蘇澳南方區域路線地質圖，摘自 Lu et.al.(1989)。. 圖 2.5 脊樑山脈北端斷塊分布圖。摘自林啟文(1998)。. 10.

(23) 圖 2.6 台灣東北部之構造史推演(修改自林啟文，1998) 。 11.

(24) 2.3 地表斷層擦痕相關研究 Chu et al.(1990)測量蘭陽平原西南頂點牛鬥附近之地表斷層擦痕，依據反演的結果顯示；牛鬥地區的最大主應力(σ1)主要是西北-東南向的擠壓，最小應力(σ3) 方向呈東北-西南向伸張的情形(圖 2.7)。孫天祥(2014)在清水溪上游依據斷層擦痕之截切關係(圖 2.8)可初步分為 3 期，以相對順序為 m, m+1 與 m+2 期，並進行地表斷層擦痕反演與現地應力之研究。第 m 期的解算結果其最大應力主軸(σ1)集中在東-西向，且最小應變主軸(σ3)集中在南北向，為走向滑移斷層之應力場。第 m+1 期則為最大主應力軸(σ1)集中在西北-東南向。最小應力場(σ3)則位在東北-西南。此應力場的應力比值 (Ф=σ2-σ3/σ1-σ3)較第 m+2 期略大，亦為走向滑移之應力場。第 m+2 期的最大主應力軸幾乎平行地表，且呈東北-西南走向。而最小主應力軸則散落成一大圓分佈。主要是由於該應力場之應力比值(Ф)較小(Ф≒0.1)，σ2、σ3 兩軸容易發生互換的情形，故 σ3 軸會散落在與 σ1 軸垂直的大圓上(圖 2.9)，顯示為逆斷層與走向斷層互換之應力場。該研究亦應用了 T-TECTO 3.0 程式進行分析，其結果為第 m+2 期所受的應力場(圖 2.10)，其最大應力主軸約略平行地表，呈東北-西南方向擠壓，且由右側圖中之莫爾圓顯示其解算出之應力比值(Ф)約略等於 0.1，與 m+2 期相似。第 m+1 期一樣有著極低的應力比值(Ф)，約略等於 0.1。然而擠壓方向已經不同，主要是由西北-東南向擠壓，並往東北-西南向拉張，結果與 m+1 期類似。第 m 期應力場所受的主要擠壓方向為接近水平的東西向擠壓，且往南北向拉張。應力比值的解算結果稍大，約略等於 0.4，結果與 m 期相似。透過 T-TECTO 3.0 解算之結果與 MIM 方法解算結果大致相同，比較不同的是 T-TECTO 3.0 程式可將其各期的斷層擦痕的莫爾圓分別解算出來，但分期方面還是要參考野外截切關係才能分出相對先後順序。. 12.

(25) 圖 2.7 中央山脈地表斷層擦痕反演結果圖。圖中五角、四角與三角星號分別表示最大(σ1)、次大(σ2)與最小(σ3)主應力方向（摘自Chu et al.,1990）。. 13.

(26) 圖 2.8 清水地熱地區具截切關係的斷層擦痕。圖中箭頭方向代表斷層的滑動方向，黃色斷層擦痕截切過紅色箭頭方向的斷層擦痕。(摘自孫天祥，2014). 14.

(27) 圖 2.9 清水溪地熱區 MIM 應力場解算結果圖。左側大園為最大主應力軸之投影圖，右側表示最小主應力軸之投影圖，投影方法為下半球投影。顏色為應力比值 (Ф)。m 代表最早的應力場由下而上分為第 m、m+1、m+2 期。(摘自孫天祥，2014)。. 15.

(28) 圖 2.10 清水溪 T-TECTO 3.0 解算應力場之結果圖。T-TECTO 3.0 應力反演果。圖中可見分為三組應力場，n 表示符合該應力場之樣本數（由多至少排列）。每組應力場解算結果包含左側的下半球投影圖與右側的莫爾圓。下半球投影圖中的正方形由大而小分別代表空間中最大、次大與最小主應力軸。莫爾圓可表示計算結果之應力比值(Ф)。(摘自孫天祥，2014)。. 16.

(29) 2.3 GPS 地表位移量 2.3.1 應變分析應變分析是一種將目標區建立網格並以各網格中心選取搜尋半徑範圍內的測站，使用合理的內插計算應變率，以瞭解區域內的應變趨勢的分析方法(圖 2.11)。由邱詠恬(2008)宜蘭地區應變速率以西北東南向的伸張變形為主，其最大主軸應變率為 0.15-0.2.3μstrain/yr，最小主軸應變率為-2.24-0.65μstrain/yr；最大主軸應變率之最大值出現於蘇澳西北方五公里處，蘇澳地區壓縮應變方向為 100o 到 106o，其最大主軸應變率為 0.18-0.26μstrain/yr，最小主軸應變率介於-0.82 至 -0.45μstrain/yr 之間，平原內部的牛鬥與最東側的蘇澳地區皆為壓縮變形為主的應變環境，牛鬥的壓縮應變方向為 10o 到 167o ，其最大主軸應變率為 0.15-0.55μstrain/yr，最小主軸應變率為-1.04 至-0.24μstrain/yr；。平原內部伸張應變方向，由西向東的變化，由西北東南向往東逐漸轉呈南北走向，故其伸張方向由西向東順時針一共轉 43o。呈現空間中. 17.

(30) 圖 2.11 宜蘭地區應變速率分布圖。黑色向量表壓縮分量，白色向量表伸張分量 (摘自邱詠恬，2008)。. 18.

(31) 2.4 震源機制解透過臺灣寬頻地震網以及中央氣象局地震觀測網所收集到的地震資料並解算震源機制解,可以表示目前大地應力分布的情況。黃信樺（2007）與 Huang.et al.,(2012)將臺灣東北地區現有震央分布情形區分為五組，分別是:(a)沖繩海槽地震序列、(b)宜蘭雙主震地震序列、(c)轉換帶走向斷層系統、(d)碰撞帶斷層系統及(e)琉球海溝隱沒系統，結果如圖 2.12。震源機制的反演結果顯示：(a)沖繩海槽地震序列最大主應力(σ1)為鉛直方向，可能指示此區屬於正斷層的塌陷構造，且最小主應力(σ3)呈西北-東南向，表示沖繩海槽擴張的方向，且有向西南延伸的趨勢。(b)宜蘭雙主震地震序列位於宜蘭平原南端，由初動法解算結果為正斷層，由波形逆推反演法解算結果為左移斷層，兩者皆朝西北-東南向拉張；加上反演結果顯示最大主應力(σ1)與次大主應力(σ2)量值接近，顯示應力場在空間中有發生應力軸互換的現象。(c)轉換帶走向斷層系統同樣受到西北-東南向的拉張，為左移滑動之走向滑動斷層。與(b)區不同的是此處應力較為集中與明顯，應力軸並無在空間中發生互換。(d)碰撞帶斷層系統主要之斷層型態為逆斷層與右移斷層。其綜合解算之應力結果為一西北-東南向的擠壓，足見此區的構造運動是由菲律賓海板塊向西北向擠壓所驅動。(e)琉球海溝隱沒系統的結果顯示此區主要受南北向擠壓的應力。與菲律賓海板塊向北隱沒時造成的擠壓狀況一致。由圖 2.13 可見，臺灣東北地區由南往北，先由西北-東南向的板塊碰撞擠壓，經過轉換帶轉成東北向擠壓-西北向伸張的走向滑移斷層的趨勢，接著最大主應力 σ1 逐漸由水平面轉到垂直地表的方向，形成宜蘭雙主震地震序列的左移滑動；最後 σ1 轉到垂直地表，形成沖繩海槽南端-蘭陽平原的擴張。由 Hsu et al.,（2009）所解算出全台應力場結果顯示（圖 2.14），臺灣東北部隨著中央山脈脊樑山脈由花蓮往宜蘭，應力場由花蓮西南向擠壓的逆斷層趨勢；在過了土場後，至清水一段逐漸轉為東北-西南向擠壓、西北-東南向伸張的走向滑移斷層趨勢；在進入蘭陽平原後才轉為西北向拉張的正斷層趨勢。 19.

(32) 針對應力場與大地構造在脊樑山脈北端由東北-西南向擠壓轉換變成左移滑動的現象，Liang et al.（2005）提出書摺構造（bookshelf structure）的模型來解釋此一現象(圖 2.15)：在呂宋島弧向西北擠壓的同時，中央山脈脊樑山脈北端受到彎折後，沿舊有構造發生層間錯動的左移滑動。. 圖 2.12 臺灣東北部宜蘭地區震源機制解。圖中可見兩條明顯東-西走向之地震密集帶。震源機制解為 1994 年 6 月 5 日（Mw 6.2）、2001 年 6 月 14 日（Mw 5.9）、 2002 年 5 月 15 日（Mw 6.2）、以及 2005 年 3 月 5 日（Mw 5.9）宜蘭雙主震之解算結果。圓圈大小表規模，顏色表深度（摘自黃信樺., 2007）。. 20.

(33) 圖 2.13 台灣東北地區震源機制分布圖（摘自 Huang et.al.,2012）。. 21.

(34) 圖 2.14 臺灣地區震源機制應力反演結果。黑色方型、藍色三角型、與紅色圓形分別代表最大(1)、次大(2)與最小(3)主應力方向（摘自 Hsu et al., 2009）。. 22.

(35) 圖 2.15 臺灣造山帶書摺構造模型示意圖（摘自 Liang et al., 2005）。. 23.

(36) 第三章研究方法本研究利用野外調查獲得的野外露頭資料與斷層擦痕數據，分別透過野外資料分析與繪圖以及應力反演軟體解算以利後續工作。本章節分為野外調查工作與室內工作。野外調查以中視尺度露頭觀察及量測，構造與斷層擦痕之截切關係之判定並且以斷層擦痕量測為主(斷層面與擦痕位態及滑動方向)。室內分析的部分分為資料的整理與利用 MIM 及 T-Tecto3.0 古應力反演程式將斷層擦痕數據分別以截切關係與野外中視露頭進行分類以及分析(圖 3.1)。. 圖 3.1 研究流程圖。. 24.

(37) 3.1 野外工作 3.1.1 野外描述與中視尺度構造繪圖野外工作著重於辨識各中視尺度構造(3 公尺左右的露頭)與斷層擦痕量測以及判別野外露頭與擦痕之截切關係，以期能將野外的中視構造對應分期後的各期應力場。其中野外觀察中視構造之目的在於觀察斷層構造在區域上斷層構造發生的相對順序，斷層是否截切過層面、板劈理、褶皺及其他斷層，透過這些可以了解各區域的構造演化順序並且提供蘭陽平原以南地區構造演化模式，故量取所需的資料，包括:層面、板劈理位態、中視尺度斷層或斷層帶、剪動帶、背斜或向斜、礦脈並以野外素描及相片輔助於室內繪圖。 3.1.2 地表斷層擦痕量測與判別斷層的產生是由於岩體受力後產生破裂，並沿著破裂面位移滑動，因此滑動摩擦所形成的刮痕稱之為斷層擦痕(Slickensides)。一般假設斷層擦痕平行斷層面上的最大剪應力方向 (Wallace and Bott，1959)，我們在斷層面上通常可以發現沿著斷層滑動方向發育的礦物纖維或線理。野外量測斷層擦痕的幾何資料包含斷層面之走向與傾角及斷層面上擦痕之傾伏角或是以趨向與傾沒角來表示(圖 3.2)以及滑動方向。依據斷塊的關係可以將斷層面之上與下的斷塊分為上盤與下盤，上下盤相對位移顯示斷層的滑動，例如正斷層、逆斷層、左移或右移的走向滑移斷層。野外確定斷層的滑動型態有利於後續應力反演與計算，而決定斷層滑動方式為直接觀察斷層面上的特徵 ( Petit, 1987 ) ，有一些特徵可以得到斷塊相對的移動方向，野外觀察較常用利用的是再結晶礦物的鱗片狀 ( recrystallized minerals steps ) 即階狀構造，如圖 3.3，其成因為斷層會因局部阻力的差異或斷層的間歇性運動而形成小台階(圖 3.4)，由於斷層面不規則，形成平滑面與粗糙面，順著 25.

(38) 平滑面之方向為該斷層上盤滑動方向。本研究藉由此特徵輔助判別斷層的滑動方向。野外紀錄斷層擦痕時將具有礦物階與無礦物階的斷層擦痕做紀錄但在後續古應力反演並未分開進行反演，此外由於部分斷層擦痕因風化等影響無法判別其滑動方向，在野外記錄上會與確定滑動方向的數據分開紀錄，由於不確定滑動方向因此不會將這些數據進行應力反演。. 圖 3.2 斷層擦痕量測示意圖。該照片為斷層擦痕，黑色圖形為水平面，野外量測需斷層面之傾向(Strike)與傾角(dip)，傾伏角(Rake)及滑動方向。. 26.

(39) 圖 3.3 礦物階示意圖。由階狀構造的薄到厚指示對面盤的滑動方向，如黑色箭頭代表消失盤之滑動方向。. 27.

(40) 3.1.3 斷層擦痕之截切關係斷層擦痕可能為不同時間所發生的構造事件，因此利用截切關係觀察斷層擦痕發生的先後順序，依此定律老斷層會被新斷層截切覆蓋於其上 (圖 3.5)，本研究透過此定律於野外觀察構造事件發生的先後順序。此外觀察斷層切過或平行層面也有助於分辨該斷層擦痕發生的相對時間，例如:斷層截切過板劈理或褶皺等構造代表該構造事件發生於板劈理或褶皺形成之後，或者與褶皺的層間滑動可能表示同時發生，觀察背斜兩翼是否有層間滑動造成的。. 圖 3.5 截切關係示意圖。紅色箭頭的斷層擦痕為覆蓋在的黑色箭頭的斷層擦痕之上(紅色箭頭的滑動方向不確定)，可由此判斷黑色箭頭的斷層擦痕應早於紅色箭頭的斷層擦痕。. 28.

(41) 3.2 古應力反演 3.2.1 反演原理 a. 假設於 N 組斷層在同一應力場 σ 下產生。令 n 為指向上盤之斷層法向量，則該應力場作用在斷層面上盤的應力為:. ta=σTna. Eq3.1. a=1、2、3…N. Eq3.2. σT 為 σ 的轉置矩陣，因 σ 為一對稱矩陣，所以 σT=σ， ta=σna，因此斷層面上的剪應力為:. Sa=σna-{(na)Tσna}na. Eq3.3. 因剪應力決定滑動方向，所以滑動方向可表示為-Sa，由於-Sa 是理論上的滑動方向，與野外實際觀測的滑動方向可能存有一些誤差角。因此若用∆a 表示兩者間的差距，則可以透過最小誤差角總和 S 的方式來決定應力場 σ。. 𝑆 𝑎 =∑𝑎=1 𝑁 ∆𝑎. Eq3.4. 透過這個方法解算出來的應力橢球可以決定應力場的三軸方向以及該應力場的應力比值(stress. ratio，Φ)。. Φ = (σ2 − σ3)/(σ1 − σ3). Eq3.5. 29.

(42) 3.3.1 多重反演法(Multiple inversion method；MIM) 傳統應力反演多使用直接反演法將所有擦痕數據求出一組解 (Angelier,1994)，然而多重反演法(Yamaji,2001)不同於傳統古應力反演方法，MIM 可以透過設定 K 筆斷層擦痕解算出一組應力橢圓(圖 3.6) ，其中包含三個主應力軸方向與應力比值，並排列組合計算所有可能的應力橢球(Eq3.6)。本研究首先運用 Rake2.fdt.exe 軟件將野外測量之斷層面傾向(Strike)、傾角 (Dip)、傾伏角(Rake)轉換為傾沒方向 (Dip direction)、傾角(Dip)、擦痕的方向角 (Trend)與傾向角(Plunge)。程式中 K 值的設定限制為 3~8(須為整數)，而當 K 值越小，計算結果的不確定性越高，當 K 值設定為 4 或 5 時可以得到比較確定的解，因此本研究設定每 4 筆擦痕資料計算一組應力橢球與應力比值，透過排列組合共可求得所有可能的結果。. NCK. =. 𝑁! Eq3.6. 𝑁!(𝑁−𝐾 )!. MIM 程式將擦痕資料經過排列組合解算最大與最小主應力軸的結果分別繪製於下半球等面積投影圖(圖 3.7)，並將不同的應力比值賦予不一樣的顏色。每一種顏色間的差距代表應力比值相差 0.1，紫色代表應力比值為 0，紅色代表應力比值為 1，資料點尾部的方向指向相對應位置的應力軸，其尾部長度代表相對應力軸位置的傾角 0~90 度。因此透過 σ1 投影圖任一資料點尾部線的方向與長度可標示出相對應的資料點。例如將最大主應力投影圖中一資料點置於最小主應力投影圖的圓心，則該資料點的尾巴會指向相對應的資料點的位置而其尾部長度代表應力軸位置相對應的傾角 (圖 3.7)。 MIM 最特別的地方在於，透過投影圖設定最大與最小主應力軸之位態以及應力比值(色階)，程式會計算斷層面上最大剪應力分布與實際擦痕方向的誤差角度，可由誤差角(Misfit Angles)直方圖檢視符合應力場之擦痕數據，圖 3.8 下方程 30.

(43) 式介面之紅色代表誤差角小於 10 度之數據。本研究為檢視應力場之真實性並確認該數據為同一應力場，設定誤差角，小於 10 度的數據需達到該期所有數據的 3/4，以作為輔助判斷應力場可信度指標(圖 3.8)，此外此副程式亦能將不同誤差角大小之資料點以莫爾圓的方式將各資料點呈現(圖 3.9)。在選定 σ1 與 σ3 應力軸方向與應力比值之後，可以透過平均應力角距(Mean Angular Stress distance)做為檢視該期應力場均質性的指標(圖 3.10)，𝜃̅代表了擦痕資料的離散程度，數值越高，反映離散程度越大(Yamaji,2011)。. θ=. 1 𝑀. [𝜃 (1) + ⋯ + 𝜃 (𝑀) ]，0° ≤ θ ≤ 90°. 31. Eq3.7.

(44) 圖 3.6 應力橢圓示意圖。每 K 組斷層擦痕數據透過 MIM 可得一組最大與最小應力軸方向與應力比值大小。. 圖 3.7 MIM 反演結果範例。左右兩邊分別為 σ1 與 σ3 方位投影圖，色階代表應力比值由 0 到 1，資料點尾部的線為應力軸之方向(Trend)，長度代表傾角的大小。. 32.

(45) 圖 3.8 MIM 程式操作過程之範例。步驟一為排列組合全解算結果之投影圖，步驟二完成後可得設定最大與最小應力軸方向之投影圖與誤差角直條圖並可評估斷層擦痕與假設應力場的符合程度。. 33.

(46) 圖 3.9 MIM 解算結果之莫爾圓分布圖，紅色圓點代表誤差角度在 10 度以內的資料點。. 圖 3.10 平均應力角距示意圖(MASD)，𝜃̅其值越大離散程度越高。. 34.

(47) 3.3.2 MIM 獨立應力場本節說明如何利用 MMI 方法解算獨立應力場，概念如圖 3.11 中，將三個主要區域的擦痕數據分別進行 MIM 應力反演得到各區所有可能的反演結果，由於數據量龐大可能會解算出虛擬應力場，在挑選反演結果中數個應力場後，刪除各應力場間的交集(各應力場間重複使用的數據)，應力場在相互刪除重複數據後若剩餘數據少於 4 組即為虛擬應力場，若大於等於 4 組則為獨立存在的應力場，藉由此方式我們可以得到數個獨立存在的應力場。首先說明挑選獨立應力場之條件:1.設定每 4 筆擦痕解算一組應力橢球與應力比值，2..在分區反演結果的 σ1 與 σ3 應力軸之投影圖中依據資料點的群集與應力比值的異同挑出數個應力場(圖 3.12)，3.挑出誤差角(Misfit Angles)<10°的原始數據(圖 3.13)、4.比較各應力場之間重複之數據，將之挑出刪除，.刪除重複數據後該應力場之數據量若<4 則刪除或視為虛擬的結果(圖 3.14)。詳細而言，將地表斷層擦痕數據，利用 MIM 解算所有應力場結果，在投影圖中選定數個 σ1 與 σ3 以及應力比值(群集)後，對比原始數據，可將數個數據群集分別由原始擦痕數據中拆出，如圖 3.12 的 A 與 B 數據群集，此時各個數據群集代表原始數據中可能存在的數個應力場。檢視解算的數期應力場的原始數據是否有重複之現象。若有，則刪去各應力場之間重複使用之數據，所選的應力場若僅剩 3 組以下擦痕資料者不納入考量，因為 MIM 程式需要 4 個資料才能解算出一組應力橢圓與應力比值，小於 4 組數據的擦痕資料該應力場之可信度很低。使用 Mouse 子程式來檢視各期應力場誤差角<10o 之數據佔該期應力場原始數據比例為多少，本研究以錯位角<10o 數據須佔該期數據量的 75%來作為檢視該期應力場可信度之指標，原因在於誤差角小於 10 度之數據量越多代表符合設定應力軸位態的擦痕數據越多。完成上述步驟後，多種應力比值相互混雜於同一應力場的現象會降低並且消除虛擬應力場出現的可能性，確保應力場是獨立真實 35.

(48) 存在的結果(圖 3.15)，此時對應野外截切關係，再分出符合截切關係與無法分期之應力場，以利後續討論。. 圖 3.11 MIM 獨立應力場挑選概念圖。A、B、C 代表由同一區域的所有數據中所得到的應力場，刪除各應力場的交集後才可得到獨立應力場。. 圖 3.12 資料點群集挑選範例，A 與 B 為藍色(Φ=0.1)及綠色(Φ=0.4 或 0.5)的資料點群集。 36.

(49) 圖 3.13 獨立應力場挑選步驟二，挑出 A 與 B 應力場誤差角<10°之數據。. 37.

(50) 圖 3.14 獨立應力場挑選步驟三，將 A 與 B 應力場重複數據挑出並刪除。. 38.

(51) 圖 3.15 獨立應力場最終結果範例，A 與 B 應力場各刪去重複數據後，經過應力反演與選定最大與最小應力軸及應力比值後，可得獨立應力場之反演結果。. 39.

(52) 3.2.2 T-Tecto 3.0 T-TECTO 3.110 軟體功能相當多元，其主要的功能是利用統計的方式將混合的斷層擦痕資料分離出不同且獨立的應力場(Žalohar & Vrabec, 2007)。詳細而言，將野外蒐集的斷層擦痕資料不經分期，全數輸入程式，透過給定相容角（compatibility angle），程式會自行解算空間的應力場，並將符合同一應力場且數量最多筆的擦痕資料挑選出來，視為獨立的一期，而剩餘的資料，再經過重複的步驟之後，便可進一步分出不同方向的應力場，該程式之相容角設定的越小會拆出越多的應力場，反之相容角越大分出的期數越少。本研究將相容角設定為 30 度(參考孫天祥，2013)，將清水溪、寒溪與蘇澳豆腐岬之擦痕資料分別輸入 T-TECTO 3.程式，將各區資料分成數組可能存在的應力，該軟體優點在於數據可不經人工分期，直接由程式演算多期應力場，但沒有這些應力場時間上的先後關係(圖 3.16)。. 40.

(53) 圖 3.16 T-Tecto 解算結果範例。解算結果為數個分期應力場，包含應力場之伸張方向與擠壓方向，各期的擦痕數據量與應力比值但需透過野外截切關係才能了解各期應力場的先後關係。. 41.

(54) 第四章野外觀察與應力反演結果本章節將分別說明宜蘭平原以南的清水溪、寒溪與豆腐岬等野外露頭之構造特徵、截切關係與古應力反演結果，野外部分著重於闡述各區域的中視尺度構造與斷層擦痕之先後關係，由於平原區附近露頭多受人為破壞與開發之影響出露較少，因此野外發現的中視尺度之露頭主要沿蘭陽平原南側山麓的溪流兩側出露，然而實際有斷層擦痕資料之露頭主要分布於宜蘭三星鄉的清水溪、宜蘭大同鄉的寒溪與南方澳豆腐岬地區與內埤海灘，如圖 4.1 所示。由於南方澳豆腐岬位於海岸地區，因此本研究改為北以豆腐岬，南至內埤海灘，以南北向進行野外露頭之調查與斷層擦痕之量測。室內工作方面利用清水溪、寒溪、南方澳地區所測得之斷層擦痕使用 MIM 與 T-Tecto3.0 進行應力反演，再對比截切關係進行分期，以推估與重建台灣造山運動早期韌性變形之後至現今的構造發育順序與應力場演化。野外工作天數:45 天. 42.

(55) 圖 4.1 野外與斷層擦痕露頭位置分布圖，修繪自三星與蘇澳地質圖幅(林啟文、林偉雄；林啟文與高銘健，1995；2009)，紅色圓點為野外露頭之位置，藍色圓點代表斷層擦痕露頭之位置。 43.

(56) 4.1 清水溪地區依據野外工作的順序可將清水溪(Chinshui river)分為 C1~C3 區域，依序說明野外觀察結果(圖 4.2)。 C1 地區屬清水溪上游，岩性以變質砂岩與硬頁岩或泥岩互層為主，變質砂岩層內有垂直層面發育但並且未切入泥岩或硬頁岩的纖維狀石英脈，其位態約為 060/38oN (圖 4.3)，此地區板岩劈理平均位態為 246/49oN (圖 4.4)。 C1 地區東側有長度約 7~10 米的正斷層露頭，該斷層面呈階梯狀逐漸向北降低(圖 4.5)，其位態約為 078/49oN，藉由截切關係判斷該斷層與岩層的先後順序為斷層面切過板劈理，顯示該正斷層應該發育在褶皺與板劈理形成之後，斷層擦痕的滑動型態以向西南滑動的左移斷層與正斷層為主，此斷層露頭斷層擦痕之截切關係有左移斷層切過正斷層(圖 4.6)、亦有正斷層截切左移斷層的現象(圖 4.7)，因此推測 C1 區主要應力場以這兩種形式的斷層作用交互發生。 C2 地區的岩性以板岩偶夾變質砂岩為主，此外與 C1 地區相比砂岩層厚度變薄，板劈理開始變明顯，板劈理平均位態約為 088/57S，清水溪天然溫泉之西側野外露頭可見中視尺度之 Z 型(圖 4.8)與 M 型寄生褶皺(圖 4.9)，由截切關係判斷層作用主要發生於板劈理形成之後，此區斷層擦痕形式包含向南與向西滑動的正斷層、向南滑動的左移斷層與向北滑動的右移斷層擦痕，截切關係為正斷層先發生後為右移斷層擦痕，較特別的是該擦痕滑動型式是由正轉為右移斷層，推測判斷這兩個應力場可能是一個連續的斷層事件(圖 4.10)。在 C1 與 C2 區域之間發現層面及次生葉理傾向在大約 2km 的範圍由向北傾變為向南傾(圖 4.11)，推測此變化可能與此地區的向斜構造有關，C2 西側清水溪支流大溪區域露頭(圖 4.12)之斷層擦痕滑動型式有向西滑動左移斷層(圖 4.13)與向西北或東北滑動的正斷層(圖 4.14)。 C3 區域位於清水溪下游，露頭分布於清水溪下游東側山麓的長埤湖與西側的泰雅路(圖 4.15)等地區，岩性以板岩為主，板劈理平均位態介於 085/45oS ，斷 44.

(57) 層作用主要發生於板劈理之後，斷層擦痕以向西滑動之正斷層(圖 4.16)與走向滑移斷層擦痕為主，此區域無截切關係可判斷先後順序。 C1~C3 區域各露頭之應力場隨空間分布的結果示於圖 4.17，共有 X1~X7 之露頭具有古應力反演結果，其中 X1 與 X2 應力場較接近地質圖中一複向斜軸， X1 之最大主應力較為鉛質，顯示較為受到後期構造擾動較少，X2 之走向滑移應力場由三軸方向未呈水平也未成鉛質可知此應力場可能屬於較早發生的應力場且受到後其構造作用導致三軸可能有偏轉，X3 為走向滑移斷層，位於清水湖段與仁澤段之交界，最大與最小應力軸大致呈現水平， X4 為正斷層、X5 為走向滑移斷層與 X6 正斷層與 X7 正斷層，X4~X7 之三軸位態較可看出鉛質與水平之應力軸，顯示這些露頭之所記錄之擦痕較未受到其他構造之影響。清水溪地區野外結果初步彙整結果如下: 1.由野外露頭的截切關係所示清水溪地區的斷層作用主要都切過褶皺與次生葉理(板劈理)。 2.透過量測 C1 與 C2 區域之寄生褶皺及板劈理得知褶皺伸向大致向北且板劈理之平均位態為 084o/50oS，以現今地理座標而言，可大概推測形成褶皺與次生葉理的應力來源大致來自南北向，但不確定是否有受到後期塊體旋轉的影響。 3. 依據截切關係清水溪地區斷層發育如下，假設 X 為此區域最早發生的脆性構造事件則 X+1 期為向西南滑動的正斷層作用、X+2 期為左移斷層與右移斷層，由於兩期斷層擦痕有相互截切的現象，推測這兩種應力場反覆出現於清水溪地區，此外 X+3 期為擦痕滑動方向東南向的正斷層作用 (詳細反演結果將會呈現於 4.5 節)。. 45.

(58) 圖 4.2 清水溪調查露頭位置圖，修繪自三星地質圖幅(林啟文與林偉雄，1995)由野外工作順序可區分為 C1、C2、C3。Lsj 為廬山層仁澤段、 Lsc 與 Lscs 為廬山層清水湖段 Kk 為乾溝層。 46.

(59) 圖 4.3 清水溪 C1 區垂直變質砂岩層面之石英脈。黑色虛線代表變質砂岩層面。. 圖 4.4 清水溪分區之砂岩層面與板劈理位態極點分布圖，C1、C2、C3 分別為清水溪上游至下游區域 C1、C2、C3 的砂岩層位態或板劈理位態。大圓右下方之 n 代表該區層面或板劈理位態之擦量數目。. 47.

(60) 圖 4.5 清水溪 C1 區域正斷層野外相片。如圖紅色虛線為斷層面，星形為斷層擦痕測得位置，箭頭為該斷層之滑動方向，左上大園為此露頭所量測的所有斷層擦痕，弧線代表斷層面位態，箭頭代表擦痕滑動方向。. 圖 4.6 清水溪 C1 區域斷層擦痕之截切關係圖。此斷層面為一弧面，可區分出左移斷層擦痕覆蓋於正斷層擦痕之上。. 48.

(61) 圖 4.7 清水溪 C1 區域之斷層擦痕之截切關係。箭頭代表該期擦痕之滑動方向，藍色箭頭為正斷層截切黑色箭頭之右移斷層。. 圖 4.8 清水溪 C2 區域之 Z 型褶皺。虛線為變質砂岩褶曲之輔助線。. 49.

(62) 圖 4.9 清水溪 C2 區域之 M 型寄生褶皺。虛線為判斷 M 型褶皺之依據。. 圖 4.10 清水溪 C2 地區正斷層轉為右移斷層照片。藍色虛線為正斷層擦痕轉為黑色虛線右移斷層擦痕。. 50.

(63) 圖 4.11 清水溪 C1 與 C2 區域層面傾向差異照片。藍色虛線為層面傾向，C1 區域之層面向北傾，C2 區域之層面向南傾。. 51.

(64) 圖 4.12 清水溪 C2 區域西側大溪左移斷層露頭。紅色箭頭為斷層滑動方向。. 圖 4.13 清水溪 C2 大溪地區斷層擦痕照片。由擦痕的階狀構造判該斷層的消失盤滑動方向向 N。. 52.

(65) 圖 4.14 大溪地區正斷層擦痕照片。鉛筆筆頭為斷層擦痕之滑動方向。. 圖 4.15 清水溪下游泰雅路露頭。圖中黑色方框為擦痕發現位置，黑色箭頭為斷層擦痕滑動方向，左上投影圖為此露頭的斷層擦痕，弧線代表斷層面位態，箭頭代表擦痕滑動方向。. 53.

(66) 圖 4.16 泰雅路下游正斷層擦痕照片。箭頭為擦痕滑動方向。. 54.

(67) 55. 圖 4.17 清水溪區域應力場空間分布圖。箭頭指示該應力場之地理位置。.

(68) 4.2 寒溪地區本節依據野外工作的順序將寒溪分為 H1~H5 區域並描述野外觀察結果(圖 4.18)。寒溪流域包括寒溪主流及西側的出水溪及東側的打狗溪支流，依據三星地質圖幅(林啟文與林偉雄，1995)所示寒溪主要構造線以古魯斷層為主，該斷層方向約為北北東-南南西，滑動型式為左移斷層並大致平行寒溪。H1、H2 與 H3 區域之露頭分布於寒溪流域上游，H4 地區之露頭分布於產業道路，H5 地區之露頭分布於冬山鄉梅花湖周圍及附近產業道路。寒溪 H1~H2 區域的岩性以板岩與變質砂岩層互層為主，砂岩層平均位態為 088/37oS (圖 4.19)，H1 區域位於出水溪地區，中視構造露頭較少。 H2 區域發現變質砂岩之斷層上盤，斷層破碎帶約 1 公尺(圖 4.20)，斷層面上有兩期不同型式的斷層擦痕，截切關係顯示正斷層擦痕被走向滑移斷層截切 (圖 4.21)，這兩期的滑動方向皆向東，該露頭之斷層模式見於圖 4.22。H2 東側有發現切過變質砂岩與板岩互層之正斷層，該斷層面傾向向南，斷層型式由石英脈被錯開的方向判斷，該上盤滑動方向向下(圖 4.23)，在 H2 地區亦有發現斷層面位態 103/55°S 之正斷層被走向滑移斷層截切(圖 4.24)，但該走向滑移斷層無法判定是左移或右移。 H3 的岩性以板岩偶夾變質砂岩為主，砂岩層位態為 115/28°S，在 H3 東側可發現中視尺度之向斜被逆斷層切過(圖 4.25)，但於該逆斷層周圍未發現擦痕。 H3 東側露頭亦發現正斷層(上盤滑動方向向南)與西滑動方向向北的右移斷層為主(圖 4.26)，在往北約 0.8 公里處有一褶皺為左移斷層所截切(圖 4.27)，該露頭之斷層擦痕有向東滑動的左移斷層與向西滑動的右移斷層，但擦痕之間沒有截切關係(圖 4.28)。在 H3 西側岩性主要為板岩與砂岩互層，在一厚層變質砂岩層露頭之層間(圖 4.29)有向東滑動的右移斷層擦痕(圖 4.30)。H3 西側古魯橋往北約一公里的褶皺露頭為逆斷層所切過(圖 4.31)，此露頭有平行褶皺兩翼的走向滑移斷層擦痕但數據量極少，其餘包括左移與右移等低角度的斷層擦痕。. 56.

(69) H4 與 H5 區域屬於寒溪下游，H4 與 H5 地區露頭岩性以板岩為主，板劈理平均位態為 083/36oS，此二區域僅於少數露頭發現斷層擦痕但數據量不超過 10 組(圖 4.32)，且半數由於風化嚴重難以判別擦痕之滑動方向(圖 4.33)。寒溪地區 H1~H5 區域各露頭的古應力場於空間分布結果示於圖 4.34，共有 Y1~Y7 之露頭具有古應力反演結果，其中 Y1 與 Y2 應力場較接近地質圖中一複向斜軸之北側，此區域以 Y2 應力場先發生，後發生 Y1 之應力場，這兩個應力之最大主應力軸略為偏轉可能受到後其構造的干擾，Y3 為走向滑移斷層應力場、 Y4 為正斷層應力場、Y5 為逆斷層應力場，Y6 與 Y7 皆為正斷層應力場。. 寒溪地區初步彙整結果如下: 1. 寒溪地區的斷層擦痕主要發現於(1)板岩與變質砂岩層間滑動、(2)褶皺兩翼與 (3)切過板岩層或板岩與砂岩互層的斷面等。 2. 截切關係決定的斷層先後順序為: 第一期為上盤西南向滑動的正斷層，第二期是上盤方向東滑動的正斷層，第三期右移斷層與少數左移斷層。 3. 林啟文(1995)所繪製的古魯斷層可由寒溪東西兩側露頭之變質砂岩層與板岩層無法對比，判斷可能有一斷層沿著寒溪切過，然而於野外露頭未發現平行古魯斷層方向之斷層擦痕。. 57.

(70) 圖 4.18 寒溪露頭位置圖。修繪自三星地質圖幅 (林啟文與林偉雄，1995)，由野外工作順序可區分為 C1、C2、C3。Lsj 為廬山層仁澤段、 Lsc 與 Lscs 為廬山層清水湖段。 58.

(71) 圖 4.19 寒溪地區岩層面與板劈理位態極點投影圖。投影圖右下方之 n 代表該區層面或板劈理位態之擦量數目。. 圖 4.20 寒溪 H2 區域正斷層露頭。紅色虛線為斷層，星形為斷層擦痕位置，右上角投影圖為此露頭所有擦痕的投影圖，箭頭為滑動方向。. 59.

(72) 圖 4.21 寒溪 H2 地區截切關係。黑色箭頭為正斷層，藍色箭頭為截切正斷層之右移斷層(消失岩體相對向東滑動)，右下為擦痕之投影圖。. 圖 4.22 寒溪 H2 區域斷層模式圖。箭頭為滑動方向，虛線代表消失的斷塊。. 60.

(73) 圖 4.23 寒溪 H1 地區切過板岩層之正斷層露頭。虛線為斷層線，箭頭為斷層滑動方向。. 圖 4.24 褶皺軸逆斷層所切過。箭頭為斷層滑動方向。. 61.

(74) 圖 4.25 寒溪 H3 地區截切關係。藍色箭頭代表該第三期走向斷層擦痕之滑動方向，紅色箭頭代表第一期之正斷層滑動方向。. 62.

(75) 圖 4.26 中視褶皺後被左移斷層截切照片。紅色箭頭為擦痕滑動方向，右上角為此露頭所有擦痕之投影圖，大圓為斷層面，黑色箭頭為擦痕滑動方向，黑色虛線指示砂岩層彎曲之趨勢。. 圖 4.27 寒溪 H3 區域切過中視褶皺之右移斷層擦痕。藍線為擦痕滑動方向。 63.

(76) 圖 4.28 變質砂岩層間滑動照片。星形為擦痕發現處，虛線為斷層面，左上角為此露頭所有擦痕之投影圖，大圓為斷層面，黑色箭頭為擦痕滑動方向。。. 圖 4.29 寒溪 H3 區域變質砂岩層間的右移斷層擦痕。藍色箭頭為斷層滑動方向。 64.

(77) 圖 4.30 寒溪 H3 區域褶皺露頭。紅色虛線為斷層線，紅色箭頭為斷層滑動方向，右上角為此露頭所有擦痕之投影圖，黑色箭頭為擦痕滑動方向。. 圖 4.31 褶皺層間斷層擦痕。紅色箭頭為擦痕滑動方向，黑色虛線方框為擦痕位置。 65.

(78) 圖 4.32 寒溪下游之斷層面位態投影圖。. 圖 4.33 寒溪 H4 區域斷層擦痕照片。難以判別該擦痕之滑動方向。 66.

(79) 67. 圖 4.34 寒溪區域古應力場之空間分布圖。箭頭指示該應力場之地理位置。.

(80) 4.3 南方澳地區本節將依據野外工作的順序將南方澳分為 S1~S3 區域(圖 4.35)並敘述野外構造與斷層擦痕的截切關係。 S1 區域位於豆腐岬海水浴場的北側岩體相當接近蘇澳地質圖幅中一背斜軸，由該岩體之板岩與薄層變質砂岩褶曲的趨勢，推測可能為背斜軸的南翼(圖 4.36)，該岩體板劈理位態大致以北偏東，南傾 30 度為主，於此背斜軸南側露頭之斷層切過板劈理，且多以向東南滑動之右移斷層(圖 4.37)與滑動方向向南的正斷層為主(圖 4.38)，S1 露頭上亦有切過寄生褶皺與板劈理形成之後的向西剪動的高角度雁型排列 (圖 4.39)。 S2 區域包括部分無法量測之露頭(圖 4.40)與豆腐岬東南側海岬凹處地區 (圖 4.41)，後續說明以豆腐岬東南側海岬凹處代表 S2 地區，此區域的構造較為複雜，區域內之斷層擦痕共可分出三期，露頭上之斷層面皆切過寄生褶皺與板劈理，S2 區域凹處兩側皆有發現斷層擦痕，北側露頭(圖 4.42)可發現較明顯之斷層擦痕，主要以向東滑動的右移斷層(圖 4.43)與向東滑動的正斷層為主(圖 4.44)，南側的凹面亦以向西滑動正斷層擦痕為主要發現(圖 4.45)，此外南側露頭近海處可發現有一明顯上盤向東滑移的正斷層(圖 4.46)，該斷層面大致為東西，斷層面之為態為 010/ 60oW 上發現兩期正斷層擦痕，較早的正斷層滑動方向向北，較晚的正斷層滑動方向向南（圖 4.47)。 S3 區域包括豆腐岬地區之南側與內埤海灘西側之露頭(圖 4.48)，此區域之斷層切過寄生褶皺與次生葉理，並可觀測到擦痕滑動方向由向東滑動之正斷層轉為向南滑動的走向滑移斷層(圖 4.49)，此露頭之構造模式如圖 4.50。南方澳地區 S1~S3 區域各露頭的古應力場於空間分布結果示於圖 4.51。 S1~S3 區域各露頭之應力場隨空間分布的結果示於圖 4.51，共有 Z1~X4 之露頭具有古應力反演結果，其中 Z1 為正斷層應力場較接近地質圖中一背斜軸之南翼， Z2 為走向滑移斷層應力場，Z3 為正斷層應力場，先後順序為 Z1、Z3、Z2，Z4 68.

(81) 與 Z5 為正斷層應力場，此區域各露頭之間距離沒有清水溪與寒溪有上下游的分佈關係，區域各露頭之應力場皆有呈鉛質的主應力軸，顯示較為受到後期構造擾動較少。南方澳地區初步彙整結果如下: 1.主要斷層作用皆發生於寄生褶皺與次生葉理形成之後。 2.在 S1 露頭向南滑動的正斷層是最早期的構造，可以由高角度向西剪動的正斷層雁型排列得知，因此認為上盤滑動方向西南的正斷層應力場應該是最早期的斷層事件。 3.透過擦痕的截切關係可知南方澳區域之第一期斷層事件為向西南滑動之正斷層，第二期為向東滑動右移斷層作用、第三期為斷層上盤滑動方向向西北的正斷層作用。. 圖 4.35 南方澳野外露頭分區圖。修改自蘇澳地質圖(林啟文與高銘健，2009)，黑色方框內為野外露頭主要分布地區，藍色圓圈為野外實際測得斷層擦痕之位置，紅色為野外露頭之位置，a 代表沖積層，Sa 代表蘇澳層。 69.

(82) 圖 4.36 豆腐岬公園北側之背斜軸。該岩體位於蘇澳地質圖中一背斜軸。. 圖 4.37 切過板岩層右移擦痕照片。箭頭為該擦痕之滑動方向，為右移擦痕。 70.

(83) 圖 4.38 南方澳 S1 區背斜軸南翼露頭，星形為擦痕位置，左上大園為此露頭斷層嵾痕之投影圖。. 圖 4.39 板劈理形成後的正斷層雁型排列。箭頭為該雁型排列之應力剪動方向，右下為該區域之雁型排列於此區的平均位態。 71.

(84) 圖 4.40 南方澳早期正斷層構造，曲線為斷層面，紅色箭頭為斷層錯動方向. 圖 4.41 南方澳 S2。地區豆腐岬東南側海岬野外露頭。. 72.

(85) 圖 4.42 南方澳 S2 區域豆腐岬北側的斷層面。箭頭代表斷層擦痕滑動方向，星形為擦痕位置。. 圖 4.43 南方澳 S2 地區右移斷層。箭頭為擦痕滑動方向。 73.

(86) 圖 4.44 南方澳北側露頭斷層擦痕。黑色箭頭為第二期右移斷層擦痕之滑動方向，藍色箭頭為第三期正斷層擦痕之滑動方向。. 圖 4.45 南方澳 S2 區域南側露頭正斷層擦痕。筆頭擦痕滑動方向。 74.

(87) 圖 4.46 南方澳 S2 區域正斷層構造。虛線為斷層線，箭頭滑動方向，星形為擦痕位置。. 圖 4.47 南方澳 S2 地區擦痕截切關係。藍色箭頭為最晚期的正斷層應力場，紅色箭頭為早期的正斷層。 75.

(88) 圖 4.48 內埤海灘露頭，黑色方框內為內埤海灘北側之露頭。. 圖 4.49 內埤海灘由東向南轉之斷層擦痕，紅色箭頭為斷層的滑動方向。 76.

(89) 圖 4.50 南方澳 S3 區域斷層滑動模式圖，箭頭為上盤滑動方向，紅色虛線為斷層擦痕。. 77.

(90) 78. 圖 4.51 南方澳古應力空間分布圖。箭頭代表該區域之露頭。.

(91) 4.4 古應力反演結果本節利用清水溪地區、寒溪地區與豆腐岬地區之斷層擦痕進行古應力反演並依據截切關係做分期，應力反演以 MIM 為主，T-Tecto 為輔，其中 MIM 應力反演法分別解算清水溪、寒溪與南方澳所有的地表斷層擦痕數據已獲得三個主要區域各期獨立應力場，包括符合截切關係可分期之應力場與無法分期之應力場，無法分期的應力場將後續再做討論，而 T-Tecto 反演程式的使用主要原因在於野外資料可分期之數據量不多，因此魚給定相容角之下可以得到不同期之應力場，再將各期應力場對比原始數據，可區分出可分期之應力場與無法分期之應力場， MIM 與 T-Tecto3.0 這兩種方法的分析結果能使我們了解兩種應力反演程式所得應力場之差別，更可以使我們了解蘭陽平原以南山麓地區脆性構造的演化史並有利後續討論。 4.4.1 清水溪古應力反演結果清水溪地區共測得斷層擦痕 101 筆，然而符合野外截切關係的數據不多，利用 MIM 程式挑選獨立存在的應力場，挑選後剩餘 76 筆資料，在挑選過程中刪除了 17 筆擦痕資料，有 8 筆擦痕資料是挑選中未選到的，而符合野外分期的數據僅有 37 筆，無法分期的應力場的筆數為 24 筆，此外可利用程式所提供的 MASD 參數來檢視各期應力場之離散程度(MIM 各期應力場詳細資料見於表 4.1)。 T-Tecto3.0 軟體反演結果符合截切關係之擦痕數據為 77 筆，無法得知先後順序應力場共 24 筆，透過野外擦痕截切關係可將 MIM 與 T-Tecto 反演結果分為三期，假設 X 為清水溪地區最早期的應力事件，則 X+1 、X+2 與 X+3 分別代表清水溪區域第一期、第二期、第三期的古應力事件，此外 MIM 無法區分先後之應力場為兩期，T-Tecto 無法區分先後之應力場為五期，無法區分先後之應力場暫且不做討論。清水溪地區之古應力分期結果如圖 4.52 圖中: X+1 期為東北-西南向拉張之 79.

(92) 正斷層應力場，X+2 期為東北-西南向拉張，西北-東南向擠壓之左移斷層應力場， X+3 期為西北-東南向拉張之正斷層應力場，其中由野外發現顯示正斷層擦痕與左移及右移斷層擦痕相互截切，可推測 X+1 期正斷層應力場與 X+2 期走向滑移應力場於清水溪上游反覆出現。此外 T-Tecto 的古應力反演結果(圖 4.53)三軸方向與 MIM 結果大致相同，唯有應力比值不盡相同，例如 MIM 反演結果的第一期應力比值為 0.2 與 T-Tecto 反演結果的第一期應力比值為 0.4。. 80.

(93) 圖 4.52 清水溪 MIM 程式反演結果。右側為 σ1 與 σ3 之應力投影圖，色階代表應力比值，紅色圓圈為 σ1 與 σ3 之位置星形為 σ3、三角形為 σ1 左側投影圖為各獨立應力場之擦痕資料與位態。. 81.

(94) σ1. σ3. Φ. MASD. n/N. 刪除數據. X+1. 276/70.5. 26.3/6.9. 0.1. 10.397. 11/101. 3. X+2. 281.2/22.5. 189.8/3.3. 0.5. 17.798. 11/101. 5. X+3. 156.2/70.5 308.6/17.4. 0.3. 14.429. 15/101. 4. X+?. 279.4/35.0. 36.8/33.9. 0.4. 11.223. 20/101. 3. X+?. 43.0/10.6. 307.8/26.1. 0.4. 18.740. 19/101. 2. 表 4.1 清水溪 MIM 反演結果詳細數據。σ1 與 σ3 代表最大與最小主應力軸，Φ 代表應力比值(σ2-σ3/σ1-σ3)，MASD 為平均應力角距，代表資料離散程度，其值越高則該期數據之離散程度越大，n 代表該期應力場數據量，N 代表清水溪全部數據量。. 82.

(95) 圖 4.53 清水溪 T-Tecto3.0 程式反演結果。投影圖外的黑色箭頭代表該應力場的擠壓或拉張方向，投影圖內的箭頭代表擦痕的滑動方向，投影圖內的大、中、小正方形分別代表最大主應力軸、次大主應力軸、最小主應力軸，Φ 代表應力比值。. 83.