花蓮和平溪下游變質花崗岩之脆韌性與脆性構造研究與其地質意義
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(2) 誌謝 時光悄悄的流逝，很快地隨著口試與論文的完成，碩士的兩年生涯將在今年 的盛夏畫上完美的句點。非常感謝這一路走來有很多的貴人與朋友的幫助，才有 今日的成果。 首先感謝我老闆-葉恩肇老師讓我加入您的研究室，使我能在這個大家庭學 習成長，這兩年的碩士生涯中，您總是不厭其煩的教導我、幫助我，在我迷惘時， 適時的拉我一把，並在您的訓練中更能學會如何獨立思考問題與解決，您的鼓勵 激勵了我，讓我更有自信與專注的放在我論文研究上，很幸運我有這麼好的指導 老師，未來我會繼續努力，謹記您的教誨繼續向前邁進。 感謝財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所的林蔚老師、林鎮國博士與 謝佩珊博士提供我很好的研究材料，並且對於研究上的諸多幫忙，也感謝淞洋學 長，對於研究上的協助與照顧，老是麻煩您，真的由衷感謝，另外感謝朱傚祖老 師在口試時的指教與寶貴的建議，感謝焦中輝老師的建議與對研究拘謹的態度。 謝謝師大研究室的成員:方義學長、偉誠學長、東晉學長、啟舜學長、致柔 學姊、筱君學姊、亞彤、子恩、穎蓉、育愷、致緯、承哲、傳立、炳權、蕙君及 傑笙，有你們的陪伴，使我能順利的完成學業。感謝豆漿、米漿、傳立、鈺龍、 彥良在土城岩心庫半年的日子，陪伴我一同進行岩心描述，使我遠離自閉症與躁 鬱症。也謝謝雅筑、立恆兩位工讀生，幫我彙整岩心紙本龐大的資料。特別感謝 致柔學姊、筱君學姊在論文上給予諸多的幫助與精神上的扶持。感謝詠恬學姊在 行政與論文上的協助，承蒙你的照顧，謝謝您。謝謝熬夜的加班團，已分不清白 天與黑夜、日出與日落差別的筱君學姊與啟舜學長，擁有一起努力的鬥志真的很 棒。 最後，感謝我的家人對我的栽培與付出，你們辛苦了！更感謝佳豫在背後默 默的扶持與包容，使我能專心的在論文研究上面，謝謝妳！未來我們一起努力 吧！！ I.
(3) 中文摘要 依目前的地體架構而言，台灣島主要由於歐亞板塊與菲律賓海板塊斜向碰撞 而造就今日的主體，並使台灣脊樑山脈呈現東北-西南走向，但大南澳變質雜岩 的構造骨幹於脊樑山脈北段有從東北向轉折至東西向的現象，且由於隱沒反轉， 使得造成台灣北部受到沖繩海槽的弧後擴張作用。和平溪正位於歐亞板塊與菲律 賓海板塊的隱沒反轉帶，使和平溪中下游目前處於北部脊樑山脈構造骨幹旋轉的 軸心區域，可能同時受到造山擠壓與弧後張裂作用之影響，為一個研究應力轉換 的適當區域。為了重建此地區地質構造與應力演化史，除了於花蓮和平溪中下游 的變質花崗岩與大理岩地區進行野外調查，也進行 600 公尺變質花崗岩岩芯描述， 針對區域葉理面發育後的脆韌性構造與脆性構造進行研究與分期。詳細而言，野 外調查著重於地質構造之量測與截切關係之判定，進而推演應力演化模式。整合 野外與岩心資料，進行構造分期與應力反演，進而推演構造應力演化模型。 研究結果顯示本地區構造先後順序為:(1)區域葉理與早期石英礦脈；(2)假玄 武玻璃；(3)壓扁構造；(4)急折帶；(5)斷層擦痕；(6)開口導水裂隙與方解石脈。 並且在上述構造中藉由古應力分析結果指示，其應力場順序為:(1)北偏東 83o 擠 壓之逆斷層應力場(區域葉理)；(2)北偏東 51o 拉張之正斷層應力場(假玄武玻璃)； (3)南北向擠壓之走向滑移斷層應力場(急折帶)；(4)南偏西 67o 擠壓之走向滑移斷 層應力場；(5)北偏西 84o 拉張之正斷層應力場；(6)於開口填充裂隙中之北偏東 69o 拉張之正斷層應力場。 彙整上述成果，本研究探討各期構造於花蓮和平地區地體構造演化的可能地 質意義:區域葉理應力場反映歐亞板塊與菲律賓海板塊斜向碰撞時期的應力場； 假玄武玻璃和壓扁構造可能代表同造山時期之陷落構造的證據；急折帶構造可能 為沖繩海槽擴張的證據，並認為沖繩海槽擴張為主要的應力來源，但水平擠壓方 向為東南-西北向，並無法排除斜向碰撞的可能性；而之後轉變為拉張性環境之 正斷層機制。 II.
(4) 關鍵字:脆韌性構造、脆性構造、岩心描述、和平溪、假玄武玻璃、花蓮。. III.
(5) Abstract According to tectonic setting, the NE-trending Taiwan island is the consequence of oblique collision between the Eurasian Plate and the Philippine Sea Plate. Because the subduction flip between two plates results in the southward propagation of Okinawa Trough, the northeastern Taiwan is also influenced by the back-arc extension of the Okinawa Trough. In the northeastern Taiwan, the structural grain of the northern Backbone Range changes from northeast to east-west. Downstream area of the Hoping River, Hualien is located at the rotation axis of structural grain and also is located above the transition zone of subduction flip. As a result, the downstream area of the Hoping River is great place to study the stress interactions between mountain building and back-arc extension. To reconstruct regional structures and stress evolution, beside field investigation on the meta-granite and marble, 600m core examination of meta-granite is also carried out and focused on the study of brittle-ductile and ductile structures after the foliation development. In details, field work emphases on measuring structure attitudes and identifying cross-cutting relationships and furthermore placing constraints on stress evolution model. Study of core examination compensates the lack of outcrops The sequence of structure development associated with stress field in the region is identified as: (1) regional foliation and early quartz veins in reverse faulting stress regime with SE-NW compression; (2) pseudotachylyte in normal faulting stress regime; (3) flattened structure; (4) kink in strike-slip faulting stress regime with N-S compression; (5) fault slip in strike-slip faulting stress regime with SE-NW compression;(6) open filling fluid conduits and calcite veins in normal faulting stress regime with NE-SW extension. Synthesizing the structure characteristics associated with stress field, tectonic IV.
(6) meanings of each structure in terms of structural evolution in the Hoping region, Hualien is interpreted. The stress field of regional foliation is reflective of oblique compression between Eurasian and the Philippine Sea Plates. Pseudotachylite and flattening structure may represent evidence of syn-tectonic extension. SE-NW compression inferred from kink band may correspond to the back-arc extension of Okinawa Trough but the compression of oblique collision still can not be ruled out. NE-SW extensional environment of normal faulting stress regime is appeared.. Keywords: Brittle-Ductile Structure, Brittle Structure, Core Observation, Hoping River, Pseudotachylyte, Hualien.. V.
(7) 目錄 誌謝................................................................................................................................ I 中文摘要....................................................................................................................... II Abstract ........................................................................................................................IV 目錄..............................................................................................................................VI 圖目錄....................................................................................................................... VIII 表目錄........................................................................................................................ XII 第一章 緒論................................................................................................................ 1 1.1. 研究動機與目的........................................................................................... 1. 1.2. 研究位置與交通........................................................................................... 3. 1.3. 地質背景....................................................................................................... 4. 1.4. 前人研究....................................................................................................... 7. 第二章 研究方法...................................................................................................... 11 2.1. 野外調查工作............................................................................................. 12. 2.2. 岩心描述工作............................................................................................. 14. 2.3. 2.2.1. 岩心參考線的方向校正.................................................................. 15. 2.2.2. 岩心構造位態的量測方法.............................................................. 19. 2.2.3. 岩心脆性構造的分類與定義.......................................................... 22. 古應力反演................................................................................................. 23 2.3.1. 原理.................................................................................................. 23. 2.3.2. 資料來源.......................................................................................... 24. 2.3.3. 程式運算.......................................................................................... 24. 第三章 野外調查結果.............................................................................................. 27 3.1. 葉理面......................................................................................................... 27. 3.2. 假玄武玻璃................................................................................................. 30 VI.
(8) 3.3. 急折帶......................................................................................................... 35. 3.5. 擦痕............................................................................................................. 40. 第四章 岩心描述結果.............................................................................................. 43 4.1. 葉理面......................................................................................................... 44. 4.2. 似假玄武玻璃............................................................................................. 46. 4.3. 壓扁構造..................................................................................................... 50. 4.4. 急折帶......................................................................................................... 51. 4.5. 礦脈............................................................................................................. 56. 4.6. 斷層擦痕..................................................................................................... 61. 4.7. 填充開口裂隙............................................................................................. 67. 4.8. 非填充裂隙................................................................................................. 72. 第五章 討論.............................................................................................................. 75 5.1. 填充開口裂隙與現地應力之關聯性......................................................... 75. 5.2. 導水裂隙與急折帶的關聯性..................................................................... 80. 5.3. 應力演化模式之推演................................................................................. 85. 5.4. 假玄武玻璃滑動機制的探討..................................................................... 88. 5.5. 震源機制於花蓮和平地區應力場之意義................................................. 89. 5.5. 和平之地體構造演化................................................................................. 95. 第六章 結論.............................................................................................................. 98 參考文獻.................................................................................................................... 100 附錄一 口試委員提問與答覆................................................................................ 105. VII.
(9) 圖目錄 圖 1.1、台灣東北地區區域應力反演簡圖 ........................................................... 2 圖 1.2、台灣地體架構 ........................................................................................... 5 圖 1.3、台灣片麻岩體出露分布 ........................................................................... 5 圖 1.4、和平溪至太魯閣地區區域地質圖 ........................................................... 6 圖 1.5、台灣東部和平地區地質剖面圖 ............................................................... 9 圖 1.6、假玄武玻璃分布位置與應力分析結果 ................................................... 9 圖 1.7、非彈性三軸應變方向投影圖 ................................................................. 10 圖 1.8、非彈性主應變方向投影圖 ..................................................................... 10 圖 2.1、研究流程圖 ............................................................................................. 11 圖 2.2、野外工作照片 ......................................................................................... 13 圖 2.3、野外調查區域地質圖 ............................................................................. 13 圖 2.4、HCBH01 孔位及鄰近岩體構造關係圖 ................................................. 14 圖 2.5、光學孔內影像圖 ..................................................................................... 16 圖 2.6、孔內攝影影像之變質花崗岩葉理位態與法線投影圖 ......................... 17 圖 2.7、孔內攝影影像之葉理位態深度分布 ..................................................... 17 圖 2.8、葉理傾向校正 ......................................................................................... 18 圖 2.9、岩心紅藍線繪製圖 ................................................................................. 20 圖 2.10、構造傾向角量測圖 ............................................................................... 20 圖 2.11、傾角量測示意圖 ................................................................................... 21 圖 2.12、線理量測概念圖 ................................................................................... 21 圖 2.13、脆性構造分類流程圖 ........................................................................... 22 圖 2.14、安德森斷層理論模型 ........................................................................... 23 圖 2.15、T-TECTO3.0 功能介面......................................................................... 25 圖 2.16、T-TECTO3.0 應力反演結果................................................................. 26 VIII.
(10) 圖 3.1、變質花崗岩露頭 ..................................................................................... 28 圖 3.2、岩性交界帶之葉理位態投影圖 ............................................................. 28 圖 3.3、伸張線理照片 ......................................................................................... 29 圖 3.4、葉理應力反演 ......................................................................................... 29 圖 3.5、假玄武玻璃之灌注礦脈 ......................................................................... 31 圖 3.6、正斷層滑動之照片 ................................................................................. 31 圖 3.7、構造滑動面之照片 ................................................................................. 32 圖 3.8、假玄武玻璃三軸應力反演結果 ............................................................. 32 圖 3.9、假玄武玻璃岩石剖面特性 ..................................................................... 32 圖 3.10、壓扁構造 ............................................................................................... 34 圖 3.11、假玄武玻璃與急折帶截切關係圖 ....................................................... 35 圖 3.12、急折帶密集分佈相片 ........................................................................... 36 圖 3.13、急折帶野外產狀特徵照片 ................................................................... 36 圖 3.14、共軛急折帶 ........................................................................................... 37 圖 3.15、急折帶應力場之推估 ........................................................................... 37 圖 3.16、急折帶填充綠泥石礦物 ....................................................................... 38 圖 3.17、右剪急折帶與雁型綠泥石礦脈 ........................................................... 39 圖 3.18、野外大理岩之連續轉折擦痕 ............................................................... 40 圖 3.19、野外大理岩之斷層 ............................................................................... 41 圖 3.20、大理岩斷層擦痕應力反演結果 ........................................................... 42 圖 4.1、構造截切關係圖 ..................................................................................... 43 圖 4.2、岩心葉理產狀 ......................................................................................... 44 圖 4.3、早期石英脈受區域葉理變形之照片 ..................................................... 45 圖 4.4、疑似假玄武玻璃的岩心產狀 ................................................................. 47 圖 4.5、岩心似假玄武玻璃產狀 ......................................................................... 47 圖 4.6、井下似假玄武玻璃位態與深度分析圖 ................................................. 48 IX.
(11) 圖 4.7、岩心似假玄武玻璃位態赤平投影圖 ..................................................... 49 圖 4.8、岩心似假玄武玻璃應力反演結果 ......................................................... 49 圖 4.9、壓扁構造照片 ......................................................................................... 50 圖 4.10、急折帶岩心相片 ................................................................................... 52 圖 4.11、急折帶錯動之相片 ............................................................................... 52 圖 4.12、急折帶填充綠泥石礦脈之相片 ........................................................... 53 圖 4.13、急折帶剪動判讀 ................................................................................... 53 圖 4.14、雁型構造 ............................................................................................... 54 圖 4.15、急折帶脆性破裂相片 ........................................................................... 54 圖 4.16、岩心急折帶位態與深度分析圖 ........................................................... 55 圖 4.17、石英礦脈相片 ....................................................................................... 56 圖 4.18、方解石礦脈相片 ................................................................................... 57 圖 4.19、填充綠泥石與石英之礦脈相片 ........................................................... 57 圖 4.20、礦脈位態蝌蚪圖 ................................................................................... 58 圖 4.21、礦脈密度統計圖 ................................................................................... 59 圖 4.22、礦脈位態傾向統計圖 ........................................................................... 60 圖 4.23、擦痕剪動方向判別照片 ....................................................................... 62 圖 4.24、斷層擦痕蝌蚪圖 ................................................................................... 63 圖 4.25、斷層種類密度分布圖 ........................................................................... 64 圖 4.26、斷層傾向統計圖 ................................................................................... 65 圖 4.27、岩心斷層擦痕應力反演結果 ............................................................... 66 圖 4.28、填充開口裂隙之方解石填充 ............................................................... 68 圖 4.29、填充開口裂隙照片 ............................................................................... 68 圖 4.30、填充開口裂隙分析圖 ........................................................................... 69 圖 4.31、填充開口裂隙擦痕應力反演結果 ....................................................... 70 圖 4.32、填充礦物相片 ....................................................................................... 70 X.
(12) 圖 4.33、含石英單晶的填充開口裂隙之位態投影圖 ....................................... 71 圖 4.34、非導水裂隙分析圖 ............................................................................... 73 圖 5.1、導水裂隙應力比較圖 ............................................................................. 77 圖 5.2、導水裂隙之擴張趨勢與滑動趨勢分析圖 ............................................. 78 圖 5.3、殘存熱液礦脈之照片 ............................................................................. 81 圖 5.4、葉理面受韌性剪切折曲之照片 ............................................................. 81 圖 5.5、急折帶之擴張趨勢與滑動趨勢分析圖 ................................................. 82 圖 5.6、急折帶裂面填充礦物照片 ..................................................................... 83 圖 5.7、急折帶發育產生一系列脆性破裂 ......................................................... 83 圖 5.8、急折帶引發脆性破裂之擴張趨勢與滑動趨勢分析圖 ......................... 83 圖 5.9、應力演化趨勢圖 ..................................................................................... 86 圖 5.10、綠泥石熱液礦脈伴生正長石礦物共生 ............................................... 87 圖 5.11、急折帶礦脈之 X 光繞射圖 .................................................................. 87 圖 5.12、地震網震央分布圖 ............................................................................... 91 圖 5.13、工研院地震站之震源機制解結果 ....................................................... 92 圖 5.14、台灣東北部運動學模型 ....................................................................... 93 圖 5.15、急折帶之成因示意圖 ........................................................................... 94 圖 5.16、次生褶皺褶曲假玄武玻璃之照片 ....................................................... 96 圖 5.17、地體構造模型 ....................................................................................... 97. XI.
(13) 表目錄 表 5.1、三軸應力方向與數值 ............................................................................. 79. XII.
(14) 第一章. 緒論. 1.1 研究動機與目的 台灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊碰撞交界帶(Chai, 1972；Biq, 1972；Bowin et al., 1978)，且台灣東北部地區又受沖繩海槽擴張之影響(Lee and Wang, 1988； Teng, 1990)，使地體構造演化更趨複雜。依現今台灣地體架構而言，由於此兩板 塊斜向碰撞造成台灣主要山脈大致呈現東北-西南方向，但根據前人研究顯示脊 樑山脈北段已由東北-西南向轉折至東西向，而花蓮縣和平鄉和平溪中下游地區 正好位於此山脈轉折帶下緣的軸心區域。近年 Huang et al. (2012)利用震源機制的 應力結果顯示，和平地區以北的區域為正斷層拉張環境之應力場，以南則為逆斷 層擠壓環境之應力場 (圖 1.1)，其結果顯示和平地區應力場處於過渡轉換帶，因 此若能了解和平地區之地質構造演化序列，將能釐清此兩板塊之碰撞造山與沖繩 海槽弧後張裂之交互作用，對於台灣東北部地區的地體構造演化是相當重要的議 題。 過去有許多學者進行此地區的構造研究，如韌性變形探討(焦中輝，1991； 賴宛均，2013)、假玄武玻璃之研究(Chu et al., 2012)與現地應力分析(葉恩肇等人， 2012；李偉誠，2015)等相關研究，但在此區域的脆韌性構造尚未有詳細調查， 也尚未有人提出脆性構造的特性與演化史，因此本研究將針對區域葉理發育後之 構造進行地質調查與岩心描述，其目的有：(1)利用截切分析，確認地質構造的 演育順序、(2)利用古應力分析，進一步討論各期構造的三軸應力方向，來重建 此地區的演化過程。. 1.
(15) 圖 1.1、台灣東北地區區域應力反演簡圖。在赤平投影圖中黑色方框表示最大主 應力方向(σ1)、紅色三角形表示次大主應力方向(σ2)與藍色圓形則為最小主應 力方向(σ3)，圖中色帶則代表地震帶之分佈，並依拉張、走滑與擠壓等不同應 力類型分成藍、綠與橘等顏色 (Huang et al., 2012) 。. 2.
(16) 1.2 研究位置與交通 本研究區位於台灣東北部之和平溪流域(早年稱為大濁水溪)，此河流下游處 為宜蘭縣與花蓮縣天然分界的地理指標，該河流由西向東流動最後於花蓮縣秀林 鄉和平村注入太平洋。研究區域主要為台灣電力公司碧海發電廠以下的和平溪流 域，從電廠沿著河谷向下游約 4 公里長的河谷範圍，屬於一個中小尺度的研究區 域。 此區域因山脈高聳與不易到達之因素，致使野外調查主要依循和平溪流域進 行野外觀察與量測工作，其岩性以變質花崗岩為主，兩側圍岩則為大理岩。 本研究區主要交通可自行開車從宜蘭經由台九線(蘇花公路)南下出澳花隧 道之後，往澳花村的方向下切河床便道(砂石場河床便道)到達研究區域，或經由 台灣電力公司碧海發電廠之聯絡道路(大濁水林道)，於砂石場便道下切河床亦可 到達研究區域。 本研究所使用之岩心，現今隸屬於財團法人工業技術研究院綠能與環境研究 所之資產，目前岩心存放於新北市土城區的土城岩心庫內，此口鑽井為整口取芯， 保存岩心為 0~603.33 公尺。交通方式可自行開車由土城交流道下，行經中央路 三段往鶯歌方向，並於大暖路左轉繼續行經此路段往王鼎時間科藝體驗館方向行 駛，並至王鼎時間科藝體驗館另一側道路左轉即可到達土城岩心庫。. 3.
(17) 1.3 地質背景 台灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的斜向碰撞帶上，由許多前人研究可以瞭 解，菲律賓海板塊於台灣東北部向北沒入歐亞板塊之下，於台灣東南部歐亞板塊 向東沒入菲律賓海板塊之下，相對歐亞板塊之上的澎湖白沙站觀測站，菲律賓海 板塊之上的蘭嶼觀測站以每年約 8.2 公分的速率朝西北方推進(Yu et al., 1997)， 因而呂宋島弧隨著菲律賓海板塊向西北移動並擠壓碰撞大陸邊緣形成台灣島(圖 1.2) (Angellier, 1986；鄧屬予，2002；2007)。根據大地構造相關研究顯示(Teng and Lin, 2004；鄧屬予，2007 )，中央山脈北段近百萬年來主要受到張裂構造影響， 未來可能造成山脈坍塌等現象。 花蓮和平地區位於歐亞板塊與菲律濱海板塊斜向碰撞轉折帶上方，之後受沖 繩海槽擴張的影響，使得本研究區從擠壓碰撞帶轉變為碰撞轉折的過渡帶。在地 層與大南澳片岩岩性命名方面，最早是由小笠原美津雄(1933)與 Yen(1954)所創 建，小笠原美津雄(1933)利用不同出露岩石特性，分成正片麻岩、石英片岩、石 墨片岩、綠泥片岩等等四種岩性，而這些岩層總稱「大南澳統」 ，Yen(1954)將台 灣東部五個片麻岩體加以命名，本研究區以大濁水片麻岩體為主(圖 1.3)。Yen (1960)依變質前可能的原岩將此區出露之岩層分成太魯閣層與開南崗層，開南崗 層又包含了源頭山片麻岩與飯包尖山片麻岩體。 林啟文與林偉雄(1995)對此區域分層與重新命名，除了沿用 Yen(1960)所命 名的源頭山片麻岩與飯包尖山片麻岩體外，並另外提出三個新的地層名稱，分別 為「武塔片岩」、「南澳嶺片岩」與「楓樹山角閃岩」。 以和平地區而言，焦中輝(1991)完成此地區兩萬五千分之一的地質圖之繪製 與地質剖面圖，其地層單位採用王執明(Wang, 1988)之分層，將本研究區出露之 岩層分為九曲層、長春層、天祥層、與開南崗層等四個單位。羅偉等人(2012)也 曾在和平地區進行調查並出版和平圖幅草圖(圖 1.4)。. 4.
(18) 圖 1.2、台灣地體架構(鄧屬予，2007)。. 圖 1.3、台灣片麻岩體出露分布。Yen (1954)將台灣東部五個片麻岩體加以命名， 本研究區以大濁水片麻岩體為主。. 5.
(19) 圖 1.4、和平溪至太魯閣地區區域地質圖(羅偉等人，2012)。. 6.
(20) 1.4 前人研究 台灣脊樑山脈岩性種類多樣，地體構造複雜，且本研究區位於歐亞板塊與菲 律賓海板塊斜向碰撞轉折帶之上方，近年來有許多學者對於和平區域進行各類的 研究，其研究成果簡述如下: 在韌性變形方面，焦中輝(1991)重建此地區韌性變形之歷史，並且完成此地 區兩萬五千分之一的地質剖面圖與地質圖之繪製。在野外調查中，作者發現主葉 理面位態由東向西成扇狀分布(圖 1.5)，即在中央山脈東翼的葉理向西傾斜，而 西翼的葉理則向東傾斜，並認為此變化是漸變的。李元希(1997)在中橫與南橫公 路的研究中亦報導葉理成扇狀的漸變變化是中央山脈東翼普遍之現象。焦中輝進 一步將本區韌性變形事件分為 D1 與 D2 兩期，D1 期為弧陸早碰撞期，形成東北 東走向主葉理與近水平伸張線理、向西北伸向之褶皺及韌性剪動帶；D2 期為弧 陸主要碰撞期，將 D1 所形成之構造依順時針方向旋轉由東北東轉為東西向，且 形成向東南伸向之褶皺與背衝斷層。焦中輝認為可以用增積楔形體之構造演化模 式加以合理解釋兩期的變化結果。之後盧建成(1992)利用動力變質岩石學之方法 探討和平地區壓力-溫度路徑演化，當時一般學者相信蓬萊運動只造成綠色變質 相的形成，其溫壓分別為攝氏 300-475 度與 2-2.5 千粑，而盧建成在研究中提出 蓬萊運動早期可到達角閃岩相的變質作用，其溫壓分別為攝氏 500-570 度與 7-8.5 千粑，並依據石榴子石所導出之溫壓條件，顯示和平地區出露之糜嶺岩帶發生於 增積楔形體底部約 20 公里深度，由於蓬萊運動的擠壓造成西向褶皺向東反轉才 發生糜嶺岩化作用，而其研究結果與詹瑜璋(1990)針對和仁至三棧地區之韌性剪 力構造研究之演化結果相符。賴宛均(2013)透過野外調查針對葉理位態與岩體接 觸關係進行研究，並利用薄片下微構造的剪動方向、石榴子石與角閃石生成狀態 與構造的先後順序等，進行構造分期與推測其演化史，其分期結果主要可分為 D1-板塊碰撞擠壓時期、D2-增積楔狀體過程導致板塊抬升、D3-使岩體產生同斜 構造等三期，導致最後岩體為朝西北伸向的向斜。. 7.
(21) 朱傚祖等(Chu et al., 2012)在和平地區發現假玄武玻璃，此構造是斷層岩的一 種，其成因主要為斷層面的快速滑動使母岩產生部分熔融，但因來不及冷卻結晶， 使此滑動面形成隱晶質岩石，朱傚祖等並解算假玄武玻璃之運動方向與應力方向 (圖 1.6)。 黃信樺(Huang et al., 2012)利用震源機制反演結果顯示，花蓮以南地區為西北 -東南的碰撞擠壓之逆斷層應力場、而蘭陽平原主要受沖繩海槽的影響，其震源 機制為西北-東南向的拉張之正斷層應力場；另一方面震源機制結果顯示，本研 究區為走向滑移斷層與逆斷層應力場之過渡帶，致使應力場界面模糊，因此本研 究認為須將此區域地質構造詳加調查並討論。 葉恩肇等人(2012)與李偉誠(2015)利用岩心釋放應力產生的非彈性回復法 (Anelastic Strain Recovery)評估現地應力場方向(圖 1.7 與圖 1.8)，其結果與和平地 區震源機制評估的應力場方向有所不同，推測其差異可能 ASR 量測深度為淺層 資料，而震源機制的深度至少在 5km 以下，因此使得兩種不同方法求得的應力 場方向有所差異。 綜觀上述前人研究，在韌性變形研究方面，花蓮和平地區已有非常多前輩進 行鑽研與探討，並將韌性構造進行重建與推演構造演化歷史，也有非常多學者致 力於岩性分布之研究，而近年來也有人著手於現今應力場的分析。但此處的脆韌 性至脆性構造尚未有詳細的地質調查與構造分期，同時也尚未有人提出脆性構造 的特性研究，因此本研究希望能補足韌性到脆性事件之構造研究，獲取各期構造 之三維應力場方向與特性，重建構造演化史，進一步探討其地體構造演化之意 義。. 8.
(22) 圖 1.5、台灣東部和平地區地質剖面圖(焦中輝，1991）。(a)增積楔狀體之實驗模 型與(b)和平地區地質構造模式。. 圖 1.6、假玄武玻璃分布位置與應力分析結果(摘自 Chu et al., 2012)。. 9.
(23) 圖 1.7、非彈性三軸應變方向投影圖(葉恩肇等人，2012)。. 圖 1.8、非彈性主應變方向投影圖。箭頭方向為水平最大拉張方向(李偉誠，2015)。. 10.
(24) 第二章. 研究方法. 本研究主要分成野外調查及岩心描述兩部分，並分別記錄各期構造的位態與 特徵，並進一步將各期構造進行應力反演，最終將兩種工作的結果進行統合分析， 建構地體演化之模式。研究流程如圖 2.1 所示。. 文獻資料收集. 岩心描述. 野外調查. 定向校正 構造量測. 彙整與分析. T-Tecto (應力反演). 結果與討論. 結論. 圖 2.1、研究流程圖。. 11.
(25) 2.1 野外調查工作 本研究野外調查的對象為糜嶺岩化後之地質構造，即為變質花崗岩經韌性變 形與區域葉理發育後的地質構造，包括脆韌性至脆性構造。野外調查工作主要沿 著和平溪(大濁水溪)溪畔，由台電碧海發電廠往下游進行地毯式的調查與量測(圖 2.2)，涵蓋的露頭包含了出露於和平溪流域的變質花崗岩，以及於上下交界處之 大理岩(圖 2.3)，其詳細工作內容，如下列所示：(1)辨認葉理發育後的不同構造， 進行位態量測與構造特性紀錄，並且探討其成因。(2)判讀各期構造截切關係， 並且進一步建構和平地區構造演化模型。. 12.
(26) 圖 2.2、野外工作照片。斷層擦痕數據量測工作。. 圖 2.3、野外調查區域地質圖。黑色方框為研究區域，研究範圍之岩性為變質花 崗岩(改繪羅偉，2012)。. 13.
(27) 2.2 岩心描述工作 本研究使用的岩心為財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所之地質鑽 探岩心，孔口位於和平村八達崗隧道西口附近之林務局所屬和平事業區第 7 林班 地，二度分帶座標(TWD67)為 E317843.7，N2692928.6(單位為公尺)，該井鑽孔 為垂直孔鑽探，此井孔徑為 96mm 並鑽取 HQ 尺寸(63mm)之岩心，鑽進深度為 603.35 公尺，其岩性以花崗岩及花崗片麻岩為主，花崗岩為岩體的原岩，片麻狀 構造可能是岩體因在地殼深部受到韌性剪切帶活動之影響，即受糜嶺岩化作用而 形成花崗片麻岩。本井場區域之和平岩體，約呈東北-西南向分布於和平溪兩側， 岩體寬度約可達 3 公里，延伸深度至少達 2 公里以上(圖 2.4)，其與圍岩大理岩 呈構造接觸。. 地表地質圖. 空中磁力異常圖. A A’ A A’. 和平 和平岩體 A. 大地電磁測勘－地電阻剖面圖 大理岩. A. A’. 大理岩. 2000 m. 開南崗岩體. HCBH01鑽井. 花崗岩. A’. 花崗岩. 井位評選區域. 地下構造解析剖面. 圖 2.4、HCBH01 孔位及鄰近岩體構造關係圖(TCP-SNFD-101Report，2012)。. 14.
(28) 岩心參考線的方向校正. 2.2.1. 訂定一套岩心座標系統，主要目的在於岩心描述時，有時無法立即得知真實 位態方向，因此必須建立一套系統性的岩心構造位態量測方法，待日後得到真實 層理或葉理位態時，可將其他構造位態校正至地理座標系統。 進行岩心描述時，必須借助岩心上現有的構造面當作基準點將岩心定向，如 沉積岩的層理或變質岩的葉理面等區域上位態一致的原生或次生葉理面可以當 作基準將岩心定向。但有時未必有良好的基準控制點可使用，如花崗岩原始流動 構造或火成岩體之產狀，此時就必須借助岩心上的局部構造，如礦脈、侵入岩體 或特殊構造等當作基準面用來進行岩心定向。同時借助電測孔內攝影影像得知岩 心上層理、葉理或局部構造於地理座標的真實位態後，進行基準點的校正工作， 將岩心構造回歸到地理座標之位態。 財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所在此井進行一系列井下電測施 測與分析，本研究則利用其孔內攝影影像進行岩心定向工作。因孔內攝影影像施 測時已取得探棒地理座標之方位，所以得到的影像亦為地理座標方位之資料，本 研究則利用此影像進行葉理位態之解釋，其方法是利用正弦曲線來擬合影像上的 葉理面以獲得葉理面位態(圖 2.5)。赤平投影顯示葉理面位態分布的非常一致(圖 2.6)，為了使校正資料精細，本研究於每一公尺至少進行一筆葉理面位態的解釋， 以真實反映井下葉理位態之分布。由於當初孔內影像施測時，只進行深度 60~511 公尺的區段(圖 2.7)，並且受到地下水或泥漿混濁的影響，造成部分影像不清晰， 使得有些區段無法進行葉理面之判識，造成這些區間沒有葉理位態可以進行岩心 校正資料，因此本研究利用 Matlab 程式，以移動視窗計算視窗內的資料平均值 與標準偏差，其視窗大小為 60 公尺、且移動間距為 5 公尺。舉例來說，以深度 60~120 公尺為一個視窗，計算平均值與標準偏差後，向下移動 5 公尺，此時視 窗移動到 65~125 公尺，以此類推，則可獲得葉理傾向隨深度之變化。初步顯示 此井岩心之葉理傾向隨深度的增加，由正北方轉為北 24o 西(圖 2.8)。進一步以自 行撰寫的 Matlab 程式搜尋各個構造深度鄰近之葉理面傾向，以內插方式取得該 15.
(29) 深度的葉理面傾向並將岩心定向，如此可獲得各個構造於地理座標系統之位態。. 圖 2.5、光學孔內影像圖。利用正弦曲線來擬合井下葉理位態，X 軸:地理方位、 Y 軸:井下深度。. 16.
(30) 圖 2.6、孔內攝影影像之變質花崗岩葉理位態與法線投影圖。. 圖 2.7、孔內攝影影像之葉理位態深度分布。. 17.
(31) Structure Logging data. 圖 2.8、葉理傾向校正。. 18.
(32) 岩心構造位態的量測方法. 2.2.2. 此孔岩心之鑽進深度為 0~603.35 公尺。因 0~36 公尺之淺部區段為沖積物或 風化崩解嚴重，為顧及岩心描述之準確信與可信度，於風化嚴重之區段，不列入 岩心描述之範圍，故本研究針對 36~603.35 公尺岩心進行詳細的岩心描述。詳細 的岩心量測步驟如下： (1)在岩心描述時，須假定一基準線，當作日後岩心定向使用。此口岩心的 葉理非常發達，可以利用葉理傾向當基準線。實際操作時，於岩心上畫製紅藍參 考線，藍線所在位置為葉理傾向(down dip)底點處，並且將此線定義為岩心上方 向角為 0 的位置(圖 2.9)。至於紅線為一條輔佐線，由藍線在左，且紅線在右， 岩心上方於頂部之方式，定義岩心上下方向。 (2)完成紅藍線繪製後，可以利用自製弧形板量測各種構造傾向(dip direction) 方位。利用藍線當作基準線(葉理傾向位置)找尋待量構造傾向位置方向，以自製 弧形板量測構造傾向與藍線的相對夾角 (圖 2.10)，本研究夾角量測為逆時針旋 轉，取得相對位置之資料，待日後得知葉理位態時，可利用夾角回推構造的真實 傾向方向與其走向。 (3)使用量角器量測構造傾角。利用量角器直接量測水平放置的岩心構造與 岩心軸的夾角，此時得到的角度為地理傾角的互補角(圖 2.11)，此可以計算得到 真實傾角。 (4)若為脆性破裂面，須仔細觀察斷面是否有斷層擦痕，若有則必須對線理 進行量測，以取得傾伏角(Rake)資訊與滑動方向等(圖 2.12)，有助於日後應力反 演之資料使用。 (5) 於構造的傾向與傾角量測之後，本研究也詳細的觀察與紀錄構造的特 性，使描述資料完善且齊全，如構造截切關係的判別、是否填充礦物與填充的種 類、裂隙為開口裂隙或閉合裂隙的判讀等。. 19.
(33) 圖 2.9、岩心紅藍線繪製圖。利用發達葉理之傾向，當作岩心基準位置，藍色線 條則為葉理傾向頂點位置，紅線為輔佐線，可以確定岩心上下的空間位置關係。. 圖 2.10、構造傾向角量(Dip Direction)測圖。利用葉理傾向當作基準點(藍線位置)， 量測各個構造傾向與藍線參考線之相對夾角。. 20.
(34) 圖 2.11、傾角量測示意圖。利用量角器直接量測平躺的岩心上之構造與岩心軸面 夾角，測得之角度為傾角之互補角，因此進一步可計算出傾角角度。. 圖 2.12、線理量測概念圖。傾伏角(Rake)為斷層面之走向與滑動線理之夾角，在 岩心描述時可利用量角器量測此數值。. 21.
(35) 岩心脆性構造的分類與定義. 2.2.3. 本小節將詳細定義本研究所使用的脆性構造分類法，以利於讀者了解本研究 的分類方式，避免搞混與誤解。 本研究的分類法如圖 2.13 所示，首先依裂面是否有滑動可分成斷層擦痕 (fault)與裂隙(fracture)。於裂隙方面，又可依照裂隙是否有填充礦物分成無填充 (no-filling)與填充(filling)兩種。在填充礦物裂隙，又可依礦物填充的特性，分為 開口(open)填充裂隙與閉合(close)填充裂隙。詳細特徵上，開口填充裂隙在本研 究定義為礦物填充於此裂面，但並未填滿，且有孔隙與通道可讓流體通過，則可 進一步解釋為現今的導水裂隙或現今流體可流通之管道(current fluld conduit) ， 而閉合填充裂隙則是裂隙被礦物填滿的構造，推測曾有礦物沉澱，當時為導水裂 隙，但已被填滿，無法讓流體通過，並且無法確定何時填滿，其構造即為礦脈(vein)。 而另一類無填充(no-filling)裂隙，相對於填充礦脈裂隙而言，並無礦物沉澱過， 因此本研究對此分類通稱為非導水裂隙。上述的分類命名會在第四章做更詳細的 探討與解釋。. 圖 2.13、脆性構造分類流程圖。. 22.
(36) 2.3 古應力反演 本研究主要利用 T-Tecto 軟體進行古應力反演之工作，主要針對各期斷層擦 痕資料進行三軸應力之分析，詳細內容如以下章節所示: 原理. 2.3.1. 根據安德森斷層理論(Anderson, 1951)，斷層可依破壞的模式分為三種型態 (圖 2.14)，分別為正斷層、逆斷層與走向滑移斷層，三種斷層主要是由應力分布 的不同而有所區別，簡單來說把應力簡化為三維立體空間概念，可以分成鉛直應 力(Sv)、水平最大主應力(SHmax)與水平最小主應力(Shmin)，三應力軸互為 90O， 當鉛直應力為最大主應力時，此時為正斷層應力場;鉛直應力為最小主應力時， 為逆斷層應力場;當鉛直應力為次大主應力時，即水平為最大主應力與最小主應 力，為走向滑移斷層應力場。. S h<S v<S H σ2. S h<S H<Sv σ1. S v< S h< S H σ3. σ3. σ3. σ1. (a). σ2. σ1. σ2 (b). (c). 圖 2.14、安德森斷層理論模型。由左至右分別為正斷層、走向滑移斷層、逆斷層 應力場模型圖。. 23.
(37) 資料來源. 2.3.2. 本研究利用野外調查與岩心描述之斷層擦痕資料進行應力反演，並記錄斷層 擦痕截切關係來判別發生先後順序。野外資料來源主要從碧海發電廠沿著和平溪 流域往下游沿線量測斷層擦痕資料，目前野外取得擦痕資料多為大理岩的滑動， 變質花崗岩露頭並無明顯擦痕之特徵。在岩心描述方面，變質花崗岩中觀察到大 量擦痕資料，但並無截切之證據。 程式運算. 2.3.3. T-TECTO3.0 是一個多功能的應力解算軟體(圖 2.15)，其中有一項功能是利 用斷層擦痕資料進行斷層面解，反演各期應力場(Žalohar & Vrabec，2007)。此軟 體的特點在於，將野外、岩心等無法做截切關係分期的資料全數丟入此軟體中， 在給定相容角(combatibility angle)之後，此軟體會計算並搜尋應力場解算結果， 將符合的資料視為同一期應力場的產物，並優先將資料筆數最多的同一期資料移 出，將剩餘資料反覆此動作，直到資料全數分析完畢(圖 2.16)。 此軟體恰巧符合本研究之需求，解決擦痕無法分期的問題，但此軟體分期結 果並無先後順序，只能表示此些應力場曾經發生。. 24.
(38) 圖 2.15、T-TECTO3.0 功能介面。. 25.
(39) N. N. n=3. n=20. RF. NF N. n=5. RF 圖 2.16、T-TECTO3.0 應力反演結果。此例子有三組應力場，n 代表符合同一應 力場之筆數，投影圖中最大方框為最大主應力，最小方框為最小主應力，因此判 別鉛直應力之規模，可得知斷層應力場型式。. 26.
(40) 第三章. 野外調查結果. 野外調查結果顯示本研究區主要出露岩性為變質花崗岩，兩側圍岩主要以大 理岩為主，偶夾綠色片岩。同時前人調查結果顯示本研究區位於大濁水麻岩體(顏 滄波，1954)。整個區域皆分布在大南澳雜岩帶中的太魯閣帶，在葉理發育之後 的構造有假玄武玻璃、急折帶、礦脈、擦痕等後期構造。經野外截切關係辨認後， 其構造發育的順序為：(一)區域葉理(二)假玄武玻璃(三)壓扁構造(四)急折帶(五) 脆性斷層。各期構造特性由下列說明:. 3.1 葉理面 本研究區主要原岩為花崗岩，經糜嶺岩化作用，造就現今的變質花崗岩產狀。 其糜嶺岩化作用約發生於 4.1Ma~3.0Ma 之間(Wang et al., 1998)。經野外調查顯示， 本區變質花崗岩越靠近上界大理岩接觸帶時，其糜嶺岩構造越發達(圖 3.1)，反 之，在核心區域，大致還保留花崗岩原始流動構造，說明了越靠近花崗岩中心糜 嶺岩化作用的強度越低。此地區岩層葉理面大致為北偏西傾沒，但在研究區上界 與大理岩交界處的露頭，其葉理面位態卻有別於整體區域之方向(圖 3.2)，推測 可能受後期應力所影響，並無法代表此區域主要葉理發育之應力場。焦中輝(1991) 將伸張線理(圖 3.3)當作葉理韌性變形時之滑動方向，並配合韌性剪動指標，探 討韌性變形演化史，本研究也將葉理視為韌性剪切面，而將伸張線理視為韌性擦 痕，進行運動機制反演，其結果顯示為逆斷層機制場(圖 3.4)。. 27.
(41) 圖 3.1、變質花崗岩露頭。此為研究區上界的岩性接觸帶，下盤為糜嶺岩化之變 質花崗岩，上盤為大理岩，其界面為斷層接觸。. N. n=12 圖 3.2、岩性交界帶之葉理位態投影圖。此葉理位態並不符合研究區整體葉理位 態之方向，可能受後期應力擾動所影響。. 28.
(42) 圖 3.3、伸張線理照片。鉛筆指示著韌性滑動的方向。. N. σ1=83/23 σ2=183/22 σ3=312/57 Φ=0.4 n=14 圖 3.4、葉理應力反演。利用伸張線理當作葉理韌性變形時之滑動方向，並配合 韌性剪動指標，進行應力之反演，結果為逆斷層應力場(RF)。. 29.
(43) 3.2 假玄武玻璃 假玄武玻璃(Pseudotachylyte)之名詞最早由 Shand(1916)首先提出，當時用來 描述南非 Parijs 地區之隕石坑內所造成的一種構造，產狀為黑色、隱晶質、玻璃 狀似岩脈岩石，特徵類似於火成岩中的玻璃玄武岩質岩石，故由此定義名詞，而 在構造成因上，許多學者認為假玄武玻璃為斷層岩的一種，可作為孕震帶內地震 發生時產生高速滑動的指標證據，並且已廣受科學家所接受 (Francis,1972； Sibson,1975；Passchier,1982；Lin et al., 2003b)。假玄武玻璃成因是由於斷層快速 滑動摩擦使母岩產生部分熔融的物質，因冷卻時來不及結晶，直接形成黑色隱晶 質玻璃的構造面。在和平地區，此構造皆發現於本研究區上界靠近岩交界的變質 花崗岩性內，並且有一些明顯的特徵可以確認此為假玄武玻璃:(1)隱晶質黑色的 滑動層面(2)在主要滑動面周圍，有一些貫注脈(Injection Vein)的產生(圖 3.5)，成 因為當斷層面發生快速滑動時，會在兩側母岩拉開裂縫，此時熔融狀玻璃岩石會 灌注進入裂縫形成此構造。因石英脈有被假玄武玻璃截斷的現象(圖 3.6)，依相 對錯移關係，以及野外滑動面與滑動線理的量測(圖 3.7)，可得知此構造形成機 制為正斷層應力場(圖 3.8)，水平拉張方向為東北-西南向。 本研究認為和平地區的假玄武玻璃並非一次性發生的事件，為多次發生的結 果，並在野外採樣的岩石切面上發現假玄武玻璃多次發生的證據(圖 3.9)，由岩 樣切面的研究結果顯示，假玄武玻璃在和平地區至少發生兩次的事件，早期發育 的假玄武玻璃被後期的微褶皺所擾動，之後又發育一期新的假玄武玻璃，最後正 斷層機制應力使假玄武玻璃產生截斷的作用，由微構造的解析判別先後順序可以 探討造山演化的序列，由上述的微構造結果本研究得出此時期大地應力產生正斷 層應力場的型式。. 30.
(44) 圖 3.5、假玄武玻璃之貫注礦脈。. 圖 3.6、正斷層滑動之照片。早期石英脈(Qtz)被假玄武玻璃錯移之野外照片。. 31.
(45) 圖 3.7、構造滑動面之照片。紅色箭頭指示滑動方向。. N. σ 1:305/ 65 σ 2:145/ 24 σ 3:51/ 8 Φ =0.4 n=9. 圖 3.8、假玄武玻璃三軸應力反演結果。NF 代表正斷層機制。. 32.
(46) 33. 圖 3.9、假玄武玻璃岩石剖面特性。.
(47) 3.4. 壓扁構造. 此構造為鉛直應力擠壓的證據。野外觀察顯示裂隙填充的綠泥石礦脈受後期 鉛直應力壓縮，使綠泥石礦脈造成縮短與壓縮之現象(圖 3.10)，並且可以推測， 其區域應力最大主應力 σ1 趨近於鉛直方向，屬於正斷層應力場之鉛直壓縮的重 要證據之一。. 圖 3.10、壓扁構造。最大主應力 σ1 趨近於鉛直方向，使原始構造產生鉛直壓縮 之現象。. 34.
(48) 3.3 急折帶 急折帶為一種脆韌性構造。由岩石切片所示(圖 3.11)，急折帶截切過假玄武 玻璃，可知急折帶相對假玄武玻璃的形成時間較晚。關於產狀方面，急折帶的走 向大致為 S40E，傾角為高角度，同時，急折帶有密集分布的現象(圖 3.12)，野外 上，急折帶多為右移剪動(圖 3.13)，有時會在同一個露頭出現共軛的急折帶(圖 3.14)。但因缺乏急折帶的滑動線理，只可大致推估其為近南北擠壓的走向滑移應 力場 (圖 3.15)。 詳細而言，依野外出露的急折帶特性又可以分成下列幾種形式：(1)急折帶 發育時，有時會伴隨綠色礦物相的熱液入侵，使急折帶呈現淡綠色之現象。(2) 在急折帶剪動時，會在急折帶中心產生脆性裂面，後期綠色礦物相可填充其中(圖 3.16)。(3)急折帶在較脆性的環境中，會產生雁型構造，並有綠色礦物相填充(圖 3.17)。由上述特徵描述，急折帶多會伴隨綠泥石礦脈之填出，其發育的時間點大 致相同。. 圖 3.11、假玄武玻璃與急折帶截切關係圖。PST 為假玄武玻璃，kink 為急折帶。. 35.
(49) 圖 3.12、急折帶密集分佈相片。. 圖 3.13、急折帶野外產狀特徵照片。急折帶構造多以右剪的走向滑移為主。. 36.
(50) 圖 3.14、共軛急折帶。. 圖 3.15、急折帶之應力場之推估。. 37.
(51) 圖 3.16、急折帶填充綠泥石礦物。. 38.
(52) 圖 3.17、右剪急折帶與雁型綠泥石礦脈。右剪急折帶，伴隨著雁型構造產生。. 39.
(53) 3.5 擦痕 野外最後一期構造為斷層擦痕。在本研究區變質花崗岩中，並無法看到明顯 的斷層擦痕，推測可能受岩性與侵蝕風化等影響，使野外調查不易察覺。唯一有 擦痕出露的位置為大理岩與花崗變質岩的接觸帶上界的大理岩內 (圖 3.18、圖 3.19)，由截切關係可分為兩期應力場，由西北-東南向擠壓的走向滑移斷層轉為 近 E-W 向拉張的正斷層應力場(圖 3.20)。. 圖 3.18、野外大理岩之連續轉折擦痕。箭頭為下盤運動方向，由此滑動方向，為 左移斷層轉為正斷層。. 40.
(54) 圖 3.19、野外大理岩之斷層。箭頭指示著上盤滑動的方向，1、2 表示先後順序。. 41.
(55) 圖 3.20、大理岩斷層擦痕應力反演結果。(a)走向斷層應力場(SS)；(b)正斷層應力 場(NF)。. 42.
(56) 第四章. 岩心描述結果. 岩心描述可以輔佐野外調查的資料，合併其資訊進行統合性的探討。且岩心 描述可有效的對區域構造進行量測，且不受限於地形因素或難以到達之影響，可 快速建構區域性的地質資訊，是一個安全又具地質意義的研究方法。 岩心描述結果顯示研究區域可以觀察到的主要構造有:發達的葉理與平行葉 理面的石英脈、急折帶、疑似假玄武玻璃、斷層擦痕、開口填充裂隙與方解石礦 脈等，並且發現鉛直擠壓之壓扁構造。本研究也將非填充裂隙列入資料中進行討 論，依照構造的截切關係(圖 4.1)，推論構造發育的相對時間順序，由老至新為:(1) 區域葉理與早期石英礦脈、(2)疑似假玄武玻璃、(3)壓扁構造、(4)急折帶與(5)斷 層擦痕、開口導水裂隙與方解石脈的出現等。詳細介紹如下所示:. 圖 4.1、構造截切關係圖。根據截切關係，構造從老至新依序為:(1)急折帶(Kink) 與(2)方解石礦脈(Cal)。. 43.
(57) 4.1 葉理面 經孔內攝影影像分析，此岩心的葉理面的傾沒方向(dip direction)由淺至深大 致從 360o 漸變為 336o，傾角大致在 30o~60o 之間。岩心中的葉理發達程度(糜嶺 岩化程度)受限於剪切帶作用的影響(圖 4.2)，使得片麻理發育並不是均質，而有 區段性的特徵，但整體上，片麻理化的程度有隨深度變弱的趨勢。且在岩心描述 時，發現有一期石英脈位態大致平行於葉理位態，據孔內攝影結果的推斷，此礦 脈形成於片麻理發育前形成，之後經區域葉理之變形，成為與葉理之相同位態(圖 4.3)。. 圖 4.2、岩心葉理產狀。. 44.
(58) 圖 4.3、早期石英脈受區域葉理變形之照片。. 45.
(59) 4.2 似假玄武玻璃 在岩心中區域葉理發育之後，第一個發育的構造為疑似假玄武玻璃，經由特 徵的研究，如同野外有隱晶質的特徵出現(圖 4.4)，但滑動帶內部還留有大量的 石英殘晶出現(圖 4.5)，且岩心中並無假玄武玻璃貫注脈(injection vein)之現象(詳 見圖 3.1)，所以目前暫時將岩心中此構造分類為似假玄武玻璃。 似 假 玄 武 玻 璃 在 岩 心 主 要 分 布 的 區 段 為 :(1)56~57m 、 (2)230~231m 、 (3)251~252m、(4)288~289m、(5)306~307m 與(6)591~592m (圖 4.6)。由構造位態 分析(圖 4.7)，本研究發現在 289~306m 之間有一個構造區段分界，區段以上似假 玄武玻璃位態與野外假玄武玻璃一致，傾沒方向大致呈現西北向，推測與野外假 玄武玻璃的形成時間為同時期，區段以下此構造位態傾沒方向卻轉成西南向，但 線理滑動方向與西北傾向位態一致，其發生時間目前無法推估。 在岩心中也取得似假玄武玻璃之擦痕資料，進行軟體應力反演分析，顯示此 構造為東北-西南向拉張的正斷層機制(圖 4.8)。. 46.
(60) 圖 4.4、疑似假玄武玻璃的岩心產狀。Pst-like:似假玄武玻璃。. 圖 4.5、岩心似假玄武玻璃產狀。滑動面中含有母岩殘晶。Qtz:石英。. 47.
(61) 圖 4.6、井下似假玄武玻璃位態與深度分析圖。A:位態蝌蚪圖。B:密度分布圖， 以 2 公尺為視窗進行統計。C:構造傾向玫瑰圖。D:法線向量投影。. 48.
(62) 圖 4.7、岩心似假玄武玻璃位態赤平投影圖。. N. σ 1 :3 0 0 /7 5 σ 2 :1 9 9 /3 σ 3 :1 0 8 /1 4 F =0 .9 n =3. 圖 4.8、岩心似假玄武玻璃應力反演結果。. 49.
(63) 4.3 壓扁構造 在假玄武玻璃發育之後，有壓扁構造(圖 4.9)的形成，顯示最大主應力軸為 鉛直方向。綠泥石礦脈受此鉛直擠壓作用的影響而彎曲。由此推論，在此環境下， 鉛直應力轉為最大主應力方向，其屬於正斷層應力場機制，野外亦呈現相同特性 之構造。. 圖 4.9、壓扁構造照片。由於最大主應力轉為鉛直方向，使原有綠泥石脈產生壓 縮與彎曲的現象。. 50.
(64) 4.4 急折帶 急折帶(kink)是一種脆韌性的地質構造，並且可由岩心中葉理被折曲的方式 來判別剪動方向(圖 4.10、圖 4.11)。本研究也發現綠泥石礦脈會伴隨著此構造入 侵，使得岩心上的急折帶呈現綠色或中央部分的裂縫填充綠泥石礦脈(圖 4.12)， 可見此構造形成溫壓條件大致與綠泥石礦脈生成條件相類似，且在溫壓環境趨於 脆性的環境下，會形成雁形構造 (圖 4.13)，後期裂隙亦受礦脈填充(圖 4.14)。 在應力場評估方面，因構造在脆韌性條件下發育，無論野外觀察與岩心描述 皆無發現滑動線理，無法確定滑動方向，固此本研究嘗試將較脆性的急折帶構造 (圖 4.15)敲開以利觀察擦痕，但滑動面亦受到後期礦脈填充之影響，無法得知線 理資訊，或斷面並沒有線理證據，無法進行應力反演。 目前此井主要在 290 公尺以下(圖 4.16-A、B)，有觀察到此構造密集成群出 現，其傾向有:60o&240o(圖 4.16-D)兩群，推測為共軛發育的結果，傾角皆呈現高 角度之趨勢(4.16-A)，與野外特性是非常吻合。反之，在岩心上部並無構造密集 之現象，由野外經驗推論，此構造並不是區域均勻分布，而是有群聚成群分布的 現象，而呈現條帶狀分布。此構造的位態與分布於岩心與野外上相當一致，意味 著此急折帶有特定的方向性與規律性存在。. 51.
(65) 圖 4.10、急折帶岩心相片。急折帶剪動時，會使葉理面彎曲之現象。. 圖 4.11、急折帶錯動之相片。急折帶在錯動時，將早期石英脈產生韌性折曲之現 象，由此可判定急折帶之剪動方向。. 52.
(66) 圖 4.12、急折帶填充綠泥石礦脈之相片。急折帶中央部分產生裂隙，填入綠泥石 礦脈。. 圖 4.13、急折帶剪動判讀。當急折帶發育時，環境若處於較脆性之狀態，則會在 剪動帶中，形成雁形排列之構造。. 53.
(67) 圖 4.14、雁型構造。在此構造形成後，後期綠泥石礦脈填充至此裂縫中。. 圖 4.15、急折帶脆性破裂相片。急折帶脆性破裂時填充礦物以方解石為主。. 54.
(68) 圖 4.16、岩心急折帶位態與深度分析圖。A:位態蝌蚪圖。B:密度分布圖，以 2 公 尺為視窗進行統計。C:構造傾向玫瑰圖。D:法線向量投影。. 55.
(69) 4.5 礦脈 在岩心描述中，也詳細量測礦脈之位態。本研究中礦脈的定義為：礦物完全 充填裂隙，並無殘留的孔隙或流通孔洞，為礦物完全填充的狀態。但此岩心的礦 脈缺乏構造截切關係，所以無法進行相對時間的推演。根據礦物種類，本研究將 填充類型分為三種：石英礦脈(圖 4.17)、方解石礦脈(圖 4.18)，並有少部分礦脈 為填充兩種以上之礦物(圖 4.19)。在岩心中共生礦脈主要以石英與綠泥石為主， 有少部分則為石英與方解石、方解石與綠泥石或三種共生之現象。此岩心礦脈主 要以石英脈為主，其位態與葉理位態相似(圖 4.20、圖 4.21)，推斷可能為區域葉 理發育同期形成之構造，或形成之後受區域變質作用壓縮變形與葉理位態平行 (圖 4.3)，而方解石礦脈則可能為導水裂隙被方解石填滿而形成，本研究也將礦 脈傾向做一個玫瑰圖的呈現(圖 4.22)。. 圖 4.17、石英礦脈相片。. 56.
(70) 圖 4.18、方解石礦脈相片。. 圖 4.19、填充綠泥石與石英之礦脈相片。本岩心共生之礦脈主要以石英與綠泥石 共生為主。. 57.
(71) 圖 4.20、礦脈位態蝌蚪圖。藍色為石英礦脈，紅色為方解石礦脈，綠色為填充兩 種以上之礦脈。 58.
(72) 圖 4.21、礦脈密度統計圖。 59.
(73) 圖 4.22、礦脈位態傾向統計圖。. 60.
(74) 4.6 斷層擦痕 岩心描述時量測斷層擦痕的數量遠大於野外調查的數量。在野外變質花崗岩 岩層中並沒有找到斷層擦痕之證據，只在岩性交界帶上盤的大理岩中發現擦痕， 因此本研究區之擦痕應力反演仰賴岩心描述的結果。 本研究針對斷層與剪動方向(圖 4.23)進行詳細的觀察與量測，並取得走向 (strike)、傾角(dip)、傾伏角(rake)等資料，經 T-TECTO 軟體進行古應力反演。本 研究利用斷層位態與深度繪製蝌蚪圖(圖 4.24)，其藍色蝌蚪代表正斷層、綠色蝌 蚪代表走向滑移斷層、紅色蝌蚪代表逆斷層。目前分布密度圖顯示擦痕主要集中 在 150~280 公尺的區段 (圖 4.25)，意味著此區段是一個脆性剪切較強烈的區塊。 並且本研究也針對不同斷層形態進行位態的統計分析，傾向大多為西北傾向 (圖 4.26)。岩芯擦痕絕大多數都在葉理面上發育，葉理對於應力來說本身可能為一個 弱面，較容易受應力擠壓產生破裂，使得本研究區的斷層多在此位態上產生錯移 與滑動。並由擦痕的深度分佈特性結果顯示，斷層擦痕密集在深度 300 公尺以上， 以下擦痕密度較低，在 300 公尺以下則為較早期之急折帶構造密集出現的現象(圖 4.16)。 目前可分成九期的應力場，主要可分為逆斷層應力機制、走向斷層應力機制 與正斷層應力機制(圖 4.27)，但因在岩心上並沒有明顯的擦痕截切關係，所以目 前無法明確知道應力場先後的順序，未來可深入探討此特性結果。. 61.
(75) 圖 4.23、擦痕剪動方向判別照片。利用擦痕斷裂檻可以判別斷層滑動之方向。照 片中之岩心皆為下盤，虛線箭頭方向為上盤滑動方向。. 62.
(76) 圖 4.24、斷層擦痕蝌蚪圖。NF 表示正斷層、SS 為走向滑移斷層、RF 為逆斷層。. 63.
(77) 圖 4.25、斷層種類密度分布圖。此圖每兩公尺，對擦痕數量進行統計分析。. 64.
(78) 圖 4.26、斷層傾向統計圖。A:正斷層 B:逆斷層 C:走向斷層。. 65.
(79) N. N. N. σ1:150/2 σ2:60/2 σ3:285/87. σ 1:262/65 σ 2:150/10 σ 3:56/23 f=0.2. σ 1:19/23 σ 2:159/61 σ 3:281/17 Φ =0.1 n =5. f=0.1 n=61. n=75. N. σ 1:219/65 σ 2:83/18 σ 3:348/16 f =0.1 n =3. N. N. N. σ 1:305/ 65 σ 2:92/ 21 σ 3:187 / 12 f=0.3 n=27. σ 1:309/2 σ 2:39/2 σ 3:174/87 f =0.3 n =1. σ 1:212/23 σ 2:352/61 σ 3:115/17 f =0.1 n=13. N. N. σ 1:131/23 σ 2:351/61 σ 3:229/17 f=0.5 n=10. 圖 4.27、岩心斷層擦痕應力反演結果。此結果排列不具先後意義。 σ 1:305/65 σ 2:204/5 σ 3:112/24 f=0.6 n=8. 66.
(80) 4.7 填充開口裂隙 本研究於岩心描述時發現填充開口裂隙的存在，且進一步檢視填充開口裂隙 位態與河谷非平行破裂，可排除裂隙為解壓解理的成因，並在所有構造中，這是 唯一一個在野外調查時沒有發現的構造。以岩心描述結果來說，此些填充開口裂 隙的填充礦物以方解石為主，少數為石英(圖 4.28)，因方解石易受風化與侵蝕作 用，不易保存，這可能是野外調查沒有發現填充開口裂隙的原因。 於岩心描述時，填充開口裂隙主要依照以下的條件來判別：裂隙中填充礦物， 但礦物並沒有將裂隙填滿(圖 4.28)，保留流體可通過之空間(圖 4.29)。在確認之 後，會進一步觀察填充的礦物，注意結晶礦脈之形狀特徵，如：片狀、塊狀、單 晶狀、粒狀等等，此結晶特徵主要受控於在當時的應力場下，導水裂隙面開裂的 寬度大小有所影響。 由蝌蚪分布圖可以發現，在深度 190-220m 與 410-440m 兩個區段(圖 4.30-A、 B)，填充開口裂隙的傾角涵蓋 15o 以上，可能指示著破裂帶富集，極為破碎，流 體可自由流通。並依統計結果來看，和平地區填充開口裂隙主要分為兩個群集(圖 4.30-C、D)，A 群集的傾向(dip direction)為南偏西傾沒，並且截切葉理面，那另 一組 B 群集的位態比較接近葉理面。同時在開口填充裂隙上觀察到少數擦痕， 應力反演的結果顯示為正斷層應力場(圖 4.31)。在深度 420 公尺的地方，填充開 口裂隙的充填礦物，轉變為以石英為主 (圖 4.32)，並且有單晶出現，可見此地 區之溫壓與應力條件有別於別的區段，並且導水裂隙之傾向轉變為 156o(圖 4.33)。. 67.
(81) 圖 4.28、填充開口裂隙之方解石填充。. 圖 4.29、填充開口裂隙照片。此些裂隙有開裂空隙，並部分填充礦物。. 68.
(82) A B 圖 4.30、填充開口裂隙分析圖。A:位態蝌蚪圖。B:密度分布圖，以 2 公尺為視窗 進行統計。C:構造傾向玫瑰圖。D:法線向量投影。. 69.
(83) N. σ 1:262/65 σ 2:161/5 σ 3:69/24 F =0.4. n=3. 圖 4.31、填充開口裂隙擦痕應力反演結果。其為東北－西南向拉張的正斷層應力 場，與現地應力場一致。. 圖 4.32、填充礦物相片。在 420 公尺，填充開口裂隙的填充礦物為石英單晶。. 70.
(84) 圖 4.33、含石英單晶的填充開口裂隙之位態投影圖。在 420 公尺處，其傾沒方向 以向南為主。. 71.
(85) 4.8 非填充裂隙 於 430 公尺以下非填充裂隙的密度是較低的(圖 4.34-A、B)，反映著岩性較 完整之現象，並且非填充裂隙位態皆與葉理面相似(圖 4.34-C、D)。由岩心描述 觀察發現，很多脆性破裂的裂隙是沿著葉理弱面發生，推測此區域的大地應力容 易在葉理的弱面產生破裂的現象。. 72.
(86) 圖 4.34、非導水裂隙分析圖。A:位態蝌蚪圖。B:密度分布圖，以 2 公尺為視窗進 行統計。C:構造傾向玫瑰圖。D:法線向量投影。. 73.
(87) 74.
(88) 第五章. 討論. 5.1 填充開口裂隙與現地應力之關聯性 第四章結果顯示目前和平地區的填充開口裂隙可分為兩個群集的分布狀態 (圖 5.1a)，且裂隙中的填充礦物以方解石為主。本章節將以其填充開口裂隙位態 比對前人推估之現地應力場探討本研究區填充開口裂隙與應力場之關係。 葉恩肇等人(2012)與李偉誠(2015)利用非彈性應變回復法(ASR)評估現地應 力場(圖 5.1c、1d)，其結果顯示此岩心目前處於正斷層應力場，且拉張方向為東 北-西南向。本研究利用相同岩心中填充開口裂隙之斷層擦痕進行應力反演，其 結果亦為正斷層應力場，且水平拉張方向也為東北-西南向(圖 5.1b)，與前人評估 的現地應力拉張方向非常一致，由此，推論本孔岩心填充開口裂隙可能為受到現 在的應力場影響而開裂的構造。 為了更精確判別導水裂隙形成相對的時間，本研究利用 3D-Stress 軟體，以 現今的三維應力(葉恩肇等人，2012；李偉誠，2015)方向與數值(表 5.1)解算所有 裂隙位態的滑動(slip)趨勢與擴張(dilation)趨勢，其結果如圖 5.2 所示，詳細來說， 滑動趨勢利用現地應力的資料求出投影圖中每一個位態的剪應力與正向應力之 比值，數值越趨於零則越穩定(不易滑動)，反之大於岩石摩擦係數便會滑動；擴 張趨勢也利用現地應力解算投影圖中每一位態之最大主應力-最小主應力與軸差 應力的比值，其比值越趨於零則越穩定(不易擴張)，反之則越不穩定，擴張趨勢 無絕對單位，所以只能得知較高或較低機率擴張，但無法精確化。投影圖中色塊 指示顏色偏於暖色系表示擴張或滑動機會較高，反之則低。本研究也將填充開口 裂隙極點分布圖套疊於滑動趨勢與擴張趨勢圖(圖 5.2)中，進一步探討成因來源， 其結果顯示填充開口裂隙群集 A 的位態位於高滑動與高擴張潛勢區方位，可能 為現地應力場所導致開裂之裂隙位態，反之裂隙群集 B 位於低潛勢區，以目前 應力場是較不可能開裂的。藉由上述的分析證據，可以合理的推論目前現地區域 應力場可以造就 A 組導水裂隙的生成，而 B 組導水裂隙可能是早期生成的填充 75.
(89) 開口裂隙或受斷層破碎帶等應力擾動影響而開裂。因此 A 群集填充開口裂隙為 現今應力的產物，故此本研究將 A 群集裂隙分類為現今導水裂隙。. 76.
(90) 圖 5.1、導水裂隙應力比較圖。 (a)導水裂隙極點分布圖。主要可以分為 A 與 B 兩個群集結果。(b)本研究導水裂隙三維應力反演圖。(c)現地應力三軸分布投影 圖(葉恩肇等，2012)。(d) 現地應力三軸分布投影圖(李偉誠，2015)。. 77.
(91) 圖 5.2、導水裂隙之擴張趨勢與滑動趨勢分析圖。. 78.
(92) 和平. gradient (MPa/km). depth. Magnitude(MPa) Trend. Plunge. S1. 26.7. 500. 13.9. 000. 90. S2. 19.4. 500. 10.1. 150. 00. S3. 17.7. 500. 8.1. 60. 00. Pf. 9.81. 500. 4.9. 表 5.1、三軸應力方向與數值(資料來源:李偉誠)。. 79.
(93) 5.2 導水裂隙與急折帶的關聯性 此議題主要探究早期的急折帶是否會受後期應力場影響產生脆性破裂，進 而形成導水裂隙。依岩心描述的結果發現部分填充開口裂隙並非皆為後期應力產 生新的破裂，而是由於急折帶(Kink)於後期應力產生脆性的破裂，其證據:(1) 於脆性破裂面的邊緣，留有早期熱液填充之綠色礦物殘存之證據(圖 5.3)，並非 在脆性破裂時所形成。(2)脆性破裂邊緣之葉理面有被早期韌性折曲之現象(圖 5.4)並非脆性破裂時所形成。上述兩個觀察證據皆為此區域急折帶構造之重要特 徵，因此研判此些填充開口裂隙為早期急折帶受後期應力產生破裂的結果。 本研究進一步將急折帶極點分布圖與現地應力推測之滑動/擴張趨勢圖套疊， 探討在現今的應力場是否有機會使急折帶弱面產生破裂，其結果顯示大部分急折 帶確實重疊在現今應力場可能開裂的區域內(圖 5.5)，為求證此推論，筆者更進 一步將岩心的急折帶敲開，並且在裂面中尋獲後期方解石礦物填充之證據(圖 5.6)，但沒有斷層擦痕之證據可供進行應力解算。這正符合滑動/擴張趨勢圖套 疊之結果，急折帶的開裂主要受控擴張趨勢影響，在滑動趨勢圖中急折帶群集沒 有分布於高滑動區間內，代表滑動趨勢影響甚小，致使急折帶裂面中無法找到擦 痕的證據。此區域急折帶是脆韌性構造，一般會伴生綠泥石熱液礦脈，並無方解 石礦物填充，在此特徵下，本研究推斷急折帶的滑動面相對於變質花崗岩母岩為 一個弱面，受到後期應力的影響產生脆性破裂，形成導水裂隙並且填充方解石礦 物。本研究也發現急折帶發育於較脆性的環境中，會在急折帶滑動時拉出一系列 低角度的脆性破裂的裂隙(圖 5.7)，並且此類裂隙受後期應力場影響可能形成填 充開口裂隙，為求證此推論，本研究進一步將此類裂隙之極點分布圖與現地應力 推測之滑動/擴張趨勢圖套疊，其結果顯示於現地應力的影響下，此類裂隙為滑 動趨勢較活耀的區域，並且可能產生填充開口裂隙的成因來源。由上述的結果得 知，目前和平地區受現地應力所開裂的填充開口裂隙(A 群集填充開口裂隙)，其 裂隙來源皆可能由早期急折帶的構造所造成裂隙的來源。. 80.
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