行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
臺灣西北部內麓山帶橫移構造特性分析之砂盒模型研究
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 98-2623-E-006-004-ET 執 行 期 間 ： 98 年 01 月 01 日至 98 年 12 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立成功大學地球科學系（所） 計 畫 主 持 人 ： 林慶偉 共 同 主 持 人 ： 楊耿明 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：林昶成 大專生-兼任助理人員：李赫 大專生-兼任助理人員：蘇子軒 博士班研究生-兼任助理人員：劉守恆 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢 中 華 民 國 99 年 03 月 30 日目錄
中 文 摘 要. . . 2 英 文 摘 要. . . 3 一、 前 言. . . 4 二、 研 究 目 的. . . 6 三、 文 獻 探 討. . . 7 1. 區 域 地 質 相 關 研 究 . . . 7 2. 平衡剖面之相關研究 ...11 3. 物 理 模 型 之 相 關 研 究 . . . 1 2 四、 研 究 方 法...16 1. 平衡剖面研究方法與流程...16 2. 砂盒物理模型研究方法與流程...20 五、 平 衡 剖 面 結 果. . . 2 5 1. 細道邦背斜構造...25 2. 出磺坑背斜構造...30 3. 通霄背斜構造...31 4. 三義斷層與小南勢斷層...32 六、 實 驗 結 果. . . 3 6 七、 討 論...52 八、 結 論. . . 5 6 九、 計 畫 成 果 自 評. . . 5 7 十、 參考文獻...58摘要
台灣西北部內麓山帶位於早期沈積盆地中心，由於複雜的地形和 地質構造，以及解析度有限的震測資料，本區域仍有部分地質構造問 題尚未釐清。本研究選定三義及其附近地區，北部緊密的出磺坑背斜 和八卦力背斜於南端轉變成三義斷層上盤較寬廣的構造形式，兩者之 間存在一東北東-西南西走向之橫移構造，東鄰數條逆斷層所截切之 細道邦構造。本研究目的為瞭解東北東-西南西走向之桂竹林斷層南 北兩側之構造特性以及討論三義斷層與小南勢斷層在區域地質構造 發育中所扮演之角色。 本研究利用 Geosec 2D 構造模擬分析軟體繪製一條近東-西向之 構造平衡剖面，再綜合前人所繪製之數條構造平衡剖面來深入瞭解地 質構造及地下幾何形貌，進而利用砂盒物理模型模擬區域地質構造發 育的現象。 研究結果發現三義斷層往北延伸的桂竹林斷層於地底下會與小 南勢斷層匯聚在一起，暗示著小南勢斷層並沒有向下切穿三義斷層的 下盤。另外，於砂盒物理模型中成功模擬出與桂竹林斷層斷層北段類 似之橫移構造，此一橫移構造北側發育出以傾角朝東之逆衝斷層及伴 生之斷層拓展褶皺，南側則以逆衝斷層及斷層彎曲褶皺之發育為主， 此一特性亦符合目前地下地質構造之解釋。 本研究顯示東北東-西南西走向桂竹林斷層之發育，於地表下並 不一定需要側向斷坡之存在，透過前向斷坡之側向尖滅亦可在地表上 產生如同桂竹林斷層之橫移構造。此外，於砂盒物理模型中得知地底 下構造發育存在未出露之反向逆衝斷層的可能性，在繪製構造平衡剖 面時可考慮此情況以獲得不同之解釋。 關鍵詞：三義斷層、小南勢斷層、桂竹林斷層、砂盒模型、平衡剖面Abstract
The inner foothills belt of northwestern Taiwan was a part of the center of the pre-orogenic sedimentary basin. Because of rugged topography, complex geological structures and poor resolution of seismic profiles, there still are some ambiguous features for the regional geology. The Chuhuangkeng anticline and the Pakauli anticline are tight structures of the north of the Miaoli-Sanyi area, and the hanging wall of the Sanyi thrust is a gentle structure of the south; therefore, there exists a structural transfer zone in the study area. The objects of this study are to clarify the significant difference in geological structure between the northern and southern of the Kueichulin fault, and to understand the development of and correlation between the Sanyi thrust and the Hsiaonanshih fault.
In this study, we used GeoSec2D, a software for constructing balanced cross-sections, to construct a E-W trending balanced cross section combined with other balanced cross sections to investigate the subsurface geometry. We also run several sandbox models to simulate the development of the geological structures.
The study results indicate that the Hsiaonanshih fault merges with the Kueichulin fault at depth, namely, the footwall of the Sanyi thrust is not cut across by the Hsiaonanshih fault. A transverse segment of the strike slip fault, which separates two regimes of contrasting structural style—a fault-bend fold in the south and a fault-propagation fold in the north, appears in the sandbox models and the result with the subsurface geological structrue.
The study results indicate that creating a structural transfer zone does not always need a lateral ramp at depth, only if the presence of a frontal ramp is laterally terminated. In addition, it may be neccessary to consider the existence of blind backthrust that also appears in the sandbox model; it would provide additional clues for the interpretation of any balanced cross-sections.
Keywords：San-Yi Thrust, Hsiaonanshih fault, Kueichulin fault, sandbox model, balanced cross section
ㄧ、前言
台灣西北部內麓山帶位於早期沈積盆地中心，本研究區域之岀磺 坑背斜為一非常重要的儲油構造，其自清代開始開採利用，開啟本島 石油探勘工作之先河，至今仍持續生產，其重要性由此可見。過去數 十年來台灣中油公司投入大量之人力與物力於竹苗地區從事區域地 質調查與石油探勘相關工作，對於竹苗地區多數地質構造已有相當之 了解。由於複雜的地形和地質構造，以及解析度有限的震測資料，本 區域仍有部分地質構造問題尚未釐清。 本研究區域南起大安溪，北至出磺坑背斜北部，東達細道邦構 造，西至鐵鉆山、通宵背斜。主要的構造單元，除了西側的鐵通背斜 構造，向東則是三義斷層及其上盤的構造，最東側則為出露高地層傾 圖 1、研究區域地質圖（修改自中油公司十萬分之ㄧ苗栗地質圖福）角褶皺較緊密且被數條逆斷層所截切的細道邦構造(圖 1)。地表上， 三義斷層自大安溪以北北東－南南西的走向向北延伸，至三義附近改 轉成東西走向，向東為小南勢斷層所截，而小南勢斷層則繼續向西南 延伸成為三義斷層上盤的一部份。另外，可以發現三義斷層地表跡線 以及桂竹林斷層地表跡線與東坑層和少部分之觀音山砂岩近乎平 行。北部緊密的出磺坑背斜和八卦力背斜於南端轉變成三義斷層上盤 較寬廣的構造形式，兩者之間存在一東北東-西南西走向之橫移構造。 在本研究區域出磺坑背斜、八卦力構造、錦水背斜以及小東勢斷 層等構造已有前人(楊耿明等，2008，2009)所建立之三張構造平衡剖 面（位置於圖1 中之 Line 3、Line 4、Line 5），另外於細道邦背斜、 三義斷層以及通宵背斜等構造也有楊耿明等(2003)所建立之構造平 衡剖面（位置於圖 1 中之 Line 1）。由於小南勢斷層的地下形貌以及 與三義斷層兩者之間地底分佈情形尚未釐清，且此位置接近橫移構 造，因此本研究利用 Geosec 2D 構造模擬分析軟體，於研究區域內繪 製一條包含HTP-2、HSL-2（投影）、CHK-120、TCS-2（投影）、TCS-20、 TCS-37 等井下資料之平衡剖面，此剖面由東到西橫跨大窩山斷層、 細道邦構造、小南勢斷層、紙湖向斜、桂竹林斷層（三義斷層向北延 伸）、出磺坑背斜、銅鑼向斜、通宵背斜等重要構造（圖1 中之 Line 2）。 本研究將此新繪製之構造平衡剖面與前人之構造平衡剖面作一整體 分析，進一步釐清研究區域之地下構造形貌以及地質構造問題，進而 利用砂盒物理模型模擬區域地質構造發育的現象。
二、研究目的
本研究選定台灣西北部之三義及其附近地區為研究區域，先蒐 集區域地質構造的相關研究文獻，於研究區域中新繪製一條近東-西 向之平衡剖面，再綜合前人所繪數條平衡剖面來深入瞭解研究區域之 地質構造及地下幾何形貌，建立研究區域地質構造發育之概念模式， 並決定模型之界面條件，進而利用砂盒模型模擬區域地質構造發育的 現象，並將實驗結果與現有地表與地下地質資料比對，研究桂竹林斷 層北段之東北東-西南西走向橫移構造之南、北兩側構造特性，並討 論三義與桂竹林斷層在區域地質構造發育中扮演的角色。本研究對研 究區域複雜構造幾何形貌及其演化模式之建立，將有助於了解台灣西 北部內麓山帶構造之地下形貌與儲氣潛能。 繪製平衡剖面的過程中藉助中國石油公司之詳細地表地質調查 資料和豐富的鑽井資料，以構造模擬繪製軟體 Geosec 2D 為操作平 台，進而建立研究區域地質構造發育之概念模式，並決定砂盒模型之 界面條件，將實驗結果與現有地表與地下地質資料比對，以了解內麓 山帶橫移構造發育之時空序列與空間分布特性。 根據前述平衡剖面之分析，可以發現三義斷層於 Line 2 以及 Line 3 之間有相當重大的轉變。除了上述斷坪的存在與否以及斷層下盤構 造差異之外，其斷層相關褶皺的型態也不同，於研究區域之南部Line 1 以及 Line 2 中為典型的斷層彎曲褶皺，而北部之 Line 3、Line 4 以 及 Line 5 中卻轉變為像傳統之擠壓砂盒模型發育一系列傾向朝向後 阻體之覆瓦狀逆衝斷層。為了探討研究區域南、北兩側的差異，本研 究利用砂盒物理模型為分析工具，藉此模擬研究區域之地質構造發 育。
三、文獻探討
3.1 區域地質相關研究
本研究區域主要為苗栗地區之內麓山帶地質區，包含發達的逆斷 層以及其上盤伴生較緊密的褶皺。大致上該構造帶的主要構造單元為 數條斷距較大的逆斷層，以及高傾角而緊密的褶皺，但是在該區域緊 密的出磺坑背斜和八卦力背斜於南端轉變成較寬廣的構造形式，兩者 之間在地表上被一東-西走向的三義斷層或東北東-西南西走向的小 南勢斷層組成之橫移構造所區隔。而地表上介於出磺坑背斜和八卦力 背斜之間緊密的紙湖向斜在小南勢斷層的南側則轉變成三義斷層上 盤寬廣的石圍牆向斜。本研究區域之在地表出露最老之地層為中新世 的木山層，在地底下之鑽井最深可鑽穿漸新世之不整合面而進入四稜 砂岩，從深部漸新世之五指山層一直到更新世之頭嵙山層，沉積為連 續的。表格1 為苗栗地區麓山帶之地層與岩性之整理。 最早提出三義斷層之地表轉折跡線者為孟昭彝（1963），在此之 前三義斷層一直被視兩段不同走向的斷層。其根據三義斷層上盤的地 層構造推測三義斷層本身的地下形貌，其結合三義斷層地表轉折的跡 線以及地下彎曲的形貌提出三義斷層的發育乃是由南北走向平直的 地表跡線，在向西北推進過程中，北端受隆起之出磺坑背斜的阻力， 而形成東-西走向一段的跡線，因此伴隨此一變化，簡單的地下斷層 形貌也演變成彎曲的形貌。而近年來的研究（Hung, 1992; Hung and Wiltschko, 1993; 楊耿明等, 2003）則採取不同的構造觀點來看待三義 斷層構造。他們認為三義斷層轉折的地表跡線顯示三義斷層在發育開 始即具有三度空間的形貌，南北走向的一段代表低角度逆斷層向前逆 衝的前斜坡（frontal ramp），而東西走向的一段則代表側斜坡（lateralramp）的形貌。洪日豪（1992）的研究也參考（Apotria et al., 1992） 的理論模型，提出當逆衝斷塊沿前斜坡和側斜坡的轉折接面滑移時， 逆衝斷塊將因為在兩個斜坡上前進的方向和速度差異導致逆衝斷塊 的旋轉活動。以三義斷層的形貌而言，洪日豪（1992）認為三義斷層 上盤應有幾度的順時針旋轉。 表格 1 苗栗地區麓山帶之地層與岩性（引用自鍾開增，1996） Line 1 剖面（圖 2）呈西北西-東南東走向，其位置相當靠近地表 三義斷層轉成東西走向之處（楊耿明等，2003），該剖面西段的通霄
背斜仍維持平緩的背斜構造形貌，剖面東邊的細道邦構造地下則出現 構造三角帶。三義斷層和小南勢斷層向東合而為一並且在其下盤背斜 構造的東翼轉成水平的形貌，並向東延伸至細道邦構造的下方，始又 向下切入較老的地層。南-北走向的三義斷層下盤為頭嵙山層，而上 盤為東坑層，因此該段的三義斷層的層位落差至少高達三千至四千 米，顯示若三義斷層以一低傾角的態勢下切，三義斷層的層面滑移量 相當可觀，至少超過十公里以上。此外，楊耿明等（2000）認為三義 斷層面的地下形貌呈現一前斜坡（frontal ramp）和側斜坡（laterel ramp）的三維空間形貌，兩個斜坡面約略成直角，而在研究地區的東 南部份，三義斷層繼續向下切並轉成一走向東北－西南的斜坡面，該 斜坡面與接近地表的前斜坡和側斜坡共同在研究地區的中央圍成一 個三角形的平緩滑移面。地表所呈現地層和斷層走向與三義斷層面的 地下形貌頗吻合，此乃由於三義斷層與其上盤之地層之間的交角在發 育開始即呈一低交角或甚至平行的關係所致。 圖2、靠近地表三義斷層轉成東西走向之處平衡剖面 Line 1，顯示三義 斷層上下盤之構造特徵，關刀山背斜兩翼變為較陡峭，其兩翼仍保留 早期正斷層，三義斷層具有前緣滑離面、斷坪、斷坡及尾緣滑離面， 細道邦背斜構造在三義斷層上盤發育。TKS：頭嵙山層；CL：卓蘭層； CS：錦水頁岩；KC：桂竹林層；SF：上福基砂岩；HP：河排層；TU： 東坑層；KY：觀音山砂岩；TL：打鹿頁岩；PL：北寮層；CHK：出 磺坑層；TK：大寮層；MS：木山層；WS：五指山層（引用自楊耿明 等，2003）。
圖 3 為研究區域北部的三條平衡剖面（地表位置見圖 1 中 Line 3、4、5），它們都包含了八卦力背斜、小東勢斷層、出磺坑背斜等重 要構造。在平衡剖面Line 3 中可以觀察到桂竹林斷層（三義斷層延伸 的最北方）在此有非常明顯的變化，其斷坪（flat）幾乎消失，也就 是斷層直接向下切往深處（圖3-Line 3）。反觀南邊的Line 1，其三義 斷層有非常明顯的斷坪存在（圖 2）。除了斷坪的差異之外，三義斷 層的下盤也有很大的變化；Line 3 中桂竹林斷層的下盤有明顯的褶皺 發生（圖 3-Line 3）；相對上，南邊的平衡剖面，三義斷層的下盤呈 現水平狀態，並未受到褶皺作用（圖2）。此外，在楊耿明等（2008） 所繪製的平衡剖面Line 4 及 Line 5 中，出磺坑背斜和八卦力背斜為 完整的背斜構造（圖 3），形成背斜的基底斷層滑脫面大概位於中新 統底部之下。 在橫移構造的南側，地底下呈南北走向的三義斷層為一低傾角的 淺部斷層，其向東延伸於細道邦構造之下（Hung and Wiltschko, 1993），再向山根方向下切至更深的滑脫面，形成一局部的斷坡面（圖 2），在此斷坡面的滑移作用即形成地表的細道邦構造。 根據上述數張平衡剖面的分析結果，比較桂竹林斷層橫移構造兩 側的地下地質剖面，顯示兩者間之地下構造型式具有重大的差異。在 研究區域南部（平衡剖面Line 1）為典型的斷層彎曲褶皺，而到了北 部（至少從平衡剖面Line 3 開始）卻轉為一系列覆瓦狀逆衝斷層及斷 層擴展褶皺。本研究新繪製之平衡剖面Line 2（圖 9），位於此兩張平 衡剖面中間，可以釐清中間區域的複雜構造形貌，具有一定程度的重 要性，而此構造在區域地質構造發育所扮演之角色也關係著本區儲油 構造之位置與發育。
圖 3、研究區域之北部三條平衡剖面：Line 3、 Line 4、Line 5 為橫 過出磺坑背斜和八卦力背斜的剖面(引用自楊耿明等，2008，2009)
3.2 平衡剖面之相關研究
構造平衡法在石油探勘的應用包含了：(1).確定地質構造與生油 和油氣遷移的相對時間關係，(2).地質構造變形量的估算，(3).瞭解 造山運動前沉積相的關聯，(4).構造解釋之重新檢驗以及構造形貌預 測，(5).找出探勘新封閉型態，(6).推測構造高區。另外，Geosec2D 技術的引進有下列功能： (1).增加對區域地質的瞭解 (2).軟體能增 加對目標層的瞭解 (3).應變及應力的檢查 (4).提供構造模擬之定 性與定量的工具 (5).互動式傾角及引導地質模擬建置工具(王佳彬 等，2005)。復原剖面及變形剖面必須同時建立，如果一條剖面能夠 被復原至未變形的狀態，那麼它就是一條合理的剖面。根據 Dahlstrom （1969）描述：如果剖面能被復原，它可能是正確的；如果不能被復原，它肯定是錯誤的。剖面平衡的過程要求將變形剖面與復原剖面來 做比較，其平衡的意義為此兩條互相比較的剖面在線條長度以及面積 要一致的。在繪製平衡剖面時，是以轉折法（kink method）來執行， 也就是沿著剖面線地層傾角在一定距離之內大致為相等的，在某處突 然改變至另一組新的傾角（dip domain），此可用來決定地層傾角轉折 變化的位置。其構造恢復後必須符合原先地層沉積之合理外貌，並且 斷層也是可以回復（restoration）的，回復後的斷層外貌必須符合斷 層構造原理。 根據吳榮章等（1994），由地質平衡剖面分析除了可以清楚研究 地區之盆地演化以及構造運動史之外，也可以由其地質復原圖中瞭解 地層沈積相之關聯，推測可能較佳的生油岩與儲集岩的位置及範圍， 再配合地層埋藏史、油氣生成及移棲時間與路徑，以尋找高潛能儲油 氣之封閉構造，提升鑽探之成功率。另外，剖面回復經合理的幾何外 形測試而達到平衡，僅代表此剖面是合理的，並非一定正確；但若未 能平衡，則其剖面需有合理的地質解釋，否則即為錯誤的。
3.3 物理模型之相關研究
物理模型研究方面，Hubbert（1937）提出應從模型與實體間的 尺度（scale）與相似性（similarity）兩因素來討論模型製作之合理性。 模型與實體之相似的程度主要分為三種：(1)、幾何形態上的相似性─ 實體與模型兩者間長度成一定的比例，並且每個角度都相同；(2)、 運動學上的相似性─實體與模型在運動或改變外型的過程中，位移量 的變化與外型改變的過程中符合幾何形態的相似性，而且運動或變形 的每個階段過程所需的時間比值固定；(3)、動力學上的相似性─模型 符合幾何形態與運動學相似性為前提，實體與模型間所受的各種作用力比值須固定。當模型具備以上三種相似性時，此模型就可以稱為比 例物理模型（scaled physical model）。
Rich（1934）為最早提出斷層彎曲褶皺的始祖，以 Appalachian fold-and-thrust belt 地區為例子（圖 4），指出斷層面容易沿著頁岩滑 動，到一定距離後會因為摩擦阻力增大而往斜對角方向切向另一層頁 岩層，依此模式最後斷層將切出地表。本研究利用紙材質（piling paper sheets）之物理模型模擬 Cumberland 逆衝斷塊之構造發育，並且假定 地表看到之背斜以及向斜都為逆衝斷層活動所造成之淺部構造，僅侷 限於斷層之上盤。 Hubbert（1951）以水平擠壓與張裂之砂盒模型來模擬逆斷層與 正斷層的發育情形，並且利用應力分析之觀點來說明斷層的成因。研 究結果發現用未膠結鬆散之乾砂來模擬岩石的脆性變形，可以得到良 好的效果，因為未膠結鬆散砂體的內摩擦角（30o）與自然界中大多 數岩石的內摩擦角相似，其在應力作用下變形與破裂的行為，與自然 界中的岩石受到大地應力而產生變形與破裂相同，所以未膠結鬆散的 乾石英砂可以用來模擬自然界岩石之脆性變形行為。
圖4、(A)沉積岩中逆衝斷層發育軌跡圖，斷層面容易沿著頁岩滑動， 到一定距離後便往斜對角方向切向另一層頁岩層；(B)為斷層發育結 果圖示，經侵蝕和傾斜後類似現今之Cumberland thrust block；(C)利 用紙質物理模型模擬(A)之構造發育(引自 Rich, 1934)
Naylor et al.（1986）利用砂盒模型來研究基盤走向滑移斷層所發 育之傾角、走向和三度空間的幾何形貌及時序關係。實驗結果發現走 向 滑 移 斷 層 之 破 裂 面 發 育 順 序 最 早 呈 雁 行 排 列 的 雷 多 剪 力 破 裂 （Riedel shears）與分枝斷層（splay fault），接著發育 P 剪力破裂（P shears），最後 Riedel shear 與 P shear 會連結形成剪力透鏡體（shear lense），而且透鏡體會分佈於整個斷層帶上。若觀察其剖面可以發現 雷多剪力破裂是一個往上凹的曲面，其外觀類似鬱金香的形狀。另 外，Naylor et al.（1986）發現上覆沉積物的應力狀態會影響走向滑移 斷層的幾何形貌與複雜程度，例如當最大壓應力方向平行基盤斷層運 動方向時，雷多剪力破裂會呈雁行排列並平行於基盤斷層；相反的， 當最大應力方向與基盤斷層運動方向垂直時，雷多剪力破裂與基盤斷
層走向夾ㄧ高角度，傾角較小，形成明顯的螺旋狀且此斷層帶較寬、 較複雜。 Calassou et al.（1993）利用不同界面條件的砂盒模型，探討在楔 形體中逆斷層系統轉型帶之發育機制與特性，其實驗結果顯示出控制 轉型帶發育與幾何形貌之主要因素有下列三點：(1)、後阻體的傾斜 角度與幾何形貌；(2)、前陸沉積物厚度的差異；(3)、基盤與上覆材 料間摩擦力的強弱。在受到相同擠壓應力情形之下，沉積物厚度大的 變形前緣會較遠離力源；而當基盤的摩擦力較大時，較不易發育出逆 衝斷層，而且所發育之逆衝斷層會較密集（斷層間距較小）；而當後 阻體的幾何形貌改變時，所發育之逆衝斷層形貌亦會改變，所發育之 逆衝斷層走向會平行於後阻體之走向。 Lu and Malavieille（1994）利用三維的砂盒模型實驗來模擬台灣 造山帶的運動模式，他們認為海岸山脈與中央山脈組成的後阻體（走 向為N16oE）可以視為剛性地塊，其隨著菲律賓海板塊以 N55oW 的 移動方向往歐亞板塊擠壓，而中國大陸邊緣的走向為 N60oE 以致造 成斜聚合及剛性地塊嵌入的效果。砂盒實驗中使用不對稱的楔狀衝撞 增積體為後阻體來進行斜聚合嵌入，嵌入變形現象包含了新月形的逆 衝楔狀體、橫移斷層造成的拉分構造與擠壓構造、嵌入點周圍產生塊 體旋轉與伸張構造。 江婉綺（2005）利用砂盒模型實驗顯示斗煥坪斷層與竹苗地區之 東-西向斷層為早期既存的東-西向正斷層，後來受菲律賓海板塊擠壓 應力的影響，導致反轉作用成為一東-西走向高角度兼具逆衝與走向 滑移特性的斜滑移斷層。在持續擠壓應力作用下，其作為後續發育北 北東─南南西走向之鹿廚坑斷層的側斜坡。當北北東走向的逆衝斷層 與東西向的走向滑移斷層交會時，逆衝斷層會憑藉著走向滑移斷層的
分支連結到走向滑移斷層變形帶，在兩者交會之處，其斷層走向會改 變且斷層性質兼具逆衝與走向滑移的特性。
四、研究方法
4.1 平衡剖面研究方法與流程
一般在選取剖面位置時，都會假定平行於構造運動方向，且假定 垂直剖面的方向上沒有（或極少數）物質流進或流出剖面（Mitra and Namson, 1997）。依此，大部分剖面會設定為垂直主要構造之走向。 有些剖面的設定視資料量（包含地表、地下資料、井下資料）或研究 對象而定，其位置線可以有轉折（bends）或者有落差（offsets），不 過落差的幅度不能超過2 公里。剖面重建的過程包含收集沿剖面線附 近的地表以及地下資料，例如：地層、地層與斷層位態、斷層位置和 鑽井資料，將資料投影到剖面上（圖 5-A）。在一定範圍內之地層傾 角若非常相近可以把整體視為一個傾角組（dip domain），並且在傾角 組和傾角組之間的角平分線設定為地層轉折軸（axial surfaces）（圖 5-B），最後再根據斷層、地層邊界的位置將地表資料延伸至地下深處 （圖 5-C）。地表下的斷層型態可以參考地表上斷層位置與地層傾角 之間的關係，其深部的傾角也和斷層上、下盤地層位態有關聯，而通 常褶皺後翼的傾角會反映出斷坡的位置與幾何型貌。圖5、剖面繪製流程圖。（A）將地表及地下資料投影到剖面上，（B） 繪出傾角組之間的角平分線（C）根據地層邊界的位置將地表資料延 伸至地下深處
在繪製地質平衡剖面的過程中，要遵循基本的假設及限制（吳榮 章等，1994），其中在褶皺逆衝斷層帶所依據的基本假設為：（1）變 形前後體積守恆、（2）岩層長度或體積守恆、（3）岩層厚度均一或僅 具微小變化、（4）斷層由斷坡（ramp）和斷坪（flat）所組成，斷層 轉折的角度受限、（5）斷層兩側的地層在平衡剖面回復後可以接合良 好、（6）轉折型或同心圓式褶皺皆由剖面底部層面滑移所造成，且常 與斷層之彎曲或終止有關。本研究採用之地質剖面平衡分析方法為 Suppe（1983）提出之轉折法（kink method），其對於逆衝斷層構造建 立 了 斷 層 彎 曲 褶 皺 （ fault-bend fold ） 以 及 斷 層 擴 展 褶 皺 （fault-propagation fold）的分析模式。此方法為假設地層之厚度均一 且變形作用為平行褶皺（parallel folding），而且可以將褶皺及斷層形 貌分解成各種角度的接觸關係，依據長度及面積守恆原則，且順著層 面的滑移成為變形作用的主要機制。
根據 Mount et al（1990），將前推模型策略（Forward Modeling Strategy）運用在平衡剖面上，內容主要為整合及檢視資料，包含地 表位態、地層、斷層、構造和震測剖面等資料，再將工作假設（working hypothesis）、想法或針對解答的推測進行格式化，與前人的文章所提 出的模型或者其他類似的地方來作比較，例如：斷層相關褶皺的類 型、構造抬升速率與沉積速率之比值、同構造沉積形貌、侵蝕速率、 褶皺和斷層相關的角度、斷層滑移量……等等，產生一個前推模型來 符合所調查的資料。假如想法符合資料，然後又將原始資料加以處 理，這些經過初步平衡處理過的資料可以用來定義前推模型，定義出 的模型會比原先雜亂無章的資料好，過程中再經過細微調整或加入一 些小規模的元素來改善模型，而一直重複此過程便能得到一個收斂、 理想且符合資料的平衡解（balanced solution）。
平衡剖面可以分為分析他人的剖面與自己建置的剖面（王佳彬, 2004）（圖 6），資料的品質愈佳和控制點愈多，其繪製出的平衡剖面 也愈合理且完整，一個平衡剖面是一個假設與資料合理化的剖面，其 高度依賴於假設的可性度，剖面資料會依不同的假設而產生不同的解 答。 圖6、建立平衡剖面之流程圖（修改自王佳彬, 2004）
4.2 砂盒物理模型研究方法與流程
本研究實驗流程及架構如圖7 所示，起初整理研究區域相關地質 資料，包括地表地質資料、地球物理資料、地下鑽井資料、平衡剖面 資料及震測剖面解釋資料……等，逐一進行詳細瞭解，提出研究區域 地質問題，接著針對地質問題提出可能之假設，進而設計實驗邊界條 件及實驗矩陣，然後依實驗矩陣配置與架設模型進行實驗。在實驗過 程中，分別由平面(俯視)及剖面照相紀錄，可幫助了解構造演育之三 維立體形貌及其發育機制，而實驗結果將與區域地質現況做比對與討 論，若符合則表示實驗假設為合理，若不符合則重新修正實驗邊界條 件的設定，再重新作砂盒模型實驗直到與現地比對符合或具有可接受 之相似性。4.2.1 實驗儀器
模型實驗架與擠壓活塞：物理模型實驗儀器為支撐模型及馬達的 骨架。此儀器由方形鋼焊接而成，其長、寬、高各為 120 公分、100 公分、200 公分。模型擠壓之動力裝置為三個馬達分別推動一支活塞 所組成，該馬達會裝置於物理模型實驗儀器上。此外馬達推動活塞的 速度由電腦控制，可以減少人為推動之實驗誤差及速度不均之狀況。4.2.2 實驗材料
實驗材料的選擇應考慮下列條件：(1)材料不會與周圍物質產生 反應、(2)試驗過程中其自身的物理性質不會改變、(3)切剖面觀察時 不會因為側向支撐移去而不穩、(4)實驗中的尺度比例（scaling ratio） 要相同。根據Hubber（1951）與 Naylor et al.（1986）的研究，乾砂 的破壞行為是遵循 Navier-Coulomb 定律，其內聚力可以忽略，內摩 擦角為30°，與自然界多數岩體的內摩擦角相同。當模型與自然界實設定模型邊界條件 實驗觀察與紀錄 實驗結果與區域地質現況比對 結論 整理區域地質相關之前人研究 提出區域地質問題 模型配置與架設 製作模型實驗 符合 不符合 圖 7、 實驗研究流程
體的比例在10-4 與 l0-7之間時，乾石英砂是最適合作為模擬脆性變形 行為的材料。因為本研究對象為上部地殼的脆性沈積岩，故本研究選 定乾石英砂作為模擬的材料。本實驗研究對象為造成斷層彎曲褶皺 （fault-bend fold）所需之前向斷坡（frontal ramp），此斷坡必須具有 阻擋應力傳遞之特性，所以當變形應力到達此處時將被阻擋而無法向 前 傳 遞 ， 使 得 變 形 量 集 中 在 此 斷 坡 。 而 本 研 究 選 用 投 影 膠 片 （transparency）為實驗材料進行模擬前向斷坡的存在，於石英砂體中 放置一傾斜約30o之投影膠片，以控制三義斷層發育位置與其位態。
4.2.3 石英砂染色及處理
為了觀察實驗模型變形之過程，觀察地質構造發育的過程，必須 鋪設不同顏色的石英砂來作為分層之指標以利於方便辨識。而石英砂 染色的步驟及方法敘述如下：利用亞甲藍（C6H18ClN3S‧XH2O） 當色母，先以水把色母稀釋均勻，再倒入石英砂並加入適量的水來均 勻攪拌，攪拌過程至少 30 分鐘，等確定所有染砂均變成藍色後浸泡 2~3 天，浸泡過程中需每日進行適當的攪拌，當石英砂均勻充分染色 後，用大量的清水反覆沖洗，將石英砂上多餘的色母清洗乾淨，最後 將染色完成的砂置於烤箱烘乾或自然風乾。4.2.4 鋪設石英砂
在鋪砂的過程中，每鋪一層厚0.5 公分的白色石英砂後再加鋪一 薄層的藍色石英砂，作為切剖面時觀察砂體變形、錯動的指標層。為 了方便觀察砂盒模型俯視圖下各種構造現象發育，使變形現象更易於 辨識，特別在砂體表面鋪上一薄層藍色石英砂後以白色石英砂在其表 層畫上網格線，所畫之每個網格大小為邊長5 公分之正方形（圖 8）。圖 8、砂體表面圖示，每方格為 5cm2。
4.2.5 鋪設投影膠片
投影膠片（transparency）為實驗材料進行模擬三義斷層前向斷坡 的存在，根據平衡剖面其斷坡是介於五指山層以前到河排層之間，所 以在鋪完上述兩層之間的厚度時，於石英砂體中作記號並插入一傾斜 約30o 之投影膠片，此步驟完成後會看見投影膠片的頂部剛好會出露 於石英砂體表面，因此投影膠片的長度必須掌控好。因為三義斷層約 在更新世開始發育，所以最後再繼續鋪石英砂模擬直到頭嵙山層（更 新世所沈積）為止的厚度。4.2.6 實驗觀察與紀錄
對於實驗過程中砂體所發育之各種構造現象，除了以肉眼觀察並 紀錄外，並以照相機置於模型實驗儀器的正上方及側方，以手動拍照 方式（即時掌控）來紀錄在整個實驗過程中模型表面及剖面的變形情 形。4.2.7 剖面處理與紀錄
在砂盒實驗完成後，必須鋪上一層厚約 2 公分的石英砂，以防止 後續灑水的步驟擾亂地表形貌。灑水以噴霧的方式進行，先噴濕石英 砂的表面，使表面構造能固定，不致受到震動等方式而破壞砂層表面 的構造，再持續對砂層噴水，直到所施加之水量足夠滲透、浸溼整個 砂層。等待一段時間（約8~10 小時）後，當砂體內水分溼度恰當時， 再以細薄刀子來切剖面，使剖面完整呈現，再以照相的方式紀錄剖面 上的構造。五、平衡剖面結果
本研究利用Geosec 2D 構造模擬分析軟體，於研究區域內繪製一 條連接HTP-2、HSL-2（投影）、CHK-120、TCS-2（投影）、TCS-20、 TCS-37 等井下資料之平衡剖面，此剖面由西到東橫跨大窩山斷層、 細道邦構造、小南勢斷層、紙湖向斜、桂竹林斷層（三義斷層向北延 伸）、出磺坑背斜、銅鑼向斜、通宵背斜等重要構造（圖 1 中之 Line 2、 圖9）。 研究區域包含新繪製剖面一共有五張平衡剖面，不過只有新繪製 平衡剖面(圖 1 中之 Line 2)同時通過南-北走向之三義斷層（桂竹林斷 層）與東北東-西南西走向之小南勢斷層，因此小南勢斷層的地下形 貌以及與三義斷層兩者地下相連的問題，例如小南勢斷層是否切穿三 義斷層之下盤、斷層兩側之岩層厚度是否有差異以及斷層發育先後順 序，就能藉由繪製剖面探討其可能的答案，並找出最合理的解釋。因 此對於研究區域內橫移構造南、北兩側地質構造之極大差異，以及探 討本橫移構造的幾何特性與成因，新繪製之平衡剖面 Line 2 便扮演 著不可或缺的重要角色。5.1 細道邦背斜構造
HTP-2 號井鑽遇的出磺坑層並沒有看到逆斷層造成的地層重複 現象，所以其厚度可能為原有的沉積厚度，其井下報告即認為該井鑽 到正常層序。出磺坑層上段（916 公尺~1497 公尺）以深灰色頁岩和 砂質頁岩為主，其中值得注意的是在 1040 公尺~1042 公尺處發現斷 層擦痕（30%），但並無層位落差，除了此限定條件之外，地表的地 層位態資料以及井下地層位態有重大變化；地表的傾角（dip）約 38o~50o，但是出磺坑層的傾角卻轉變成極為平緩的角度（圖10），因圖 9、本研究新繪製之平衡剖面 Line 2，此剖面由西到東橫跨了大窩山斷層、細道邦構造、小南勢斷層、紙湖向斜、桂 竹林斷層(三義斷層向北延伸)、出磺坑背斜、銅鑼向斜、通宵背斜等構造。TKS：頭嵙山層；CL：卓蘭層；CS： 錦水頁岩；KC：桂竹林層；SF：上福基砂岩；TU：東坑層；KY：觀音山砂岩；TL：打鹿頁岩；PL：北寮層； CHK：出磺坑層；TK：大寮層；MS：木山層；WS：五指山層；Pre-WS：前五指山層
此在剖面細道邦背斜中之出磺坑層（1040 公尺）繪製一條局部的底 滑面，此底滑面除了可以解釋斷層擦痕的存在之外，還可以解決地表 與地下之地層傾角的重大變化。 圖10、平衡剖面中細道邦二號井與地表之地層傾角關係圖，可以觀 察到地表的傾角到了出磺坑層卻轉變成極為平緩的角度。 在繪製平衡剖面東半部之細道邦背斜的過程中，其斷層彎曲褶皺 的形貌有經過地層褶皺和斷層彎曲兩者之間幾何形貌上之定量關係 的驗證（Suppe and Namson, 1979；Suppe, 1983）。根據 Suppe and Namson（1979）的描述，斷層彎曲褶皺的形成可以解釋為斷層由原 滑離面逆衝上升到另一個滑離面時，因為斷層彎曲而引起斷層上盤地 塊內之地層褶皺，而地層褶皺和斷層彎曲兩者之間幾何形貌上有定量 關係。圖 11 中斷層形貌和褶皺形貌之間的定量關係（φ、β、γ、θ） 有四個基本假設：(1)必須是二維情況、(2)體積（或面積）守恆、(3) 岩層厚度守恆（parallel folding）、(4)斷層彎曲及造成之地層褶皺為遵 守急劇轉彎（kink method）的方式。圖中參數 φ 為斷層彎曲的角度， γ 為褶皺軸與地層的交角（axial angle），θ 為斷層彎曲前與上盤地層
圖11、斷層彎曲褶皺之幾何形貌（引自 Suppe and Namson(1979）） 的交角，β 為斷層彎曲後與上盤地層的交角。此外在厚度守衡的原則 下其兩邊γ 的角度必須相等。 Namson（1981）文章中有舉例來說明如何運用斷層彎曲褶皺中 褶皺形貌與斷層形貌之間參數相對應關係，起初若得知φ、β、θ 其中 兩個參數時，將可以利用圖 12 來獲得剩下未知的參數，或者在 φ=θ 的情況下可以確認此褶皺為單一階梯（simple step）所形成之斷層彎 曲褶皺（Suppe, 1983）。換句話說，利用此方法就能根據地表上褶皺 形貌來推測地底下斷層形貌。 圖 12 為描述斷層彎曲褶皺中褶皺形貌與斷層形貌之間參數（φ、 β、γ、θ）相對應關係圖（Suppe, 1983）。本研究將此觀念應用於新繪 製之實際構造平衡剖面 Line 2 中的三義斷層與細道邦背斜（圖 9）， 由於其為典型的斷層相關褶皺構造，因此可以利用各種參數（φ、β、 γ、θ）相對應關係來檢驗此構造的合理性。經過量測構造平衡剖面 Line 2 之後，斷層彎曲的角度(φ)為 28o，斷層彎曲後與上盤地層的交 角(β)為 30o，斷層彎曲前與上盤地層的交角(θ)為 28o，這時候將測量 得知的三個參數(φ、β、θ)代入圖 12 則可以查出褶皺軸與地層的交角
圖12、斷層彎曲褶皺中褶皺形貌與斷層形貌之間參數(φ、β、γ、θ) 相對應關係圖（引用自 Suppe(1983)）
圖13、單一斷坡下之斷層彎曲褶皺中上盤剪力角度 α*（angular shear angle）與 φ、γ、θ 之間的相對應關係圖（引用自 Suppe(1983)）
（γ）約為 72o，雖然在剖面Line 2 上實際量測之 γ 值為 69o，誤差值 約為4%，仍然在合理範圍之內。
假設在研究區域中斷層彎曲褶皺發展過程有發生背部剪切作用 （backshear），則可運用單一斷坡下之斷層彎曲褶皺中上盤剪切角度 α*（angular shear angle）與 φ、γ、θ 之間的相對應關係（圖 13）。本 研究將已知同樣的參數（φ=28o、γ=69o 、θ=28o）帶入後其剪切角度α* 約為9o。不過，在真實地質情況下細道邦背斜是否真有發生背部剪切 作用（backshear）仍需更進一步研究。
5.2 出磺坑背斜構造
CHK-120 號井為出磺坑背斜構造南端之深井，由河排層下段鑽 入至五指山層 ，在 4378 公尺附近鑽遇一正斷層，地層缺失約 85 公 尺，延伸至地表上為芎蕉坑斷層，屬於出磺坑背斜之軸部斷層。HSL-2 號井位於本剖面南邊約0.52 公里。根據井下報告在 CHK-120 號井以 南發現兩處斷層泥，證明橫向之芎蕉坑斷層確實存在於 CHK-120 號 井與 HSL-2 號井之間，並截切背斜而形成新隆地塊。HSL-2 號井鑽 至地下 3372 公尺時，岩性由海相之碧靈頁岩轉變為陸相之煤系地 層，碧靈頁岩下部有缺失，判斷鑽遇層位落差（stratigraphic throw） 約為 200 公尺之正斷層，而經由地面追蹤得知為一走向西北-東南之 新隆斷層。本井鑽穿過新隆斷層而到達下盤後，因鑽遇背斜軸部附 近，所以地層之傾角變緩（圖9）。 因為 HSL-2 號井位於剖面之南部，且於出磺坑背斜南部（anticline plunge 往南），所以實際上在剖面中的層位及傾角和投影井之井下資 料有些差異（圖 9）。另外，HSL-2 號井鑽遇之新隆斷層往北投影至 平衡剖面上並未出露地表，其與芎蕉坑斷層同為出磺坑背斜之軸部斷層。鍾開增（1996）認為此兩條斷層可能是褶皺晚期所發生的一組共 軛斷層。 本平衡剖面包含出磺坑背斜軸部南端，其軸部附近地層傾角平 緩，但遠離軸部之處兩翼傾角變陡達約 80o，大致上淺部構造保留緊 密褶皺的形態，且由井下資料地層傾角的變化可以知道往深部其背斜 兩翼傾角變緩而形成中度開展的背斜構造。
5.3 通霄背斜構造
在剖面西部之 TCS-37 號井於 2280 公尺處鑽遇逆斷層，地層落 差約為50 公尺。TCS-9 號井（Line 2 中 TCS-37 號井位置之直井）和 TCS-37 號井非常相近，且因為九號井並未鑽遇任何斷層，因此可以 推斷於 TCS-37 號井所鑽遇之逆斷層規模並不大，而且在東邊的 TCS-2 號井也未發現任何斷層，所以此小規模斷層只存在於東、西方 兩井之短距離之內。另外，配合 TCS-9 號井和 TCS-2 號井之地層層 位與地表傾角資料，發現兩井之間從錦水頁岩底部到打鹿頁岩頂部有 落差，所以推論此斷層為小規模且高角度之逆斷層（圖9）。 介於投影井 TCS-2 號井與東邊之 CHK-120 號井之間的區域，其 構造位態可由地表資料以及兩井之井下資料來控制。解釋結果顯示此 區域有地層層位的落差，最大達到 440 公尺。由於 TCS-2 號井並沒 有鑽遇任何斷層，此地層層位落差若以地層傾角突然轉變來解釋，與 地表位態資料並不符合，再加上兩側地層厚度並不一致－卓蘭層、錦 水頁岩、桂竹林層、北寮層都是東部較厚而西部較薄，因此本研究於 投影井 TCS-2 號井東側繪製一條朝東傾斜且未出露至地表之高角度 正斷層，如此便能解決地層層位落差與地層厚度不均的問題。TCS-20 號井在北寮砂岩上部採取岩心，得知地層傾角為6o~7o（圖9），顯示本地帶之地層傾斜並未受到五號井西北方地表較陡地層之影響。此平 衡剖面地層厚度控制最深到達五指山層（WS），依據剖面南方約 0.8 公里之TCS-28 號井，其鑽穿五指山層到達上始新統地層，故採用五 指山層厚度為464 公尺。
5.4 三義斷層與小南勢斷層
Diegel（1986）描述地表上兩條逆衝斷層結合成一條斷層時，在 地底下合併或者分離的情形（圖14）。圖中綠色框線內的情形為斷層 面傾向後陸（hinterland dipping），且靠近前陸之斷層平行於較老地層 時，其兩條斷層會在正下方（地底下）連接在一起。將此概念運用於 本研究區域，在圖一中Line 2 通過之小南勢斷層和桂竹林斷層，其在 地表上向南方交會，而較老地層（東坑層）又平行於桂竹林斷層，因 此桂竹林斷層和小南勢斷層將會在正下方交會。所以在Line 2 中（圖 9），三義斷層往北延伸的桂竹林斷層在地底下會和小南勢斷層相會 聚，這也暗示著小南勢斷層並沒有向下切穿三義斷層的下盤（圖9）， 所以小南勢斷層只是存在於三義斷層上盤之高角度斷層。 圖14、地表上之兩條逆衝斷層結合成一條逆衝斷層時，其合併的交 線(branch line)之分布情況。圖中陰影區代表較老之地層，依逆衝方向 的不同而有所改變（摘自Diegel, 1986）藉由比較平衡剖面Line 1 與 Line 2，可以顯示其 Line 1 之三義斷 層向北延伸可以接到Line 2 之桂竹林斷層，因為兩條斷層上盤構造有 相當程度的類似，且斷層皆沿著河排層滑移，而小南勢斷層只是三義 斷層上盤的一部分。整個三義斷層上盤在推進過程中都有受到細道邦 背斜下方的前向斷坡（frontal ramp）的影響而形成斷層彎曲褶皺 （fault-bend fold）。因此，橫移斷層的位置相當於桂竹林斷層北段而 非前人認為的小南勢斷層。整體而言，地底下三義斷層為一低傾角的 淺部斷層，其向東延伸於細道邦構造之下，再向山根方向下切至更深 的滑脫面，形成一局部的斷坡面（圖 2、圖 9），而其中斷坡面的滑移 作用形成地表的細道邦背斜，為一個典型的斷層彎曲褶皺。另外，三 義斷層在其斷坡面的滑移作用形成細道邦構造時，都是沿著河排層底 部滑移（圖 2、圖 9），此可由三義斷層在地表上沿著河排層（東坑層 和觀音山砂岩）底部出露而得到証明；所以延伸到地底下此斷層也沿 著河排層底部滑移，形成一長約8~9 公里的斷坪（flat）。 對於造成小南勢斷層左右兩側的地層厚度差異（圖 15）的可能 原因包括：(1)、早期位於東部區域（現今細道邦構造附近之位置）， 其接近盆地沉積中心，東北-西南走向之小南勢斷層開始發育，為一 朝東南方傾斜之高角度生長正斷層，約於中新世晚期活動速度達到最 高，因此斷層上盤之東坑層明顯增厚，後期小南勢斷層停止發育並且 隨著造山運動的擠壓反轉（inversion）成逆斷層，隨後於更新世中期 至晚期開始發育三義斷層，而小南勢斷層便隨著三義斷層上盤一起被 帶往現今之位置；(2)、走向滑移斷層的作用，由於本身滑移量較小， 所以此可能性較小。
圖15、新繪製之平衡剖面 Line 2 於小南勢斷層的放大圖，斷層兩側 之地層厚度於東坑層有明顯差異。
早期正斷層構造在往後逆衝斷層活動的時期，有些早期正斷層會 受到反轉作用而形成高角度逆斷層，或者之後再被低角度逆衝斷層切 過，這些早期正斷層和後期的逆衝斷層彼此間有著各種不同的夾角關 係（Welbon and Butler, 1992），因此形成多樣的複雜構造（圖 16）， 而小南勢斷層與後期三義斷層之演化便類似圖 16（a-1）的情形（綠 色虛線方框），傾向於後陸方向之早期正斷層受到反轉作用而形成高 角度逆斷層，隨後再以圖 16（a-2）的情況（綠色實線方框），被低角 度逆衝斷層切穿並且上盤往前陸方向前進而形成現今之形貌。
圖16、早期正斷層與隨後逆衝斷層彼此間各種不同的演化情形，點 狀區域代表早期正斷層活動之前所沉積強度較大的岩層，而空白區 域代表隨後正斷層活動的期間所沉積強度較小的岩層。（修改自 Welbon and Butler, 1992）
六、實驗結果
本研究依據地表、地下地質與平衡剖面分析來提出之工作假說， 其討論變因分別為：(1)後阻體之水平擠壓量，(2)控制三義斷層發生 之膠片傾角與位置，(3)正斷層再活動時之滑移特性與滑移量，模型 設計之配置如圖17 所示，砂盒模型之界面條件如表格 2 中所示： 表格2、砂盒模型之實驗矩陣 實驗代號 後阻體水平擠壓量 膠片位置 (距離後阻體) 膠片頂部高度 膠片角度 總厚度 FBF-1 14.5cm 20cm 2cm 0o 4cm FBF-3 11cm 15cm 2.5cm 31o 3.5cm FBF-4 18cm 19.7cm 2.5cm 37o 3cm FBF-5 18cm 19.7cm 2.5cm 31o 3.5cm FBF-6 18cm 19.7cm 2.5cm 33o 4cm 本研究中於研究區域南部放置了投影膠片（transparency）來代表 斷坡（ramp）的存在(圖 17 中綠色長方形區域)。根據數張平衡剖面 的 分 析 ， 得 知 造 成 斷 層 彎 曲 褶 皺 之 斷 坡 將 往 北 方 側 向 尖 滅 （termination）。所以實驗模型設計投影膠片之寬度為 25 公分放置南 部區域，而北部區域以及中間部分預留了 35 公分的寬度來觀察實驗 發展，尤其是中間橫移構造的部份必須特別留意。 模型中斷坡傾角的設定為根據南部平衡剖面 Line 1、Line 2 中之 斷坡角度來作參考（圖18），圖中平衡剖面Line 1 斷坡角度為角度為 31o，平衡剖面 Line 2 斷坡角度為角度為 28o，所以模型斷坡角度設 定為介於 28o~31o之間。而實驗 FBF-3 中斷坡傾角為 31o，所以在預 設的範圍之內。圖17、本研究砂箱模型設計配置圖 圖 18、南部平衡剖面 Line 1、Line 2 中之斷坡位置圖示 本研究實驗結果可以用實驗代號 FBF-3 及 FBF-5 之模型來說 明。圖 19 為模型 FBF-3 實驗結果之地表斷層跡線演化圖，圖中綠色 虛線之方框代表研究區域南部之原始斷坡的位置，也是膠片放置的位 置。紅色實線代表地表斷層跡線，藍色實線則代表某階段最新發育之 斷層，例如圖 19 中共有七個階段（A~G），而階段 H 為最終停止的 形貌，其後阻體水平擠壓量為10.5 公分。值得注意的是，階段 C
圖 19、實驗 FBF-3 之地表斷層跡線演化圖，以新發育斷層的順序分 為七個階段(A~G)以及實驗終止時的地表斷層跡線分佈情形(H)
的南部區域可以觀察到因為斷坡的存在使斷層傳遞的速度明顯地比 北部區域快（圖 19-C），此斷坡具有阻擋應力傳遞之特性，所以當變 形應力到達此處時將被阻擋而無法向前傳遞，使得變形量集中在此斷 坡因此斷層順著斷坡（投影膠片）往上發育。此外，於階段 D 開始看 到橫移斷層的發育（圖19-D 中藍色實線），中間部分是因為兩側斷層 的行進速度不同所拉出來的東北東-西南西走向橫移斷層，此位置相 當於地質圖上的桂竹林斷層北段（三義斷層向北延伸），而前人認為 此橫移斷層就相當於小南勢斷層，但經過新繪製平衡剖面 Line 2 得 知小南勢斷層只是三義斷層上盤的一部分，而三義斷層主要還是延伸 到桂竹林斷層，整個斷層上盤行進過程中都有經過細到邦背斜下方的 前向斷坡（frontal ramp）而形成斷層彎曲褶皺（fault-bend fold），所 以在此更突顯出新繪製剖面 Line 2 的重要性。因此，橫移斷層的位 置相當於桂竹林斷層北段而非前人認為的小南勢斷層。 另外，在最後階段 H（圖 19-H）可以清楚看到南、北兩側的斷 層間距明顯不同，南部的斷層間距比北部來的大。此現象也是跟兩側 斷層的行進速度有關係，加上南部區域的斷坡有引導應力的作用，因 此斷層間距在階段C 時就明顯地拉大（圖 19-C）。 取實驗 FBF-3 之南部剖面可以看到逆衝斷層之發育在碰到膠片 之後發育出良好之斷層彎曲褶皺（圖20）。有放置膠片的南半部剖面 其斷坡的角度為 31o，模型中的膠片在地質上反映的是一機械強度極 弱的斷層帶或脆弱帶，具有阻擋應力傳遞之特性，當變形應力到達此 處時將會被阻擋而無法向前傳遞。所以當後阻體擠壓石英砂所發育之 逆衝斷層碰到膠片時，逆衝斷層沿膠片運動至砂體表面後沿砂體表面 繼續滑動，表現出來的構造型態如同斷層彎曲褶皺式之逆衝斷層一 般，而不像傳統之擠壓砂盒模型發育一系列傾向朝向後阻體之覆瓦狀
逆衝斷層。此外，在斷坡（ramp）的地方為應力集中之處，因此可以 觀察到兩條反向逆衝斷層（backthrust）的發育（圖 20 中綠色實線）， 而其中較淺的反向逆衝斷層有切穿前期發育之第三條逆衝斷層。 於沒有放置膠片的北部剖面 E（圖 21），則如傳統擠壓砂盒模型 發育一系列傾向朝向後阻體（hinterland dipping）之覆瓦狀逆衝斷層 構造。另外剖面中斷層的間距也相當一致，有別於代表南部剖面 L 之斷層間距（圖20）。此外，在模型中間附近再切一條剖面J（圖 22）， 此剖面並未包含到投影膠片，因此也是發育出一系列覆瓦狀逆衝斷 層。觀察剖面J（圖 22）可以發現其依然與北部之剖面（圖 21）頗為 相似，只是在剖面J 中的斷層間距（spacing）有稍微增大的現象，顯 示出在此模型中間的過渡帶中，其幾何型貌也會受到南部構造的些許 影響。
圖22、實驗 FBF-3 代表中間過渡帶區域之剖面 J，此剖面距離投影膠 片相當近而並未包含到投影膠片
在整個實驗 FBF-3 中可以非常清楚地觀察到在一個極小範圍內 發育了從典型斷層彎曲褶皺到一系列覆瓦狀逆衝斷層此兩種截然不 同的構造型態（圖 20、圖 21、圖 22）。其中造成此實驗結果的關鍵 就是投影膠片的存在，其代表了前述平衡剖面Line 1 和 Line 2 中的 前向斷坡（圖2、圖 9），因此模型結果顯示了前向斷坡（frontal ramp） 的側向尖滅（termination）就可以造成兩種截然不同的構造型態，而 並不需要側向斷坡（lateral ramp）的存在。所以透過側向尖滅之前向 斷坡，可於地表發育出與桂竹林斷層北段類似之橫移構造，且於橫移 構造之北側發育以逆衝斷層及伴生之斷層拓展褶皺（fault-propagation fold）為主，南側則為逆衝斷層及伴生之斷層彎曲褶皺（fault-bend fold）。此一研究結果提供本研究區域地質構造發育之全新思考模式， 可為本區油氣探勘之重要參考依據。 為了預測將來本研究區域的未來發展，特別執行了後阻體水平擠 壓量從 11 公分提高到 18 公分的實驗 FBF-5(表 2)。圖 23、圖 24 為 模型FBF-5 實驗結果之地表斷層跡線演化圖，圖中綠色虛線之方框代 表研究區域南部之原始斷坡的位置，也是膠片放置的位置。紅色實線 代表地表斷層跡線，藍色實線則代表某階段最新發育之斷層，例如本 實驗共有十個階段（A~J），而階段 K 為最終停止的形貌，其後阻體 水平擠壓量為18 公分。 本實驗和前述實驗FBF-3 除了後阻體水平擠壓量的差別之外，因 為不能破壞南部的斷層彎曲褶皺（fault-bend fold）而把投影膠片的位 置往後擺置，從原本距離後阻體 15 公分增加到 19.7 公分(表 2)，這 樣擠壓量到達最後（18 公分）時也不會碰到投影膠片，其他條件因 子如投影膠片頂部高度、投影膠片角度、總厚度都維持不變。值得注 意的是，演化到階段F 的時候（圖 23-F）地表斷層跡線的分佈情
圖24、實驗 FBF-5 之地表斷層跡線演化圖第八到第十階段（H~J）以 及實驗終止時的地表斷層跡線分佈情形（K）
形與實驗 FBF-3 的最終階段（圖 19）相當類似，而差別只在發育於 橫移斷層以前的逆衝斷層多出一條，此現象是因為本實驗的投膠片位 置往後放置，所以變形前緣會比較晚到達投影膠片的位置，因此才會 多出一條逆衝斷層。根據上述的分析說明了實驗 FBF-3 以及 FBF-5 具有實驗重複性，也提高了實驗的可信程度。 觀察新發育的地表斷層跡線可以發現其北部區域的斷層間距 （spacing）有增大的趨勢（圖 23-G），此現象是因為南部區域之斷層 彎曲褶皺的快速發展，在前期於南、北之間造成了撕裂斷層（tear fault），而後期南部區域離後陸（hinterland）較遠的斷層影響了北部 斷層的間距。實驗往後持續發展至後阻體水平擠壓量為16.2 公分（階 段 I）時，可以觀察到北部區域新發育一條造山帶變形前緣之逆衝斷 層（圖 24-I），不過此逆衝斷層延續到了南部區域的一小部分就停止 發育，之後於下一個階段（水平擠壓量為 17.3 公分）在整個南部區 域產生新的逆衝斷層（圖 24-J），此斷層與北部發育之逆衝斷層相連 接，由發育之順序可以推論北部新發育之逆衝斷層在後期有一部分之 斷層滑移量由北部斷層轉移到南部新發育之逆衝斷層（圖24-I~J）。 取實驗 FBF-5 之南部剖面可以看到逆衝斷層之發育在碰到膠片 之後發育出良好之斷層彎曲褶皺（圖 25），其放置膠片的角度為31o。 另一方面，代表南部之剖面 I 前期所發育之斷層彎曲褶皺中的斷坪 （flat）的角度有變陡之趨勢（tilt），此現象是因為後期變形前緣逆衝 斷層的發育，導致位於新發育斷層上盤中的斷坪跟著一起被影響而使 其角度增大。
圖 25、實驗 FBF-5 代表南部區域之剖面 I，下圖為經過解釋之剖面， 紅色實線代表正向逆衝斷層，綠色實線代表反向逆衝斷層，圖之右上
圖26、實驗 FBF-5 代表北部區域之剖面 E，下圖為經過解釋之剖面， 紅色實線代表正向逆衝斷層，綠色實線代表反向逆衝斷層，圖之右上 方黃色實線代表地表之剖面位置。 為了更清楚地說明造山帶變形前緣之兩條逆衝斷層在地底下的 分布及連接情形，於地表斷層跡線結合之處再切一剖面H（圖 27）， 其與剖面I（圖 25）在相同比例之下經過比較可以發現結合之斷層在
地底下之位置是與剖面I 中靠近變形前緣處第二條逆衝斷層相連的， 因此以變形前緣逆衝斷層的相連情形可以說明代表北部區域之斷層 發育之後，再發育南部區域之逆衝斷層。 藉由比較南、北兩側含新發育之逆衝斷層的剖面可以發現，代表 北部之剖面 E（圖 26）在變形前緣新發育出兩條反向逆衝斷層 （backthrust），而代表南部之剖面 I（圖 25）卻沒有發育。此現象為 斷層位移量的不同所導致，因為研究區域南部發育之斷坡（ramp）、 斷坪（flat）的位移量很明顯地比北部逆衝斷層（圖26）大上許多， 而在相同擠壓量之下為了遵守位移量的平衡（Dahlstrom, 1969），於 北部逆衝斷層之底部便發育出兩條反向逆衝斷層（backthrust）來平 衡滑移量的不足（圖 26 中綠色實線）。不過此新發育的反向逆衝斷層 並未出露至地表，所以一般在繪製構造平衡剖面的時候，並沒有考慮 到此觀念和現象（地表上未發現），因為扮演極重要之角色的井下資 料在一條平衡剖面上數量並不多，導致鑽井和鑽井之間的距離很大， 因此在沒有井下資料的地方其構造的未知性及複雜程度就相對地提 高了。而在砂盒物理模型中得知地底下構造發育的一種可能性（未出 露地表之反向逆衝斷層），所以在繪製平衡剖面時必須把此觀念考慮 進去，才能更精確地預測構造之實際位置。
圖27、實驗 FBF-5 代表中間區域之剖面 H，下圖為經過解釋之剖面， 紅色實線代表正向逆衝斷層，綠色實線代表反向逆衝斷層，圖之右上
七、討論
1. 根據張麗旭（1951）及孟昭彝（1963）之地質圖所示，認為三義 斷層似應通過大湖南方和小南勢斷層相接（李錦發，2000）。邱華燈 （Chiu，1968）提出小南勢斷層為三義斷層向東之延長，其斷層面近 於垂直，地層落差約為 250 公尺。然而藉由比較平衡剖面 Line 1 與 Line 2，顯示其 Line 1 之三義斷層向北延伸可以接到 Line 2 之桂竹林 斷層，因為兩者上盤構造有相當程度的類似，且斷層皆沿著河排層底 部滑移，而小南勢斷層只是三義斷層上盤的一部分。整個三義斷層上 盤在推進過程中都有受到細道邦背斜下方的前向斷坡的滑移作用而 形成斷層彎曲褶皺。此外，橫移構造的位置相當於桂竹林斷層北段而 非前人認為的小南勢斷層。 2. 孟昭彝（1963）根據三義斷層上盤的地層構造推測三義斷層本身 的地下形貌，其結合三義斷層地表轉折的跡線以及地下彎曲的形貌提 出三義斷層的發育乃是由南北走向平直的地表跡線，在向西北推進過 程中，北端受隆起之出磺坑背斜的阻力，而形成東-西走向一段的跡 線，因此伴隨此一變化，簡單的地下斷層形貌也演變成彎曲的形貌。 另外，洪日豪（1992）則提出三義斷層轉折的地表跡線顯示三義斷層 在發育開始即具有三度空間的形貌，南北走向的一段代表低角度逆斷 層向前逆衝的前斷坡，而東西走向的一段則代表側斷坡或斜斷坡的形 貌（frontal-transverse-frontal ramp array）（圖 28）。
而本研究之成果顯示東北東-西南西向桂竹林斷層之發育，於地 表下並不一定需要側向斷坡之存在，透過前向斷坡之側向尖滅（圖 17、圖 19、圖 20、圖 21），亦可在地表上產生類似桂竹林斷層北段
圖28、斷層下盤之前向斷坡-斜向斷坡-前向斷坡之形貌，其中α=0o 代表側向斷坡（引自Hung,1992） 之橫移構造，且此一橫移構造北側發育出以傾向朝東之逆衝斷層及伴 生之斷層拓展褶皺，南側則以逆衝斷層及斷層彎曲褶皺之發育為主， 此一特性亦符合目前地下地質構造之解釋。本研究結果提供研究地區 區域地質構造發育架構之另一思考方向。 3. 根據新繪製的平衡剖面 Line 2，小南勢斷層的發育時間早於三義 斷層，早期小南勢斷層發育於研究區域東部（現今細道邦構造附近之 位置），為一朝東南方傾斜之高角度生長正斷層，約於中新世晚期活 動速度達到最高，因此斷層上盤之東坑層明顯增厚。後期小南勢斷層 停止發育並且隨著造山運動的擠壓反轉成逆斷層，隨後於更新世中期 至晚期開始發育三義斷層，而小南勢斷層便隨著三義斷層上盤一起被 帶往現今之位置。然而，洪日豪（1992）認為三義斷層先發育，在形
成細道邦背斜後於三義斷層上盤再發育出小南勢斷層。鍾開增（1996） 認為桂竹林斷層早期沿著碧靈頁岩上段發生層面滑移，爬升到觀音山 砂岩底部再度轉為層面滑移斷層，是一種斷坪-斷坡的台階式斷層； 後期由於出磺坑背斜的急速隆起，使桂竹林斷層的前緣變陡且切出地 表，同時沿早期的斷坡位置衝出小南勢斷層（break-back thrust），因 此認為小南勢斷層是最後才發生的。 本研究之平衡剖面 Line 2 中的小南勢斷層左右兩側之地層（特別 是東坑層）厚度有差異（圖 9），因此小南勢斷層勢必在更新世之前 已經存在且歷經活動，而三義斷層約於更新世晚期發育，所以本文認 為小南勢斷層之發育早於三義斷層。 4. 一般在繪製構造平衡剖面的時候很少考慮到反向逆衝斷層或盲斷 層扮演之角色，因為井下資料在一條平衡剖面上數量並不多而導致鑽 井之間的距離很大，所以在沒有井下資料或震測資料的地方其構造的 未知性便相對地提高。而在砂盒物理模型中則可顯示地底下可能的構 造發育（例如未出露之反向逆衝斷層）。若於本研究新繪製平衡剖面 Line 2 中細道邦背斜深處之三義斷層斷坡上繪製反向逆衝斷層，例如 實驗FBF-3 中之剖面 L（圖 20）以及實驗 FBF-5 中之剖面 I（圖 25）， 便能吸收三義斷層一部分之斷層滑移量，斷層上盤的幾何形貌也將跟 著改變。所以在繪製平衡剖面時必須把此可能性考慮進去，才能更精 確地預測構造之實際位置。
5. Suppe and Namson（1979）提出八卦力背斜軸部的小東勢斷層可能
為三義斷層向北延伸的一部分，而鍾開增（1996）也認為小東勢斷層 和桂竹林斷層實為同一條斷層，下斷坪在碧靈頁岩中、上段，是早期
生成的台階式斷層。 然而經過研究區域內之數條平衡剖面（圖 1、圖 2、圖 3、圖 9） 的比較，剖面 Line 3 中之小東勢斷層延伸至地底下為沿著碧靈頁岩滑 移（TK 層），往北可以連接剖面 Line 4 中之小東勢斷層，此斷層於 地底下同樣是沿著碧靈頁岩滑移（TK 層）。另外，根據井下報告，剖 面Line 3 中之 YMP-1 號井於地下 1930 公尺（碧靈頁岩）鑽遇小東勢 斷層，地層落差為 175 公尺，緊接著鑽遇斷層下盤之石底層（ST 層）， 而剖面Line 4 中之 PKL-3 號井於地下 2030 公尺（碧靈頁岩）也有鑽 遇小東勢斷層，地層落差為 180 公尺，與 YMP-1 號井之地層落差非 常相近，並且同樣鑽遇斷層下盤之石底層（ST 層），因此小東勢斷層 於剖面Line 3 與剖面 Line 4 中原為同一條斷層。 三義斷層之地下滑移面則深達前五指山層（Pre-WS 層）的位置 （圖9），明顯有別於小東勢斷層的地下滑移面（碧靈頁岩），因此Line 2 中三義斷層往北延伸之桂竹林斷層，並非連接到北方之小東勢斷 層，而是原先位於八卦力背斜軸部之小東勢斷層被錯開，而形成現今 之形貌（圖 1）。李錦發（2000）也認為桂竹林斷層自桂竹林向東北 延至新豐村一帶，轉向東北東方向，於截切小東勢斷層和八卦力背斜 軸之後，繼續往東被紅毛館斷層所截切。他所提出的證據為八卦力背 斜軸於草寮附近向右錯移約150 公尺，另外八卦力附近之觀音山砂岩 亦右移錯開約150 公尺。
八、結論
1. 本研究利用 Geosec 2D 構造模擬分析軟體新繪製之平衡剖面通過 南-北走向之桂竹林斷層與東北東-西南西走向之小南勢斷層，顯示三 義斷層往北延伸的桂竹林斷層在地底下和小南勢斷層相會聚，暗示小 南勢斷層並沒有向下切穿三義斷層的下盤，所以小南勢斷層只是存在 於三義斷層上盤之高角度斷層。2. 綜合平衡剖面 Line 1 與 Line 2，顯示 Line 1 之三義斷層向北延伸 可以接到Line 2 之桂竹林斷層而非小南勢斷層；三義斷層和桂竹林斷 層之上盤構造有相當程度的類似，且斷層皆沿著河排層滑移，而小南 勢斷層只是三義斷層上盤的一部分。整個三義斷層上盤在推進過程中 受到細道邦背斜下方的前向斷坡的影響而形成斷層彎曲褶皺。此外， 橫移構造的位置相當於桂竹林斷層北段而非前人所認為的小南勢斷 層。 3. 本研究之成果顯示東北東-西南西走向桂竹林斷層之發育，於地表 下並不一定需要側向斷坡之存在，透過前向斷坡之側向尖滅，亦可在 地表上產生如同桂竹林斷層之橫移構造，此研究結果提供了區域地質 構造發育架構之另一思考方向。 4. 在本研究之砂盒模型實驗中可以清楚顯示在一小範圍內發育了兩 種截然不同的構造型態；在實驗模型之北部發育出以傾向朝東之逆衝 斷層及伴生之斷層拓展褶皺，南部則以逆衝斷層及斷層彎曲褶皺之發 育為主，此結果與構造平衡剖面中觀察到的現象頗為類似。
5. 根據新繪製的平衡剖面，小南勢斷層的發育時間早於三義斷層； 早期小南勢斷層發育於研究區域東部（現今細道邦構造附近之位 置），為一朝東南方傾斜之高角度生長正斷層，約於中新世晚期活動 速度達到最高，因此斷層上盤之東坑層明顯增厚，隨後於更新世中期 至晚期開始發育三義斷層，而小南勢斷層便隨著三義斷層上盤一起被 帶往現今之位置。
