國立臺灣大學理學院地質科學研究所 碩士論文
Department of Geosciences College of Science
National Taiwan University Master thesis
從苗栗沿海地區之階地地形 探討苗栗前緣構造之活動特性
Active deformation of coastal and fluvial terraces by the blind Miaoli frontal structure in the Miaoli coastal area,
western Taiwan
袁宇威 Yu-Wei Yuan
指導教授：徐澔德 博士 Advisor: J. Bruce H. Shyu, Ph.D.
中華民國 107 年 1 月
January 2018
致謝
首先我的研究能走到這一步，要特別感謝我的指導教授徐澔德老師這三年半 以來的指導，以及口試委員李建成老師、詹瑜璋老師、賴光胤老師以及莊昀叡老 師，願意放我過關。
當然在研究的過程中有很多幫助過我的人事物，用前人的一句話總結就是：
「因為需要感謝的人太多了，就感謝天罷！」
（陳之藩，1961）
詳情請見附錄三
參考文獻：陳之藩 (1961) 謝天。在春風裡（1984 年初版），台北市：遠東圖書公司。
摘要
台灣島位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的聚合板塊邊界上，因呂宋島弧與歐亞 大陸邊緣的碰撞造山而形成。苗栗沿海地區位於台灣的西北造山前緣，此地的丘 陵地形緊鄰著海岸線，顯示此地區位於造山活動的影響範圍之內，然而在地質調 查所公布的活動斷層圖當中，此區域並沒有任何的活動斷層，前人文獻當中亦鮮 少討論此區域內構造的活動狀況。因此本研究希望能藉由觀察苗栗沿海地區的地 形，了解此區域內的構造活動狀況。
本研究在數值高程模型的輔助之下，觀察後龍溪到大安溪間沿海地區的地形，
搭配野外調查以及槽溝挖掘當中對階面沉積物以及底岩的觀察結果，分析該區域 的階地與河流分布之關係，以及階地形成與構造活動之間的關係，藉此確認構造 的活動程度以及位置。從區域內廣泛分布的階地可推測，整個區域確實受到構造 抬升所影響，其中以苗栗前緣構造的影響最為廣泛，因此本研究針對此構造進行 進一步分析，由野外所見的地層位態以及地形分析的結果，重建此構造之地下形 貌，並藉由階面沉積物的定年確認其活動速率。此外分析階面所受到的變形，除 苗栗前緣構造外，亦可觀察到斧頭坑斷層以及倒梯崎構造的活動跡象。
比較以上結果與前人的 GPS 以及震測剖面，發現斧頭坑斷層與苗栗前緣構 造之間的關係較為複雜，考慮到整個竹苗地區的構造活動模式，以及台灣造山向 南傳遞的現象，本研究認為斧頭坑斷層未來可能會截穿苗栗前緣構造，成為此區 域最主要的活動構造之一。
依照階地沉積物的定年結果進行推算，以上提到的構造皆符合地質調查所制 定的第二類活動斷層之標準，值得當地政府以及居民多加關注。
關鍵字：苗栗，苗栗前緣構造，階地，活動構造
Abstract
The island of Taiwan is located at the convergent boundary between the Eurasian and the Philippine Sea plates. The ongoing collision between the Luzon arc and the Eurasian continental margin produced the Taiwan mountain belt. In the Miaoli area in northwestern Taiwan, the hilly area extends all the way to the coast, suggesting that this area is influenced by tectonic activities. However, no active fault has been officially proposed in this area. Previous studies have not paid attention to structural activities in this area either. Therefore, this study analyzed the terraces in the Miaoli coastal area to understand the active structures and their activities.
This study focuses on the coastal area between the Houlong River and the Daan River. We analyzed the terrace distributions to study the relationship between the formation of terraces and structural activities, and observed the terrace deposits and bedrocks in outcrops and trenches. The wide spread terraces in this area suggest that the entire area is uplifted by the activity of a proposed Miaoli frontal structure. We constructed the subsurface geometry of this structure with bedrock and geomorphology observations, and calculated the slip rate of this structure with terrace sediment dating results. Based on the observation, the terraces are also deformed by the activity of two other structures, the Futokeng fault and a secondary Daotichi structure.
Based on the observations of GPS analysis and seismic profiles, we suggest that the structural development of the Miaoli frontal structure is related with the general structural evolution of the Hsinchu and Miaoli area, and the southward propagation of collision in Taiwan. The Futokeng fault may cut through the Miaoli frontal structure in the future and become one of the main active structures in this area.
Based on the results of the terrace sediment dating, many structures in this area can be considered as active structures. Therefore, it is important to consider future earthquake hazards of these structures.
Key words: Miaoli, Miaoli frontal structure, terraces, active structure.
目錄
致謝 ... I 摘要 ... II Abstract ... III 圖目錄 ... VII 表目錄 ... IX
第一章、緒論 ... 1
1-1.研究動機 ... 1
1-2.研究對象 ... 4
1-3.研究目的 ... 5
第二章、地質背景 ... 7
2-1.地形概要及水文環境 ... 7
2-2.地層分布 ... 9
2-3.地質構造 ... 11
第三章、研究方法 ... 17
3-1.階地地形分析 ... 17
3-1-1.階地的分類與其形成原因 ... 17
3-1-2.岩床型階地與活動構造的關係 ... 19
3-2.地形影像分析 ... 22
3-2-1.數值高程模型 ... 22
3-2-2. ArcMap ... 22
3-3.階面沉積物定年 ... 24
3-3-1. 放射性碳元素定年(radiocarbon dating) ... 24
3-3-2. 光螢光定年(optically stimulated luminescence dating, OSL) ... 25
3-4.構造剖面 ... 27
3-4-1.斷層彎曲褶皺 ... 27
3-4-2.斷層生長褶皺 ... 30
第四章、研究結果 ... 33
4-1.研究區域地形概況 ... 33
4-1-1.階地分布概況 ... 33
4-1-2.階面沉積物 ... 35
4-1-3.其他地形特徵 ... 36
4-2.高位階地 ... 37
4-2-1.高位階地分布概況 ... 37
4-2-2.槽溝挖掘 ... 40
4-3.西湖溪階地群 ... 44
4-3-1.河階分布 ... 44
4-3-2.河流及河階縱剖面 ... 46
4-3-3.河床底岩出露狀況 ... 46
4-4.南勢溪階地群 ... 48
4-4-1.階地分布 ... 48
4-4-2.河流及河階縱剖面 ... 50
4-5.階地綜合分析 ... 51
4-6.底岩測量與構造剖面 ... 53
4-6-1.模型選擇 ... 54
4-6-2.苗栗前緣構造的 pure-shear fault-bend-fold 剖面 ... 56
4-6-3.苗栗前緣構造的 simple-shear fault-bend-fold 剖面 ... 58
第五章、討論 ... 61
5-1.高位階地的形成與對比 ... 61
5-1-1.好望角高位階地群之形成環境與年代 ... 61
5-1-2.高位階地群之間的對比 ... 64
5-1-3.好望角地區 HT2 階的年代 ... 66
5-2.構造活動狀況 ... 67
5-2-1.斧頭坑斷層 ... 67
5-2-2.通霄背斜 ... 68
5-2-4.倒梯崎構造 ... 71
5-3.苗栗前緣構造 ... 74
5-3-1.苗栗前緣構造的地下形貌 ... 74
5-3-2.苗栗前緣構造與斧頭坑斷層之關係 ... 75
5-3-3 苗栗前緣構造之活動速率 ... 77
5-4.斷層滑移速率與 GPS 的關係 ... 78
5-5.誤差討論 ... 78
5-6.構造活動與河流發育間的關係 ... 79
5-7.構造演育模式 ... 81
5-7-1.竹苗沿海地區的高角度斷層發育 ... 81
5-7-2.苗栗前緣構造未來的發育趨勢 ... 84
第六章、結論 ... 85
參考文獻 ... 87
英文文獻 ... 87
中文與日文文獻 ... 93
附錄一、定年報告 ... 95
附錄二、階地判釋結果及文中照片位置 ... 99
附錄三、謝誌 ... 107
圖目錄
圖 1-1：台灣周圍的構造示意圖 ... 1
圖 1-2：苗栗地區之活動斷層。 ... 2
圖 1-3：台灣構造示意圖 ... 3
圖 1-4：研究區域之衛星影像。 ... 4
圖 2-1：本研究區域之 DEM 地形圖 ... 7
圖 2-2：苗栗沿海地區階地及河川演育歷史 ... 8
圖 2-3：本研究區域之地質圖 ... 10
表 2-1：本研究區域內主要地層表 ... 11
圖 2-4：竹苗地區之斷層演育模式。 ... 12
圖 2-5：本研究區域內構造分布概況 ... 13
圖 2-6：銅鑼斷層的分布位置 ... 15
圖 3-1：岩床型河階與沖積型河階的示意圖 ... 18
圖 3-3：岩床型階地的兩種形成過程 ... 19
圖 3-2：礫石為主的階面沉積物覆蓋在泥質或砂泥互層的底岩之上 ... 20
圖 3-4：近 5 百萬年以來的海水面變化 ... 21
圖 3-5：在 ArcGIS 輔助下製作的 DEM 地圖... 23
圖 3-6：以不透光膠帶包覆之光螢光定年樣本。 ... 26
圖 3-7：斷層彎曲褶皺的演化模式圖 ... 28
圖 3-8：三種斷層彎曲褶皺的模型的比對圖 ... 29
圖 3-9：斷層生長褶皺的演化模式圖 ... 30
圖 4-2：各階地之皆面沉積物顏色 ... 33
圖 4-1：研究區域內的階地分布 ... 34
圖 4-3：階地之剖面露頭照片 ... 35
圖 4-4：單面山照片 ... 36
圖 4-5：好望角階地群分布概況 ... 37
圖 4-6：好望角階地群高度剖面 ... 38
圖 4-8：大坪頂階地群以及其高度剖面 ... 39
圖 4-9：槽溝位置分布圖 ... 40
圖 4-10：HWJ-1 槽溝照片以及地層柱 ... 41
圖 4-11：HWJ-1 上部三層的特寫 ... 42
圖 4-12：HWJ-08 於礫石層當中的位置 ... 42
圖 4-13：HWJ-2 地層柱與槽溝照片 ... 43
圖 4-14：西湖溪階地群之分布以及與西湖溪縱剖面圖。 ... 45
圖 4-15：西湖溪沿岸底岩出露之位置與狀況 ... 47
圖 4-16：南勢溪階地群分布以及南勢溪縱剖面 ... 49
圖 4-17：本研究依據地形所判斷出的苗栗沿海地區構造位置分布 ... 52
圖 4-18：研究區域內底岩位態分布及苗栗前緣構造剖面位置圖 ... 53
圖 4-19：斷層生長褶皺之前後翼關係圖 ... 54
圖 4-20：依據 psfbf 模型所重建之苗栗前緣構造之地下形貌 ... 57
圖 4-21：根據 ssfbf 模型所重建苗栗前緣構造之地下形貌 ... 59
圖 5-1：好望角 HT1 與龍港海岸邊的沉積物比較 ... 61
圖 5-2：HT1 階面沉積物顏色對比 ... 62
圖 5-3：HT1 抬升速率與海平面變化之對照 ... 63
圖 5-4：高位階地西側之地形剖面 ... 64
圖 5-5：高位階地間的沉積物對比 ... 65
圖 5-6：好望角階面與海水面變化曲線對比 ... 66
圖 5-7：不同階地所見之斧頭坑斷層上盤褶皺比較圖 ... 67
圖 5-8：通霄背斜之形貌 ... 69
圖 5-9：前人對於白沙屯背斜位置的不同意見 ... 70
圖 5-10：龍港斷層南北的地形 ... 70
圖 5-11：南勢溪階地之比高所觀察到的構造變形 ... 71
圖 5-12：大坪頂地區構造與階地演化時序示意圖 ... 72
圖 5-13：通霄背斜震測剖面及其位置 ... 73
圖 5-14：本研究區域內活動構造位置分布圖 ... 74
圖 5-15：靠近斧頭坑斷層之東西向震測剖面 ... 76
圖 5-16：斧頭坑斷層與苗栗前緣構造之關係示意圖 ... 77
圖 5-17：苗栗前緣構造套用兩種 sfbf 模型之誤差範圍 ... 79
圖 5-18：構造與河流發育之關係示意圖 ... 80
圖 5-19：切過新竹斷層及斗煥坪斷層之震測剖面 ... 82
圖 5-20：切過龍港斷層以及斧頭坑斷層的剖面 ... 82
圖 5-21：竹苗地區構造由北向南發育之過程示意圖 ... 84
表目錄
表 2-1：本研究區域內主要地層表 ... 11表 4-1：高位與低位階地比較 ... 34
表 4-2：西湖溪階地群各階比較 ... 44
表 4-3：南勢溪階地群各階比較 ... 48
表 5-1：兩樣本資料以及分別推算出之抬升速率 ... 62
第一章、緒論
1-1.研究動機
台灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊間的聚合性板塊邊界上（圖 1-1），至 今仍受到造山運動的影響而持續抬升(Wu, 1978; Teng, 1990; Shyu et al., 2005)，
為災害性地震頻繁發生的區域。在上個世紀全台就發生了 47 場有災害紀錄的 地震，其中以發生於 1935 年 4 月 21 日的新竹-台中地震，以及 1999 年 9 月 21 日的集集地震最為嚴重，分別造成數千名人員傷亡（中央氣象局，2008）。 因此活動構造的研究所提供的資訊，是台灣防災規劃的重要參考資料。
圖 1-1：台灣周圍的構造示意圖(修改自 Shyu et al.,2005)。台灣位於歐亞板塊與菲律賓海板 塊的邊界上，因位於菲律賓海板塊上的呂宋島弧向西北移動並碰撞至歐亞大陸邊緣，形成 一系列東北-西南走向的山脈，圖中灰色部分標示了台灣主要的構造變形分區，由東到西分 別為：海岸山脈(Coastal Range, CoR)、中央山脈(Central Range, CeR)以及西部麓山帶(Western Foothills, WF)，而其西側的變形前緣(Deformation Front, DF)代表著造山運動影響的西界。
藍線為圖 1-3 剖面的位置。
在台灣眾多有關活動斷層的文獻之中，以中華民國經濟部中央地質調查 所（以下簡稱地調所）公布的「活動斷層分布圖」（圖 1-2a）最廣為人知，經 常被民間機關、教科書以及網路媒體所引用。然而若查閱其他針對台灣構造的 研究(e.g., Shyu et al., 2005; Ota et al., 2009)，可以發現不少被認為仍在活動的 構造並未被地調所納入圖中，可見在這個領域仍然有許多值得進一步仔細研 究的空間。
本研究選擇針對苗栗從後龍溪口至苑裡之間沿海地區的活動構造探討，
一方面是因為 1935 年新竹-台中地震的三個月之後（同年 7 月 17 日），在後龍 溪口附近發生了規模 6.2 的地震，造成了 44 人死亡，（台中州，1936），顯示 這個區域確實受到地震災害的威脅；另一方面若觀察該區域地形，此處的丘陵 一路從內陸延伸至海岸線附近（1-2b），顯示整個區域可能都受到造山作用影 響 而 抬 升 。 此 外 不 少 前 人 的 研 究 將 台 灣 西 部 的 造 山 前 緣 畫 在 苗 栗 外 海 (e.g., Teng, 1996; Lacombe et al., 2003; Shyu et al., 2005)，這也暗示著苗栗的沿 海地區確實位於造山活動的影響範圍內，理應是一個構造活動的區域。
圖 1-2：苗栗地區之活動斷層。(a)地調所所發布的台灣活動斷層圖；以及苗栗沿海地區（紅 框內）的(b)衛星空拍圖（摘自 Google Earth），圖中兩條紅線分別為獅潭斷層以及三義斷層，
黃框為本研究的目標區域。可以明顯看出苗栗地區丘陵地形西緣緊鄰海岸線，與兩條官方 所標示的活動斷層有相當的距離，顯示沿岸地區丘陵的形成與它們關係不大，可能受到其
但檢視地調所公布的活動斷層圖，在苗栗境內僅標示了獅潭及三義這兩 條斷層（圖 1-2），且皆位於內陸地區，考慮到台灣造山運動的整體架構，苗栗 所在的西部麓山帶是由一系列向東傾的褶皺逆衝斷層所構成（如圖 1-3），本 研究區域的地形可能指示在更西側有構造活動的跡象。而在地調所公布的地 質圖 或 其 他前 人的 研 究 文獻 中（Suppe and Namson, 1979; Namson, 1981;
Deffontaines et al., 1997; 張憲卿，1990，1994），確實提及在這個區域內存在著 數個構造，諸如斧頭坑斷層、龍港斷層等（詳見 2-3 節），然而這些文獻鮮少 討論這些構造的活動程度。
綜合以上所述，本研究認為苗栗沿海地區是具有地震災害風險，卻缺乏活 動構造相關研究的區域，因此有必要在這個區域內針對活動構造進行更深入 的研究，做為未來評估地震災害風險以及制訂防災計畫的參考。
圖 1-3：台灣構造示意圖（改自 Yu et al., 1997），剖面位置參考圖 1-1。西部麓山帶受造山 擠壓的影響，形成一系列東北-西南走向的褶皺，向東傾斜的逆衝斷層，也就是所謂的「褶 皺逆衝帶(Fold-and-thrust belt)」(Suppe, 1976)。
1-2.研究對象
前人在構造研究方面大多是使用地下的地層資料，例如震測或鑽井資料 等(e.g., Suppe and Namson, 1979; Namson, 1981; Yang et al., 1997)。由於這些地 層的存在時間較長，其反映出的是比較長期的構造活動所累積的變形，這當中 可能包含現在已經不再活動的構造所造成的影響。但本研究希望得到的是構 造「目前的」活動狀況，因此研究對象反映的年代要盡可能的接近現代，基於 這樣的出發點，相對於前人所使用的地層資料來說，地形所受到的變形更能反 映構造近期的活動狀況，所以本研究決定從地形相關的研究著手。
圖 1-4：研究區域之衛星影像。從研究區域的衛星影像(a)中可以初步辨識在好望角(b)以及 大坪頂(c)附近有階地的存在。橘線所標示的是利用衛星影像初步辨識的階地分布位置。
從 Google Earth 所提供的衛星影像中可以看出，在苗栗沿海地區的丘陵當 中有許多階面的存在（圖 1-4），而階地確實是構造地形學當中常見的研究對
象 ， 在 台 灣 西 部 麓 山 帶 也 有 許 多 利 用 階 地 來 探 討 構 造 活 動 的 相 關 研 究 (e. g., Chen et al., 2004; Ota et al., 2006; Ota et al., 2009)。因此我們認為階地對
於探討苗栗沿海地區的構造活動而言，是很適當的材料。
1-3.研究目的
本研究的目的是藉由苗栗沿海地區的階地地形，探討這個區域的活動構 造的位置、形貌以及活動速率。
本研究之主要研究材料為研究區域內的階地，因此必須先確認這些階地 的形成過程與構造活動之間是否有直接的關聯性。在確認階地與構造的關係 後，利用 DEM（digital elevation model，數值高程模型）來辨識並繪製此地的 階地分布圖，並利用階地的高度及分布範圍等資料，推測階地形成以來受到構 造作用所累積的變形量，並藉此推測構造在地表附近的位置以及其活動程度。
除了階地的地形資料以外，藉由在階面上進行槽溝挖掘所得到的樣本，可以得 到階面之形成年代，搭配階地所受的變形量，可進一步推算階面所受到的變形 速率。
第二章、地質背景
2-1.地形概要及水文環境
本研究目標區域為後龍溪口至苑裡市區沿岸地區，此區域地形以夾雜階 地的丘陵為主，大致的地勢為東高西低，其中又以東南側，靠近三義附近的丘 陵地區海拔最高，可達 400 公尺以上。主要的階地沿著海岸線分布，除了研究 區域南側的大坪頂階地東端以外，海拔高度皆在 200 公尺以下（圖 2-1）。
區域內重要的水系有二：其一為發源於三義鄉關刀山的西湖溪，向北流經 銅鑼市區後，轉而向西流約 1 公里，再北轉後經西湖市區，由好望角附近注入 台灣海峽，全長約 32 公里；另一條為通霄溪，其主要分成發源於大坑之南勢 溪以及發源於北勢窩的北 勢窩溪，前者大致流向為 西北，而後者則是向南流，
兩者在通霄市區北側匯合 後，向西注入台灣海峽，由 北勢窩溪之源頭起算總長 約 10 公里（水利署，2009）。
圖 2-1：本研究區域之 DEM 地形圖，可以看到整個區域 呈現東南高、西北低的趨 勢。除此之外階地的形貌也 較衛星影像來得明顯。
圖 2-2：苗栗沿海地區階地及河川演育歷史（修改自張瑞津等，1998）。(a)原本的古後龍溪 流經現在的三義地區，沖積形成三義至九華山一帶的階地。(b)隨著三義斷層活動使上盤抬 升，古後龍溪河道逐漸向北遷移至銅鑼地區。(c)流向也逐漸北轉，流域包含現今的西湖以 及苗栗市西側一帶，形成現今銅鑼、西湖、苗栗附近的階地。(d)之後由於通霄背斜的隆起，
將古後龍溪的河道分為兩側，其中東側的河道為現今的後龍溪主流；同時期南邊的大安溪 也逐漸北轉至的通霄附近。(e)古後龍溪西側的河道則相當於現今西湖溪的下游，沖積出好 望角一帶的階地；與此同時，古大安溪河道沖積形成大坪頂地區的階地。(f)古後龍溪西側 河道被西湖溪襲奪，大安溪北側河道與主流分流，形成現在的南勢溪。
張瑞津等人(1998)藉由分析苗栗沿海地區階面的高度、分布、傾斜角度以 及階面沉積物，認為這個區域的河流主要是由古後龍溪與古大安溪沖積而成，
其河流演育歷史如圖 2-2。
2-2.地層分布
根據中央地質調查所公布的地質圖（圖 2-3），從後龍到苑裡的沿海地區 主要被河道沖積層以及階地沉積物所覆蓋，部分沿海地區被沿岸沙丘所覆蓋，
其下出露之底岩岩層主要為頭嵙山層，少數卓蘭層露頭則分布於北勢窩溪流 域內，區域內地層層序分布請見表 2-1。
頭嵙山層為更新世之地層，最早見於林朝棨(1933)，張麗旭(1955)進一步 將其分為火炎山相（礫岩相）以及香山相（砂頁岩相），其中香山相厚約 760 公尺(Chi and Huang, 1981)，而根據中央地調所所公布之地質圖，僅在本研究 之東南側的西湖溪上游一帶有火炎山相出露，其餘地區皆為香山相。
火炎山相以礫石為主，其野外形貌與第四紀紅土台地堆積物類似，惟其淘 選度較紅土台地堆積來得好（張憲卿，1994）；香山相以濱海相的砂泥互層為 主，偶爾出現透鏡狀礫岩，粒徑在 20 公分以下，在部分區段富含貝殼碎片、
藤壺等潮間帶生物化石。此層與下方卓蘭層為整合接觸（張憲卿，1990）。
卓蘭層又被稱為竹港層，為晚上新世至更新世地層，主要組成為淺海相的 砂泥互層，層厚約為 20-50 公分，本研究區域僅有頂部約 80 公尺有出露地表
（郝騤與蕭寶宗，1957）。由於其岩性組成與香山相類似，在野外不易分辨，
且兩者間的接觸關係為整合接觸，僅能利用其中的超微化石進行界定（張憲卿，
1990）。
階地沉積物又可分為紅土台地堆積層以及階地堆積層，皆以未膠結之河 道礫石堆積物為主，淘選度差，礫石粒徑最大可達 1 公尺，兩者最大差異為沉 積物之顏色，前者呈現紅棕色，顯示其暴露地表時間較長，風化程度較高，主 要分布於海岸線附近的階地；後者則多為土黃色沉積物，分布於西湖溪以及通 霄溪兩岸，其中位於西湖溪口附近有海岸沉積物所覆蓋之階地（張憲卿，1990）。
圖 2-3：本研究區域之地質圖（修改自中央地調所地質圖，白沙屯、苗栗、大甲、東勢圖 幅）。可以看見本區地表多為頭嵙山層之地層（灰藍色），橘色與黃色部分分別為第四紀 紅土台地堆積層與階地堆積層，對照圖 1-4 可以看出由衛星影像初步辨識出的階地，確 實是受到堆積層所覆蓋的區域。
2-3.地質構造
本研究區域位於西部麓山帶的西緣，就位置上來看屬於褶皺逆衝斷層帶 的前緣區域(Suppe and Namson, 1979)。在始新世至中新世時期，歐亞大陸邊緣 發生南北向的張裂，此區域基盤岩層陷落形成台西盆地，南北兩側分別為現今 的北港高區及觀音高區。在受到基盤形貌的控制之下，這二個基盤高區分別限 制了桃園以北以及中部地區的造山變形範圍，使得台灣的變形前緣在新竹-苗 栗地區相對的向西突出，形成 S 型的彎曲形貌(Suppe, 1986; Lacombe et al., 2003)。
在上述的的地體架構下，苗栗地區的構造大致可以依其走向分為兩組：北 20°東走向以及東西走向。其中北 20°東走向的斷層以東傾逆衝斷層為主，大 致垂直於蓬萊造山運動在這個區域造成的擠壓應力，顯示了這組構造是反映 造山運動所造成之應力而形成(Angeleir et. al., 1986; Lacombe et al., 2003)；東 西走向的斷層則是高角度且帶有右移分量的逆斷層，這些斷層最初為漸新世 至中新世時期因台西盆地張裂所形成的一系列正斷層，在張裂停止之後，因為 造山作用開始，這些舊有斷層受到滑脫面(décollement)所觸發，以逆斷層的型 態再度活動，形成現在所見的高角度逆斷層(Suppe,1986; Shen et al., 1996; Yang et al., 1997)。
表 2-1：本研究區域內主要地層表（修改自張憲卿，1990）。
Yang et al. (1997)比較竹苗地區內陸以及沿海的構造形貌，將此區域的斷 層演育分為兩個階段：在第一階段，低角度的變形前緣由東南向西北發展時，
從南側接觸到原本存在的高角度正斷層，使南傾的正斷層再活動，形成高角度、
帶有右移分量的逆斷層，因此呈現低角度變形前緣被東西走向斷層截切的形 貌（圖 2-4a、b）。第二階段隨著變形前緣持續向西北發展，這些低角度逆斷層 的錯動量持續累積，並向北切穿東西向的高角度逆斷層，形成東西向的低角度 逆斷層（圖 2-4c）。根據其結論，本研究區域屬於沿海地區，構造演育處於第 一階段。
圖 2-4：竹苗地區之斷層演育模式。(a)造山作用所形成之低角度斷層向西北發育，(b)當 此斷層接觸到東西走向的高角度斷層後，使該斷層再活動，呈現低角度斷層的北端被高 角度斷層所截切。(c)隨著低角度斷層持續向西北發育，造成北側的高角度斷層被低角度 斷層所截穿，形成東西走向的低角度斷層。
Suppe and Namson (1979)根據中油所提供的井下資料及地表位態所繪製 出的構造剖面指出，在苗栗沿海地區，地下的滑脫面從粗坑層內的凝灰岩層向 上切穿至其他地層當中，其形成的斷層彎曲褶皺(fault-bend-fold)造成了通霄一 帶的地形抬升，並影響了這個區域部分的重要構造(Namson, 1981)。
此區重要的構造包含龍港斷層、斧頭坑斷層、大坪頂斷層、大甲斷層、銅 鑼斷層、苗栗前緣構造、通霄背斜及白沙屯背斜等，於下文分別詳述之：
圖 2-5：本研究區域內構造分布概況。其中銅鑼斷層包含數個不同的斷層(Ota et al., 2009)，
詳見於本節內文。
．龍港斷層
又稱後龍斷層(Chang, 1974)，西起後龍溪口，向東延伸至後龍市區，亦有 前人認為其向西出海後轉向南南西方向，沿海岸延伸，至新埔附近與斧頭坑斷 層會合（陳培中，2005）。其形態為一東西走向的高角度逆斷層，屬於被造山 運動所觸發而再活動的斷層。
．斧頭坑斷層
本斷層又被稱作東勢窩斷層，東端位於苗栗市示範公墓附近，向西延伸至 斧頭坑之後，轉向西南西並延伸至新埔，後轉向南延伸至大坪頂附近，受大坪 頂斷層錯動而與南邊的大甲斷層錯開（張憲卿，1994），也有研究指出其向西 南延伸至外海（陳培中，2005）。其形態為一高角度逆斷層，與龍港斷層相似，
屬於被造山運動所觸發而再活動的斷層。其唯一出露地表之露頭位於斧頭坑 一帶（張憲卿，1990），地形上則可在新埔東北方的階地上看到由其所造成的 線型構造。
．大坪頂斷層
此斷層位於通霄大坪頂之下，為一條西北-東南走向的左移斷層，首見於 張憲卿(1994)，其證據為通霄背斜與鐵砧山背斜之間、大甲斷層與斧頭坑斷層 間的錯移，顯示此處有一條受地表沉積物所掩覆之平移斷層。
．大甲斷層
此斷層為一向東傾之逆衝斷層，自大坪頂附近向南延伸，受到大坪頂斷層 錯動而與北邊的斧頭坑斷層間有 2 公里的錯動，與南邊之彰化斷層接續（張 憲卿，1994），亦有前人直接將大甲斷層視為彰化斷層向北延伸的部分(Chang, 1974; Chen et al., 2007)。另外 Chen 等人在 2007 年的研究指出沒有任何地表證 據指示大甲斷層(文章中直接稱之為彰化斷層)延伸至大安溪以北，因此認為其 北端為后里階地的西緣。
．銅鑼斷層（圖 2-6）
此斷層為 Ota et al. (2006)依據銅鑼以及三義西側的階面分布及形貌所指 出的構造，南起火炎山東側的伯公坑溪附近，沿著伯公坑溪西岸向北延伸至銅 鑼市區西南側的九湖一帶，為一條向西傾斜的逆斷層。這條斷層有兩條分支，
分別為在三義工業區附近的銅鑼南斷層，以及從竹盛坑為起點向東北分岔的 銅鑼東斷層。
．苗栗前緣構造
此構造北起後龍溪口，沿丘陵地的西緣向南延伸至苑裡市區西側，走向大 致與造山擠壓方向垂直。此構造最早由 Deffontaines et al. (1997)利用地形分析，
指出此段海岸線可視為台灣造山的變形前緣，而 Shyu et al. (2005)推斷此丘陵 地的西緣為一向東傾斜的逆斷層，在之後的研究(Shyu et al., 2016)當中將其命 名為苗栗前緣構造(Miaoli frontal structure)，為一活動構造。
圖 2-6：銅鑼斷層的分布位置(修改自 Ota et al., 2006)，紅線為銅鑼斷層（左側）及其分支：
銅鑼東斷層（靠近銅鑼）以及銅鑼南斷層（靠近三義斷層）。
．通霄背斜
通霄背斜為一低角度的背斜，大致可以四湖為界分為南北兩段。北段大致 為東-西走向，由四湖向東延伸至苗栗市西南側的伯公坑附近為止，在部分文 獻當中，此段被獨立出來稱作三湖背斜，被認為是錦水頁岩層之下的層間滑動 所造成的次要構造(Chang, 1974; Namson, 1981)，其北翼被斧頭坑斷層所截，
Yang et al. (1996)則認為此構造是伴隨斧頭坑斷層的錯動而形成的；南段走向 為北 20 度東，為垂直造山應力擠壓方向的構造，南起苑裡市區以東的水柳坡 附近，經三張、雙洽水後向四湖延伸，在部分文獻當中被視為鐵砧山構造向北 延伸的部分，為滑脫面向上切穿至木山層內所造成的斷層彎曲褶皺(Suppe and Namson, 1979; Namson, 1981)，因大坪頂斷層的錯動而與鐵砧山構造錯開（張 憲卿，1991）。在北勢窩溪流域，其軸部出露之最深地層為卓蘭層。
．白沙屯背斜
此背斜南起白沙屯附近，向北延伸至灣瓦附近，全長約 3 公里，為一不對 稱背斜，西翼較東翼來得陡（張憲卿，1990）。Namson (1981)繪製的構造剖面 顯示其為滑脫面向上切穿至五指山層內部形成的斷層彎曲褶皺。另外 Chang (1974)則指出，此背斜在西湖溪口轉向東延伸，其軸部沿龍港斷層發育。地層 在過港附近有出露，為香山相之地層。
第三章、研究方法
3-1.階地地形分析
3-1-1.階地的分類與其形成原因
階地(terrace)是一種被山坡或山崖所包圍的平坦地形，在詳細描述這種地 形時，會將其平坦的部分稱為階面(surface)，其周圍較為陡峭的部分稱為階崖 (scarp)。階地的形成過程通常與水力的侵蝕有關，依據其所受的水力形式不同 分為海階和河階兩種(Huggett, 2011)。如第二章所述，前人研究表示本研究區 域內的階地堆積物以河道礫石堆積物為主，顯示這些階地主要是河流沖積所 形成（張瑞津等，1998），因此以下說明著重河流成因的階地形成機制。
當河流因改道或下切等原因，原本的沖積平原(floodplain)不再受該河流影 響後，若有未受到侵蝕作用影響而保留下來的平坦面，稱之為河階。在地形學 的研究當中，河階是古河道重建的重要依據，其中最重要的分析對象為河階面 的分布、形貌（主要指河階高程及坡度），以及河階面上的沉積物。
由於河階面是河流過去的沖積平原，因此階面的分布以及形貌分別可以 指示當時河流的位置及河道的形貌。然而並非所有階面都能直接反映當時的 河道形貌，若階面在形成之後受到其他作用而變形，使其形貌與原始的河道不 同，這時若我們能用其他方式推測其原始形貌，就可以計算該階地所受到的變 形量（此部分將於 3-1-2 詳述之）。
另外由河流沖積而成的階面會被過去的河流沖積物所覆蓋，一般而言在 河道礫石之上會覆蓋一層較細粒的沉積物，因此利用沉積物層序的完整度與 否，可判斷現在所見的階面是否相當於過去河流的沖積面，而階地也可依照河 流沉積物與底岩的關係，分為岩床型河階(strath terraces)和沖積型河階(fill terraces)（圖 3-1）。
．岩床型河階（圖 3-1a）
當階面上的河流沉積物不厚，且沉積物底下的岩床(bedrock strath)有露出 地表，這樣的河階稱為岩床型河階。其形成原因為侵蝕基準面(base level)相對 降低，造成河流持續下切(incision)並侵蝕底下的岩床，原本的河床以及沖積平 原便形成我們所見的階地。從上述描述可以了解，這類型的階地系統當中，每 個階面都指示某個時期古河床的所在位置，將其與現生河床高度做比較，可以 指示該階地形成以來河流的下切量，若是在河道下切作用較劇烈的地方，甚至 可以在河床當中看到底岩的露頭。
．沖積型河階（圖 3-1b）
與岩床型河階相反，沖積型河階上的階面沉積物相對較厚，且沉積物底下 沒有岩床的出露。這樣的階地形態是源自於過去的沉積事件所留下的厚層河 道沉積物，在事件結束後河流下切至原本的高度，這些厚層沉積物的頂部便成 為階地。這樣的河階系統顯示以長期而言，岩盤可能沒有相對於河道的抬升，
圖 3-1：岩床型河階(a)與沖積型河階(b)的示意圖。岩床型河階之下以底岩為主，只有階面 頂部有薄層的沉積物，河床本身下切至底岩；沖積型河階之下以河流沉積物為主，圖中不 同顏色代表不同事件的沉積物，現生河床未必切穿至底岩。
若有不同高度的階面，通常代表著不同的沉積事件所留下的沉積物，因此階地 沉積物可用於了解沉積事件的發生年代。
根據本研究在野外所觀察到的階地露頭，區域內階地沉積物不超過 10 公 尺，且在許多階地之下都可觀察到泥質或砂泥互層的底岩（圖 3-2），因此本研 究認為這個區域階地皆為岩床型河階。以下則說明岩床型階地與構造活動之 間的關係。
3-1-2.岩床型階地與活動構造的關係
如前所述岩床型階地是由於侵蝕基準面相對下降，造成河流下切底岩所 致 ， 而 侵 蝕 基 準 面 下 降 的 原 因 有 地 殼 抬 升 以 及 海 水 面 下 降 兩 種 可 能 性
（圖 3-3），因此在使用階地分析活動構造之前，必須先確認海水面變化對階 地的影響程度。
圖 3-3：岩床型階地的兩種形成過程，分別以河流縱剖面以及橫切面做對照。(a)河流（藍 色曲線）隨著侵蝕基準面（紅色虛線）下降而下切至底岩當中，過去的沖積平原（橘色及 綠色虛線）留下形成階地。(b)岩床因為構造活動而抬升，河流為維持原本的平衡高度而侵 蝕底岩，使過去的沖積平原高於現在的河床。
圖 3-2：礫石為主的階面沉積物覆蓋在泥質或砂泥互層的底岩之上。露頭位置分別位於(a)西湖鄉僑文國小附近（附錄二 a 點 1）(b)通霄鎮媽祖田（附 錄二 f、g 點 2）(c)西湖鄉下埔村（附錄二 b 點 3）(d)通霄鎮雙洽水（附錄二 d 點 4）。
（摘自 Google, 2013）
根據世界各地的海階以及其他海水面指標紀錄所示，第四紀(Quaternary) 以來最高海水面出現於距今 118-125kyr 之前，高於現今海水面約 6-9 公尺 (Neumann and Hearty, 1996; Hearty et al., 2007; Burbank and Anderson, 2012)；
另外根據氧同位素紀錄對全球海水面變化所做的模擬（圖 3-4），當時最高海 水面高於現在約 9.8 公尺(Hansen et al., 2013)。
而前人對苗栗地區的研究表示，此區域階地比高介於 40-150 公尺之間
（張瑞津等，1998），顯然海水面變化並非河流下切的主要原因，因此本研 究認為這個區域的階地形成主要是受到地殼抬升影響而形成的。然而為了得 到更精確的構造抬升速率，本研究在計算抬升速率的時候，仍需將階地形成 時的海水面高度納入計算當中。
綜合以上對階地的初步分析，本研究區域的河川下切主因是受到構造抬 升所影響，階地與現生河床的高程差主要反映階地形成以來所受到的抬升量。
藉由繪製現生河床以及階地的剖面並比較兩者的高程差，可以了解各階地形 成以來所受到的構造變形，做為估算構造抬升量的依據。
圖 3-4：近 5 百萬年以來的海水面變化（摘自 Hansen et al., 2013）。第四紀以來最高海水 面出現在約 12 萬年前，相當於 MIS（marine isotope stage，海洋同位素階段）5e 的時候，
其高度約比現在海水面高 9.8 公尺左右。
3-2.地形影像分析
本研究使用 5 公尺解析度數值高程模型(digital elevation model, DEM)地 圖，搭配由美國環境系統研究所公司(Environmental Systems Research Institute, ESRI)所開發的 ArcMap 10.4 軟體進行階地判釋以及繪製。以下分別介紹 DEM 以及 ArcMap 軟體。
3-2-1.數值高程模型
數值高程模型是指以數值的型態，表現地面高程在空間上的分布，利用 其數值資料的性質，可以在電腦上進行計算分析。傳統上其高程數值可利用 航照取得的影像進行視差比對，求得各點高程；近年來由於光達(light detection and ranging, LiDAR)的技術發展，藉由空載光達掃描地面，計算其 回傳訊號，可較有效率的取得大範圍的高程資料。本研究所使用的 5 公尺解 析度 DEM 屬於規則網格(grid)資料，其記錄方式以邊長 5 公尺的方格為一個 資料點，紀錄每個點的高程資料。
3-2-2. ArcMap
ArcGIS 是被開發用於地理資訊系統（geographic information system，簡 稱 GIS）的一系列軟體，本研究主要以其中的 ArcMap 作為輔助，以利階地 判釋、階面形貌分析以及剖面繪製的工作。
此軟體的主要功能就如同地圖一般，以平面圖的方式展示特定資料在空 間上的分布狀況。在這個作業平台上每種資料會以圖層(layer)的方式存在，
將圖層之間的座標系統統一後進行疊加，便可用視覺化的方式表現出這些資 料在空間上的關係。除此之外，亦可利用該程式內建的工具(tool)來針對現有 的資料進行計算、分析，使我們能夠對資料有更進一步的了解。
本研究在進行判釋階地工作前，利用坡度(slope)以及山體陰影(hillshade) 兩個工具來分析 DEM，以得到更方便判釋河階的地圖（圖 3-5）。坡度工具 是利用 DEM 上各資料點的高程，計算出各點的坡度大小，與 DEM 疊加之 後，有助於分辨階面的範圍（圖 3-5b）。山體陰影則是利用 DEM 的高程，模 擬在特定一個方向的平行光源之下，地形的明暗狀況，與 DEM 疊加後可以 製作具有立體感的地形圖（圖 3-5c、2-1）。
另外本研究所繪製所有地形剖面，其中包含河流、階地以及構造的剖面，
皆是使用此軟體當中的三維分析功能進行繪製。階地剖面的繪製是將各階之 地形剖面資料匯出，在 Excel 當中將階地投影至河流剖面上並計算河拔高，
或是將階面投影至指定方向的剖面。
圖 3-5：在 ArcGIS 輔助下製作的 DEM 地圖。(a)單純的 DEM 分層設色圖，(b)結合了坡 度的 DEM 地圖，可以明確辨認出階崖以及階面的位置；(c)結合山體陰影的 DEM 地圖，
地形在模擬的光影之下顯得更加立體，但階面及階崖的差異就沒有坡度圖來得銳利。
3-3.階面沉積物定年
在使用階地計算構造的活動速率時，需要定年資料來確認階地形成的年 代，結合上述的地形分析所得出的階地變形量，可以計算地表受到構造抬升 的速率，進一步搭配地下構造的分析所得到的構造形貌，就可以推算構造本 身的活動速率。
本研究藉由挖掘槽溝的方式，採集階地沉積物當中的定年樣本，為了盡 可能排除人為活動對階面沉積物的影響，必須選擇遠離建築物的空地進行槽 溝挖掘。本研究在槽溝內取得碳質樣本以及細砂樣本，分別使用放射性碳元 素以及光螢光兩種方式進行定年，藉此得到階地沉積物的形成年代，以下簡 介此兩種定年方式。
3-3-1. 放射性碳元素定年(radiocarbon dating)
放射性元素指的是自然界當中存在的不穩定原子核，這些原子核在經過 一段時間後，會有一定比例衰變成其他較穩定的元素，衰變前的元素稱為母 元素(parent element)，衰變後產生的元素稱為子元素(daughter element)。習慣 上我們會以半衰期(half-life)表示元素衰變的速率，其定義為母元素含量衰變 為原本的 1/2 所需要的時間。
放射性碳元素指的是碳的不穩定同位素碳-14，大氣中的碳-14 源於氮- 14 受到宇宙射線照射轉變而成，在生物存活的時候，體內與大氣中的碳不 斷進行交換而維持平衡，當生物死亡後，體內與大氣的碳交換停止，形成一 封閉系統，此時碳-14 便會隨著時間衰變而逐漸減少，採集這些生物殘骸做 為樣本，檢測當中的碳-14 含量並與大氣做比較，即可得知該樣本之年代。
然而大氣中的碳-14 並非恆定，其含量會受到宇宙射線強度變化而有所 變化，且 19 世紀以來人類大量燃燒石化燃料，使埋藏在地層中的碳被大量 排放至大氣中，影響了大氣中的碳-14 含量。因此在用這種方法進行定年時，
必須考量上述因素，將儀器所測得的放射性碳年代(radiocarbon age)，校正為
日 曆 年代 (calendar age)，其數據 才能接近 樣本真實的年 代(Burbank and Anderson, 2012)。
河流沉積物當中有時會找到漂木碎片，這些漂木隨著沉積物被埋藏並保 存於地層當中，可以作為指示沉積年代的定年樣本。然而若該殘骸在埋藏之 後，與地下水中的碳元素混染，會使其測得的年代較實際年代來得小。以現 在的技術而言，此種定年方法適用於距現代約 50,000 年以內的樣本。
本研究在採集河川礫石露頭中的碳樣本時，為避免樣本受到汙染，將樣 本以乾淨的金屬湯匙挖出後，迅速裝入乾淨的玻璃瓶當中。隨後將樣本帶回 實驗室，放入烘箱烘烤約一週，將樣本中的水分排除以利保存，烘乾後再以 超純水洗淨之鑷子將野外採集樣本中的雜質去除，挑選其中的碳樣本。最後 將挑選之碳樣本送至美國 Beta Analytic 公司，利用加速質譜儀(accelerated mass spectrometry, AMS)分析樣本之年代。
3-3-2. 光螢光定年(optically stimulated luminescence dating, OSL)
石英和長石礦物顆粒在受到長半衰期的放射性元素以及宇宙射線照射 之下，部分價帶(valence band)電子受到激發而遷移至導帶(conduction band)，
這些電子會被晶體結構缺陷(defect)造成的電洞(hole)所捕捉(trapped)，隨著 時間增加，礦物中的缺陷會持續累積電子。而當礦物受熱或被適當波長的光 線照射時，這些缺陷當中的電子會吸收能量而回到價帶並以光的形式釋放能 量，產生螢光(luminescence)的現象，礦物中缺陷累積量越大，螢光訊號越強。
沉積物當中石英與長石顆粒的缺陷，在自然情況下會因陽光照射而重置，
必須在被埋藏而脫離陽光影響後，才會開始累積電子。在實驗室中可利用特 定波長的光照射沉積物樣本中的石英顆粒，促使缺陷中的電子回到價帶，並 偵測其螢光訊號強度，藉此推算該礦物顆粒受到埋藏的年代。由於石英與長 石廣泛分布於沉積物當中，且化學性質較為穩定，不易受風化作用影響，適 合作為沉積物的定年工具。理論上其定年極限為距今約 1,000-1,000,000 年之
樣本，然而考慮沉積物可能來自較高輻射量的原岩，會使礦物顆粒受額外的 輻射照射，使礦物的缺陷更快飽和，因此一般認為可靠定年上限約在 200,000 年以內(Burbank and Anderson, 2012)。
在野外選擇光螢光樣本時，以粒徑為細砂的均勻砂層為佳，且為保證其 周圍的沉積物成分均勻，不會有異常大量的放射性元素，目標層必須盡可能 遠離礫石。
由於採樣過程中必須盡可能地避免樣本受到光線照射，以免沉積物當中 的缺陷被重置，本研究於採樣開始前先以黑色塑膠袋遮擋採樣目標附近的陽 光，接著用塑膠袋將採樣用的鐵管一側堵住，將其打入沉積物中，待整根沒 入沉積物內，將鐵管拔出並迅速以塑膠袋包覆鐵管，再以不透明膠帶包覆並 固定塑膠袋（圖 3-6）。樣本採集完畢後，將樣本委託本系 Alexander Kunz 博 士進行定年作業。
圖 3-6：以不透光膠帶包覆之光螢光定年樣本。
3-4.構造剖面
本研究的目標是希望能夠了解地表附近構造的活動特性，因此需要了解 地下構造的幾何形貌。利用前人針對斷層相關褶皺(fault-related fold)所建構 出的模型為基礎，搭配野外對底岩位態的測量以及 DEM 提供的地形資料，
以底岩位態決定褶皺兩翼的地層傾角，以地形決定兩翼的寬度，藉此重建此 區域主要構造的地下形貌。斷層相關褶皺分為斷層彎曲褶皺(fault-bend fold) 和斷層生長褶皺(fault-propagation fold)兩種。
3-4-1.斷層彎曲褶皺
當岩層沿著非平面的斷層面滑動時，斷層附近的地層會順應斷層的形貌 變形、彎曲，在這個機制下形成的褶皺稱為斷層彎曲褶皺。這樣的褶皺常見 於褶皺逆衝帶中，受到滑脫面(décollement)階梯狀的形貌所影響，上盤的地 層沿著斷坡(ramp)爬升而形成褶皺(Fossen, 2010)。根據 Suppe (1983)提出的 模型，在上盤沒有內部變形的情況下，褶皺後翼的地層傾角會相當於斷坡的 傾角（圖 3-7）。上盤岩層在地層爬升至斷坡頂部後，會順著滑脫面的傾角變 化而打平，隨著滑脫面上累積的錯動量增加，褶皺的寬度會隨之增加（圖 3- 7）。
然而若上盤岩層有內部變形時，上述的模型會與現實狀況有差異，因此 Suppe et al. (2004)提出剪切斷層彎曲褶皺（shear fault-bend fold，以下簡稱 sfbf）的模型來修正這個問題。為了區分上述兩種模型，敘述上會將沒有內 部變形的稱之為典型斷層彎曲褶皺（classic fault-bend-fold，以下簡稱 cfbf）。
sfbf 的模型考慮到在滑脫面錯動時，可能伴隨靠近滑脫面附近岩層的變 形，造成與 cfbf 模型不同的褶皺形貌，而這些變形的岩層則稱為滑脫層 (décollement layer)。依據滑脫層的變形方式，又可分成 pure shear fault-bend- fold（以下簡稱 psfbf）以及 simple shear fault-bend-fold（以下簡稱 ssfbf）兩 種。
圖 3-7：斷層彎曲褶皺的演化模式圖（摘自 Fossen, 2010）。當滑脫面的斷坡形成後，上盤岩 層沿著斷坡往上移動，在斷坡上方形成褶皺，並隨斷層錯動而持續增高、增寬(a-c)。當滑 脫面以上所有岩層都被抬升至上盤頂部，褶皺便不再長高(d)，褶皺頂部水平地區隨著斷層 繼續錯動而拓寬(e)。
ssfbf 的形成是因為滑脫面本身的磨擦係數較高，且滑脫層強度較低，或 是有許多平行層面的弱面，使得這些擠壓應力以單剪(simple shear)的形式作 用在滑脫層並使其減薄，導致褶皺頂部的高度較 cfbf 來得低，讓褶皺後翼的 地層位態會比斷坡位態來得緩（圖 3-8a）。psfbf 則是因為滑脫面本身的滑移 量不足以消耗擠壓的能量，這些能量會使上盤的岩層受到純剪(pure shear)的 作用而變形，使得上盤靠近滑脫面的岩層增厚，導致後翼向後延伸，滑脫層 以上的地層位態亦會較斷坡來得緩（圖 3-8b）。
圖 3-8：三種斷層彎曲褶皺的模型的比對圖（摘自 Suppe et al., 2004）。在斷坡位態以及地表 所見的縮短量相同時，將 ssfbf (a)和 psfbf (b)分別與 cfbf 比較，可以了解到 ssfbf 因為滑脫 層受剪力作用，沿斷坡上升的岩層體積較小，因此其褶皺頂部高度較低；psfbf 則是因為接 近斷坡底部的滑脫層受到擠壓，使地表所見的後翼較寬。
3-4-2.斷層生長褶皺
當斷層產生錯動並由地下向地面延伸時，斷層端點(fault tip)以上的地層 受到錯動而產生折曲，這樣的褶皺稱為斷層生長褶皺。與斷層彎曲褶皺不同，
隨著斷層的錯動向前延伸，褶皺的寬度並不會明顯增加，取而代之的是整個 褶皺會隨著斷層而向前移動（圖 3-9），最後斷層有可能沿褶皺軸面切穿褶皺 (Fossen, 2010; Suppe and Medwedeff, 1990)。
圖 3-9：斷層生長褶皺的演化模式圖（摘自 Fossen, 2010）。斷層端點隨著錯動的累積而 由滑脫面持續往上移動，會讓上盤的岩層錯動，端點以上的岩層先以褶皺的方式消耗位 移量，直到斷層端點到達，開始以錯動的方式變形。上盤的褶皺會隨著斷層發展而長 高，但其頂部的平面則會持續變窄。
根據 Suppe and Medwedeff (1990)所發表的研究，斷層生長褶皺主要分 為固定層厚(constant-thickness)以及固定軸面(fixed-axis)兩種模型。前者的概 念與前述的 cfbf 類似，岩層在折曲時並不會有層厚的改變；後者則是當斷層 持續錯動時，褶皺軸固定於岩層內部的某個位置，並不會有物質隨著褶皺發 展階段不同，而有相對褶皺軸的位移，因此褶皺兩翼的地層會隨著斷層錯動 量的累積而被拉長、減薄。
本研究依據野外量測所得之底岩位態，以及從地形上的樣貌，選擇其中 較適用的模型並套用，來對應推測斷層的位態以及位置，並依此繪製出地下 的構造剖面。將上述的構造資訊結合階面分析以及定年資料，便可計算出構 造活動的速率。
第四章、研究結果
4-1.研究區域地形概況
4-1-1.階地分布概況（圖 4-1）
根據本研究利用 DEM 進行階地判釋的結果，大致可以將區域內的階地 分成兩大群（表 4-1）：平均面積較大，與現生河床高差較大的高位階地 (HT, higher terraces)，以及平均面積較小（銅鑼階以外），與河道高差較低的低位 階地 (LT, lower terraces)。由於一般而言年代古老的階地保存狀況會較差，
可能因為野外觀察或構造解釋而改變其位階的編號，因此本研究在階地的分 階上選擇由低到高的編號方式，而不是傳統上按照階地形成順序進行編排。
在階地的分布上，高位階地大致上沿著丘陵地形西緣的海岸線分布；而 低位階地則沿著河流兩岸分布，其中又以西湖溪以及南勢溪沿岸的階地發育 較為連續。此外兩者的階面沉積物顏色也有明顯的差異，高位階面上的沉積 物出現了明顯的紅土化現象（圖 4-2a、b），而低位階地則以尚未紅土化的土 黃色沉積物為主（圖 4-2c、d），顯示前者的沉積物年代明顯老於後者。
圖 4-2：各階地之皆面沉積物顏色。高位階地的階面沉積物大多偏橘紅(a)、(b)；而低位 階地的沉積物則以土黃色為主(c)、(d)。分別攝於(a)南勢山（好望角 HT2，附錄二 a、d 點 5）(b)大坪頂（HT1，附錄二 f 點 6），(c)頭湖（西湖溪 LT2 附錄二 a 點 7）(d)溪南（南勢 溪 LT2，附錄二 f、g 點 8）
由於西湖溪以及南勢溪兩流域在階地的分布狀況，以及活動構造與河 流的相對關係上，都有明顯的差異，因此以下關於野外調查以及階地分析 的部分，將先分別敘述高位階地、西湖溪流域以及南勢溪流域各自的概況 (4-2、4-3、4-4 節)，再於 4-5 節說明全體整合後的結果。
表 4-1：高位與低位階地比較
階面沉積物 比高 分布方式 階面大小
高位階地 紅棕色土壤及礫石 較高 沿海岸線分布 較大
低位階地 土黃色土壤及礫石 較低 沿現生河道分布 較小（銅鑼附 近除外）
圖 4-1：研究區域內的階地分布。底圖為山體陰影模型，等高線間距為 40 公尺，藍線 為區域內主要水系。高位階地普遍分布於西側的沿海丘陵地上，低位階地則主要分布於 西湖溪及南勢溪沿岸。
4-1-2.階面沉積物
階地是未受到侵蝕作用影響的河道或沖積平原，因此在計算階地的比高 之前，必須要觀察階面沉積物的保存情況，來確認階面形成後是否有受到明 顯的侵蝕。如第三章所述，由於階面沉積物是被保留下來的沖積平原或河道 沉積物，地形面必須與沉積物當中的層理平行，才能代表該地形面是過去原 始的沉積面。
根據野外觀察的階面露頭，以及槽溝挖掘的結果（詳見 4-2-1 節），都顯 示階面沉積物當中礫石與砂質沉積物的界線皆與地形面大致平行（圖 4-3）， 顯示這個區域內的階地保存狀況良好，未受到明顯的侵蝕作用影響，因此本 研究認為這些階面高程可用於河道下切量的計算。
圖 4-3：階地之剖面露頭照片(a)溪南附近的南勢溪 T2 階（附錄二 f、g 點 9）(b)新埔附近 的 T1 階（附錄二 d 點 10）(c)好望角西側的 T1 階（附錄二 a 點 11）。沉積物露頭中礫石 層與砂層的界面（紅虛線）與地形面（黃虛線）大致平行，其中彎曲的部分是露頭面不 平整所造成。
4-1-3.其他地形特徵
除了階地以外，在本研究區域內可觀察到許多單面山(cuesta)的地形樣 貌，一般而言這樣的地形主要是順著地下岩層的位態發育，其較平坦側的坡 度反映了地層本身的傾角(Huggett, 2011)。
本研究於好望角地區的階地西緣，以及新埔至通霄之間的沿岸丘陵西側，
觀察到向西傾斜的單面山（圖 4-4），其坡度可對應過港地區觀察到的地層位 態，大約為 30-35 度，顯示這些單面山確實反映地層的傾角。另外從 DEM 地形圖上可觀察到，烏眉周邊地區的丘陵中，有許多向東傾斜的單面山，其 坡度對應到周圍所觀察到的地層位態，大約為 12-15 度，相較西側沿海地區 所觀察到的單面山來得緩。
圖 4-4：單面山照片。(a)好望角階面（黑虛線）西側的單面山，可以觀察到地形面（黃虛 線）和底岩的層面（紅虛線）平行。(b)西側山腳下所見的單面山。（附錄二 a 點 12）
4-2.高位階地
4-2-1.高位階地分布概況
在本研究區域內，除新埔至通霄市區之間外，海岸沿線皆有高位階地分 布。參照 2-3 節所述，位於此區域內的構造當中，以苗栗前緣構造的位置以 及錯動形態，與此群階地的分布型態最為吻合，因此本研究初步研判此群階 地是由苗栗前緣構造的活動抬升所造成。
本研究依階地分布位置將高位階地分為好望角以及大坪頂兩大群：好望 角群分布於好望角至新埔一帶的沿海地區，此群階地可分為兩期（圖 4-5）； 大坪頂群則皆為同一期階地（圖 4-8）。
圖 4-5：好望角階地群分布概況，等高線間隔為 20 公尺。可以在新埔東側的 HT1 以及坪 頂北邊的 HT2 觀察到被錯動的階面（黑色虛線），圖中黃色虛線為圖 4-6 的剖面位置。
HT1 在北邊的好望角至南勢山之階地海拔為 90-100 公尺，在南北方向 的剖面上並無明顯傾斜（圖 4-6a），然而在白沙屯一帶鄰近海岸線的階地，
就明顯有向西傾斜的趨勢，其中新埔東側的階地上還可以明顯看到階面上有 受到錯動的現象（圖 4-6b）。
HT2 僅分布於坪頂區域，從地形上可以明顯看到該階的南側明顯比北側 來得高（圖 4-6a），在初步判釋階地時，曾因為高差而將其分為兩期不同的 階地。然而相對於 HT1 與 HT2 間的階崖，此兩階面之間沒有明顯陡峭的階 崖，且在該階附近有觀察到向北傾斜的階面（圖 4-7）。在比對西湖溪階地所 推測出的斧頭坑斷層位置（詳見 4-3-2 節），以及新埔東側 HT1 階面所受到 的錯動後，本研究認為這兩個階面最初應為同一平面，因斧頭坑斷層錯動而 產生現今所觀察到的高差。
圖 4-6：好望角階地群高度剖面。(a)好望角階地 HT1-HT2 的剖面，(b)新埔東側 HT1 的剖 面。兩剖面當中分別可觀察到階面上出現寬約 500 以及 400 公尺左右的突起。
圖 4-7：於坪頂東側觀察到向北傾的單面山(a)，根據露頭當中出露的礫石與地形面之間 的關係(b)，可推測此地形面是被錯動而傾斜的階面。（附錄二 a、d 點 13）
南邊的大坪頂階地僅有 HT1 一階（圖 4-8a），為本研究區域內東西跨度 最長的一階，階面呈現向西緩傾的形貌，階面的海拔分布範圍從西側的 73 公尺至東側可達 238 公尺（圖 4-8b）。其中位於倒梯崎附近出現北 20°東方 向的隆起，其頂部與兩側高差約 20 公尺。
圖 4-8：大坪頂階地群以及其高度剖面。(a)大坪頂階地位置，底圖為山體陰影圖，等高線 間距為 20 公尺，此階地的東側及北側與南勢溪以及其階地相鄰，分布方向大致與南勢溪 平行；(b)大坪頂 HT1 階地的高度剖面，可以觀察到在倒梯崎一帶的階地有約 1 公里寬的 隆起（紅色虛線），4-4 節中會將此形貌與低位的南勢溪階地群做比較後，一併討論其代 表的構造意義。
此階地之階面傾斜方向與南勢溪現生河床坡度類似，雖然從南勢溪現在 的流域面積以及規模看來，大坪頂階可能不是由現今的南勢溪沖積所形成，
但從此階面向西傾斜的形貌來推測，沖積出此階地的河流流向以及河道剖面 或許與現今的南勢溪類似，因此本研究將此階地與南勢溪的河床與階地一併 比較，以觀察此區域受到的構造變形（詳見 4-4 節）。
4-2-2.槽溝挖掘
本研究希望藉由槽溝挖掘取得可用於階面沉積物定年的樣本，因此本研 究選擇數個位於階面上，且較無人為整地以及使用跡象的空地，作為槽溝挖 掘的預定地，並在黃台豐技師的協助之下與地主協調，取得開挖的許可。由 於低位階地及面積較小，符合條件之地點有限，本研究區域內私人土地所有 權關係複雜，大坪頂階則因地中油的管線分布密集，進行挖掘會友有安全上 的疑慮。基於以上因素，本研究僅於 HT1 階面上，取得兩個適當地點的開 挖許可（圖 4-9）。在使用怪手進行槽溝挖掘後，觀察階地沉積物，並採集可 用於階面沉積物定年的樣本。
圖 4-9：槽溝位置分布圖（底圖摘自 Google Map）。
．槽溝 HWJ-1
此槽溝約 4 公尺長，2 公尺寬，3 公尺深，長軸方向大約為正東西向，
地面海拔高度為 87 公尺。挖掘結果顯示階面下 3 公尺皆為沉積物，大約可 分為四層（圖 4-10、4-11）：上方 80 公分內土質鬆軟，且有尚未腐爛之草根，
顯示其年代極為年輕，判斷為近代的人工回填土；其下有一層約 15 公分厚 的薄層礫石，連續性不佳，粒徑大小在 10 公分以下；第三層為 60 公分厚的 紅色風化土層，此層土壤的紋路顯示其受到地下水作用而有不均勻的風化現 象（圖 4-11），由於未觀察到人為擾動的跡象，再加上其膠結較第一層來得 好，因此本研究將其認定為原始階面沉積物的最上層；第四層則是厚層的礫 石層，其粒徑最大可達 50 公分左右，與現生河道所見之礫石沉積物相仿，
可推測其為過去的河道礫石。
圖 4-10：HWJ-1 槽溝照片以及地層柱。可以看到上層的回填土呈現黃色至暗紅色，與下 方紅褐色土層有明顯的差異，兩層之間的界線（綠色）大致水平，偶爾夾有不連續的細 礫石層。而最底下的粗礫石層最大粒徑可達 50 公分，其頂部雖然不平整（藍線），但大 致還是呈現水平的趨勢。
上述地層除薄層礫石連續性不佳以外，其餘地層皆有良好的連續性，各 層交界面大致與水平的地形面平行，顯示在階地形成之後，並未受到明顯的 侵蝕作用影響，可視為階地保存狀況良好的證據。
本研究於此槽溝內採集 8 個疑似碳樣本，經實驗室內挑選過後，選擇位 於砂質紅土層內的 HWJ-02 以及位於礫石層內的 HWJ-07 和 HWJ-08（圖 4- 12），共三個樣本送交 BETA 進行碳-14 定年。僅有 HWJ-08 成功取得定年資 料，經校正後之年代為距今 8000-7935 年。
圖 4-11：HWJ-1 上部三層的特寫。綠色線為層間的界線，由上到下分別為回填土、細礫 層以及風化土。可以明顯看到回填土層呈現均勻的紅色，而風化層則有黃色至橘色的斑 點，顯示受到的風化程度不同。
圖 4-12：HWJ-08 於礫石層當中的位置。
．槽溝 HWJ-2
此槽溝位於好望角階地上快速道路的另一側，約 4 公尺長，3 公尺寬，
3 公尺深，長軸方向大致為正南北向，地面海拔高度為 93 公尺。挖掘結果 顯示這三公尺皆為沉積物，與 HWJ-1 不同的是，此槽溝除了上面 20 公分厚 為顏色偏黃的回填土之外，底下 290 公分皆為砂質的紅土（圖 4-13）。相對 於 HWJ-1 有明顯的沉積物分層，此槽溝僅觀察到紅土層，推測此槽溝的位 置是過去河道的氾濫平原，因此只有較細粒的沉積物堆積。
本研究於此槽溝內採集 8 個疑似碳樣本，其中 2 個位於 125 公分深，其 餘 6 個位於槽溝底部（約 3 公尺深），經實驗室內挑選之後，將位於 125 公 分深的 HWJ2-02 以及位於 3 公尺深的 HWJ2-08 送交 BETA 實驗室，然而由 於樣本狀況不佳，皆未取得年代資料。此外我們也在槽溝底部採集光螢光樣 本 HWJ2-09 進行定年，所得之年代為 101±7ka。
本研究將於 5-1 節中討論 HT1 沉積物內的定年資料差異原因，並說明 何者較能夠指示階面的形成年代。
圖 4-13：HWJ-2 地層柱與槽溝照片（右）、於槽溝底部採集的光螢光樣本。可觀察到此槽 溝除了頂部淺色的回填土以外，以下沉積物沒有明顯的分層。
4-3.西湖溪階地群
西湖溪沿岸自上游至下游皆有連續階面發育，其中 Ota et al. (2006)已分 析過銅鑼以南階地與活動構造間的關係，因此本研究選擇針對銅鑼以北的西 湖溪階地進行分析。
本研究將西湖溪的河階劃分成六期（表 4-2）。在進行階地分期時，先將 明顯連續的階地劃為同一群，再根據相鄰階地間的高程對比，確認各階地之 間的關係。
表 4-2：西湖溪階地群各階比較
分布狀況 海拔(m) 比高範圍(m)
LT1 上下游段皆有，但不連續。 11-99 4-15 LT2 僅分布於下游段，連續性佳。 9-88 9-37 LT3 上下游段皆有，上游段連續性佳，下游
段連續性較差。 33-156 12-52
LT4 僅分布於上游段，連續性尚可。 110-137 24-54 LT5 僅分布於上游段，連續性差。 120-160 40-70
LT6 僅有下埔一階。 141 51
4-3-1.河階分布（圖 4-14）
依據階地分布的型態，本研究以四湖為界，將西湖溪分為上游段和下游 段，下游段沿岸兩側皆有階地分布，但上游段階地則有分布於同一岸的傾向，
在四湖以及銅鑼的階地分布於河的右岸，下埔至中埔的階地則集中於左岸。
觀察表中 LT2-LT5 的數據可發現同一期階地內部比高範圍變化非常大，
顯示了西湖溪在不同段河道下切的程度有明顯的不同，其中 LT2-LT5 的最 大比高都出現在四湖地區。
從各期階地的分布來看，上游段以 LT3 的分布最為連續，下游段則以 LT2 的分布最為連續。LT1 雖然在上下游段皆有分布，但除了四湖以及中埔 之外，面積都不大，且連續性不高。較高位階地(LT4-LT6)僅分布於上游段，
且 LT5 連續性極差，LT6 則僅在中埔附近有出現。
45
圖 4-14：西湖溪階地群之分布以及與 西湖溪縱剖面圖。(a)西湖溪階地群分 布圖，底圖為山體陰影圖，等高線間距 為 20 公尺(b)階地投影至河道剖面以及 (c)階地比高剖面。可觀察到階地與河流 之間的趨勢大致相同，顯示低位階是過 去西湖溪的河床。從階地比高可以觀察 在河口處的階地比高有明顯變化，顯示 其可能為構造的前翼，依照其位置判斷 可能是苗栗前緣構造的位置。而西湖至 下埔之間的階地比高呈現弧形（紅色虛
線），且與西湖以北的階地之間有高差，
本研究認為其分別反映了通霄背斜和 斧頭坑斷層的活動。
4-3-2.河流及河階縱剖面（圖 4-14b、c）
階地的連續性不佳時，會使不同階地之間對比的不確定性增加，也較難 比較不同河段之間的下切量，因此在繪製現生河床以及階地的縱剖面時，會 選擇連續性較高的階地與河床進行剖面繪製。
從河階縱剖面（圖 4-14b）當中可以看出來，多數階地的高程變化趨勢 都與現生河道類似，顯示這些階地皆為西湖溪所沖積形成，經構造抬升作用 造成西湖溪下切，而形成我們現在看到的階地樣貌。由於西湖溪沿岸由北到 南皆有河階分布，顯示此區域整體均受到構造抬升，參照 2-3 節所提及區域 內各構造，其中苗栗前緣構造的型態及位置最能說明此現象。因此本研究認 為由於苗栗前緣構造的上盤抬升，造成位於其上盤的西湖溪相對下切，而形 成了現今在西湖溪中下游所觀察到的階地地形。
另外可以從階面的比高分布看出來，西湖至中埔之間的階地比高特別突 出，呈現以四湖為中心，比高向兩側遞減的弧形型態。參照 2-3 節所提及區 域內各構造，此河段的北緣與斧頭坑斷層的位置接近，且在 LT3 上觀察到的 階面高差也可以與斧頭坑斷層的錯動方向對應；另外抬升量最大的四湖則與 通霄背斜軸的位置接近，抬升量向兩邊遞減的趨勢也與背斜的形貌相似。綜 合以上所述，本研究認為西湖至中埔河段的階面形貌，顯示在這些階地形成 以後，受到斧頭坑斷層以及通霄背斜的活動影響而變形、抬升，造成此河段 沿岸的階地比高較高。
4-3-3.河床底岩出露狀況
如 4-1 節所述，本研究觀察西湖溪河道內的沉積物，將現生的沉積物與 階地沉積物做比對，確認階地沉積物的來源，與此同時，本研究亦觀察河床 當中出露底岩的多寡，藉此確認河流下切的狀況。
根據本研究實地觀察，西湖溪從中埔至西湖市區，各處河道內皆可發現 河床內有泥質底岩出露的現象（圖 4-15），其中四湖地區至西湖市區西側之
