2019年3月10日 星期日

斷層漫談I:我達達的馬蹄是美麗的斷層?


文/阿樹  《震識:那些你想知道的震事》副總編輯

本文標題玩了一個小小文字遊戲,由於「斷層」的英文是fault,便拿來置換了一下鄭愁予的詩句。在地科圈更常見的惡搞梗,則是”It’s not my fault.” 而本文的主題就是在談論斷層的定義、分類以名詞背後的意義。




「斷層」的定義與分類
在討論地震的成因時,常會提到「斷層」一詞,包括過去我們撰寫的幾篇章都有著墨,如:

斷層指的是岩石受外力作用產生相對運動後,而形成的「破裂面」,而這個破裂面如果有從地底下延伸到地表,就會在地表呈現出一條「斷層線」,如果是重要的斷層,通常就會被標示在地質圖當中。而現在我們熟知斷層三大類:正斷層、逆斷層、平移斷層,就是依照斷層兩邊塊體的運動情況來區分的。

而由力學的角度來看,也可以發現,平移斷層的主要作用力是水平方向的剪力為主,造成斷層的運動只有水平向的左移或右移的作用;正斷層則是以向外拉張的力量為主,造成斷層的上盤往下掉;而逆斷層則是擠壓的力量為主,使得斷層的上盤往上抬升。等等,什麼是斷層的上下盤?如果我們有一個傾斜的斷層面,斷層面的上方就是上盤(hanging wall),下方就是下盤(foot wall),而正、逆斷層兩側主要的受力和運動關係大致就會以上下盤運動來描述。而理想上對平移斷層的運動描述,就用不到上盤與下盤的名詞,而是以「斷塊」(fault block,描述跨斷層運動時說明斷層兩側塊體時的名詞)來說明兩側的塊體,如果我們的面向斷層,斷層前方的那個斷塊向右移,就會叫做右移斷層,反之,則叫左移斷層。

因為受力不一定就這麼剛好在三個軸向上,因此有的時候斷層不會只有一種錯動方式,可能會有逆斷層+左移、正斷層+右移…等不同的排列組合,而有些學者會將平移斷層又以「走向滑移」(strike-slip)名之,其實是一樣的意義。
在阿樹求學過程中,便曾有過這樣的疑惑:為什麼正斷層為何是「正」斷層、逆斷層哪裡又大「逆」不道了?難道,這些命名和現象觀有關係?

「正斷層」之所以為「正」斷層的理由
”fault”作為斷層,若從地質的角度來看,或許我們可以想像一個情境:當我們觀察地層時若遇上斷層,就會發現原先完整的地層,被斷層錯開的不連續現象,而且由外營力(風化、侵蝕、搬運、沉積)沒有辦法解釋這樣的現象,但反過來說如果將斷層兩側的塊體移動一下,就能完全的回復原來的樣子,也正代表斷層的作用是一種讓地層分離的現象,或許用有錯誤、瑕疵之意的”fault”,也挺合理的?
追著地層是地質學家的基本功,看到這類追不到的情況,就是遇到斷層(筆者自繪)

正斷層的英文為”normal fault”,可想而知所謂「正斷層」可以理解其翻譯的意義,所以我的問題便是在於為何以”normal”來描述正斷層,關於這個問題我聽到了以下兩種說法:

第一種說法比較有趣,就是關於最初發現並定義斷層的地區,主要都以正斷層的型式為主,因而在發現正斷層以外的斷層型式時,就給了正斷層”normal”一詞,而逆斷層就給了”reverse”。當然,我個人也蠻懷疑這說法的真實性的,因此我們來談另一個既可以幫助記憶,又非常有道理的第二種說法。

第二種說法較有系統性。由於多數純粹的平移斷層面,是相當垂直的,較明顯具有傾斜方向的斷層,多半是正、逆斷層才有,因而有了「將斷層面上方的塊體稱為上盤、斷層面下方則為下盤」的定義,而當斷層為正斷層時,上下盤的關係看起來是上盤沿斷層面「自然滑下」(normal),而逆斷層的上盤,則是反過來由下往上的逆向(reverse)運動。此外,長期在逆斷層作用下的地層看起來也會像倒轉一般,因為一般而言較老的地層在下方,但被斷層影響後,跨越斷層的地震剖面就會局部「老的地層在上方」的現象,這是正斷層所沒有的。因此,我們或許便可以由此理解,正斷層為何「正」,逆斷層為何「逆」了!


正逆斷層如果觀察局部的露頭或是利用鑽井,就會看到地層重覆出現的情況(筆者自繪)
比逆斷層還「逆」的「逆衝斷層」
逆斷層中,如果傾角(也就是斷層面和水平面的夾角)小於45度的話,有時會用「逆衝斷層」(thrust fault)來取代描述逆斷層的方式(也就是逆衝斷層是特指傾角45度以下的逆斷層)。不過,正斷層則沒有這樣的細分類,那到底為什麼會這樣呢?

大部分的逆斷層傾向是低於45度的,而正斷層則多半大於45度,但有些時候如果發生從張裂環境變成擠壓環境時,就可能在某些正斷層上發生逆移的現象(就是逆斷層的作用在老的正斷層上);然而在擠壓轉張裂的環境時,較少會發生沿低角度逆斷層發育正斷層的作用,因此也比較少有低角度的正斷層。
所謂斷層的傾角,指的是斷層面和水平面的θ(筆者自繪)

”fault”為何中文為「斷層」?
1873年的「地學淺釋」為第一本翻譯自英文的地質學中文書,可以發現書中已有「斷層」一詞的中文與其說明,其對斷層一開始的描述「石層之裂而為縫」,以及「兩邊之石層有高低不對之處謂斷層」等文句,雖然用字遣字與現在我們習慣的白話文有點不同,但也不致於難以理解,而且還蠻像我們現在學習的斷層定義,明確的指出岩層間有裂縫,並且同時有錯位的現象,不然就只會是單純的節理了。

而前面提到的正、逆、平移、逆衝斷層等名詞,就可以從英譯中、機制成因等脈絡理解其名稱由來。最後,再來談最後一個與斷層有關的名詞,那就是「活動斷層」。
1873年《地學淺釋》一書中的「斷層」,摘自《地質學》一詞從晚清至今的演變
本文將斷層的名詞、定義是如何來的稍作簡述,本文偏向斷層的地質學科學史的部分,而同系列文的下一篇文章,將會介紹地質學家如何研究會發生錯動引發地震的「活動斷層」。而其它關於本站的斷層知識,可參考下列延伸閱讀與參考文獻。

延伸閱讀與參考文獻


2 則留言:

  1. 請將正/逆斷層的圖片,左右對換。並在圖片的右方寫東。
    就會比較像自然物理律了。
    謝謝阿樹老師。

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