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地質學
第一章 概論
第十二章 河流與河流的地質作用
第十三章 地下水
第十四章 風的地質作用
第十五章 冰川與冰川的地質作用
第十六章 湖泊和沼澤的地質作用
第十七章 海洋
第十八章 海水的地質作用 - 海水的剝蝕和搬運作用
第十九章 板塊構造學說
第十一章 地質圖與地質圖的判讀
第十章 地層與地質時間
第二章 我們居住的地球
第三章 礦物
第四章 岩石概論
第五章 火山與火山作用
第六章 風化和土壤
第七章 地質作用、地殼變動與構造運動
第八章 化石與古生物學
第九章 地殼與生物進化的歷程概述
第二十章 環境地質學
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20-5 地質環境與地質災害
對人類的生存與發展而言,地質環境是人類棲息之地,它包含了一些基本的條件即:
 
1.人類賴以生存的環境的基本條件,包括:地形、地勢、氣候、土壤、地層、構造、水體等。
 
2.可被開發的地質資源
 
地質環境又可有有利條件與不利條件。如果這些基本條件對人類生存與發展有利即是有利條件,如不利即是不利條件。例如以上所列的地形、地勢的不好,氣候的惡劣,土壤的貧瘠不足,地層與構造的不穩定,水體的貧乏等都造成不利條件。一些不利的條件會相應地產生一系列不良的地質現象與地質災害;如再加上人為的營力更是可以加強加劇這些自然地質災害。台灣就是處在這種不利的地質環境中,因此更需注意這方面的劣化與防範。
 
有利條件中地質資源的開發屬於經濟或礦床地質;土地地形的有利利用屬工程地質;農地、土壤的開發屬農業地質都不在本節討論範圍之內。我們特別要討論的是地質環境的不利條件,不利地質環境的劣化因素與自然災害以及人為營力加速地質作用與自然災害的關係。
 
一.自然災害的分類
 
自然的災害可分為(1)氣候災害(2)地質災害與(3)複合災害。我們要討論的是地質災害與複合災害。
 
就地質災害而言,環境地質既要研究由自然地質作用引起的地質災害,也要研究由人為作用引起或加重的地質災害,包括由人為作用引起的海岸侵蝕、山崩、河流改道、泥石流、地層下降、地基塌陷、滑坡、水災、水質污染、生態系統的破壞等等。這一類的現象在台灣特別敏感,更需注意。
 
為方便討論起見我們可將地質災害可分為(1)深部應力作用所引起的地質災害,(2)淺層-表層內外營力作用所引起的地質災害,與(3)特殊地質作用所引起的地質災害。我們將一一的作簡單的討論:
 
(1)深部地質作用引起的地質災害
由深部地質作用引起的自然災害有很多種。常在構造活動帶中造成。這類災害一般危害性極大,而且目前尚無法進行人工處理,以避免或減少這類災害的發生。這類災害中以地震及火山噴發為最主要,相應地還有海嘯、地裂縫、岩爆、噴氣、噴沙等現象。此外,地震活動還可誘發與催化許多淺層及表層地質災害的發生,如滑坡、岩溶塌陷等。目前世界上地震活躍帶顯然與板塊活動有密切關係。台灣是處在兩個明顯的板塊交界的活動帶中,所以這類的災害也時常發生,必需注意。
 
(2)淺層-表層內外動力作用引起的地質災害
在地球演化過程中,各種內外動力作用的影響下,淺層、表層可產生多種的地質災害。主要的有由塊體運動(Mass Movement)所造成的山崩、崩移、岩屑滑動、泥石流、水土流失、淤積及雪崩等災害。有的也是由於地形與地質條件所誘發的,與表層的應力狀態有關。這類災害是廣泛分佈,規模大小不一,例如有的滑坡才有幾十立方米的體積,而大的卻可達1-2億m3以上。單一次這類災害所帶來的損失也是差異懸殊,但每年各地累計的綜合災害損失,一般情況下比由深部地質作用所引起的地質災害(如地震等)還要常見,所以其損失還要大得多。台灣的地質條件不好(岩層膠結不良、破碎,山坡地多,多瀑雨,洪水,地震)這類地質災變更是常見。
 
常見的自然災害,塊體運動(Mass Movement)
 
地表的鬆散堆積物和岩塊等由於自身的重量,並在各種外因觸發下產生運動所引起的地質作用、過程稱為塊體運動。一般快速的塊體運動稱山崩或滑坡運動,文獻中已經發表的山崩分類方法很多,一般都是由不同背景的學者或工程師所提出,因為個人皆有不同的觀點和應用目的,所以並沒有一個統一標準。一般山崩分類的根據也極不相同,有的以運動的種類、運動的速率作為分類標準,也有以運動中包含物質的性質、山崩的原因和動力作用、以及山崩的時代或地理位置等的不同作為依據的。目前最通用的塊體運動的分類是用夏普(Sharpe,1938)(表20-3),法納(Varnes,1978)(表20-4),謝比(Selby,1982)(圖20-3)和斯坎諾及波特(Skinner and Porter, 1987)(圖20-4)的分類。他們的分類從塊體運動的特性來看並不適用於台灣地區。因此作者將他們的分類加以修改再以不同塊體運動的運動特點作以下的分類敘述。塊體運動有快速塊體運動與緩慢塊體運動兩類。
 
 
             


 
             


快速塊體運動
 
普通的快速塊體運動統稱為山崩(Landslide)或滑坡。山崩是指岩石和岩屑等以各種不同方式由山坡上落下的運動,以及由運動物質內所含的水分或多或少而造成的運動。一般是由崩落、滑動、崩移及流動等作用造成。
 
台灣地區的地質背景是很特殊的,因此常有不同類型的塊體運動發生,在光復以後曾經發生好幾次規模很大的山崩或快速塊體運動。最聞名的是雲林縣清水溪所發生的山崩,1941年因嘉義地震造成山崩,崩下來的岩層堆積成為一條碎石堤,橫過溪面,使堤後的溪水受阻成為一個山崩湖,造成草嶺潭及60餘人埋沒於4800萬立方公尺之碎石泥土中。在1942年8月10日的連續3日之暴風雨中,該地再度崩坍,崩積物覆蓋於第一次的崩落土堤上,估計兩次崩落土石總量有12600萬立方公尺。但這碎石泥土造成的堤埧並不穩固,受長年溪水滲溢沖蝕,於1951年5月18日崩潰,這個山崩堤又被沖毀,堤後湖中的蓄水形成洪水向下氾濫成災,毀壞了下游很多鄉鎮,造成74人的死亡。1979年8月15日,因豪雨又發生山崩再形成天然湖,但因豪雨不停,天然碎石泥土造成的堤壩終於8月24日潰決,崩落土石又逐漸被溪水搬走。1999年9月21日的集集大地震 (見第七章)在南投縣國姓鄉九份二山坡腳下產生了將近180公頃大規模的草嶺崩塌事件,造成兩座堰塞湖。一旦雨季來臨,新草嶺潭勢必產生潰壩,並造成災害。此外其他較大的山崩有1961年6月4日、1966年8月22日高雄縣半屏山的兩次石灰岩山崩、1970年苗栗縣中港溪珊珠湖的河岸崩坍、1977年基隆市八堵基隆河邊高速公路引道山坡的山崩等,每次都造成相當大的災害,甚至有居民的傷亡。這些都是缺少事前的遠見或工程設計的欠當所造成的。最近一次的較大山崩發生在1986年五月二十五日中午南投縣竹山鎮太極峽谷的岩石墜落,在千層瀑布附近死亡二十八人,受傷三十人左右。
 
從全球來看歷史上災害較慘重的一次水埧山崩事變是在1963年十月九日發生在義大利阿爾卑斯山區中的范翁脫(Vaiont)水庫。當時有體積超過三萬萬立方公尺的岩石因山崩而從最高達六百公尺的山坡上以每秒25-30m的速度下滑跌落進入水庫之中,使水庫中的水約5千萬立方公尺被擠出,造成水面超過溢洪道高達175公尺之巨。洪水衝過水埧的面上,高達一百公尺,長數公里,使朗加洛鎮雷(Longarone)全毀,約有三千人左右喪生。但是1960年完成的水埧本身因工程設
施完善,卻沒有受到損害。事後檢討這次山崩的發生是因為一側岩層向著水庫傾斜,工程人員沒有注意到水庫兩邊軟弱而多裂隙的石灰岩和頁岩所構成的基岩,和已經時常發生移動而不斷增加的小山崩。同時在開築水庫時,人工的切蝕山谷使其坡度加陡,以及水庫蓄水後地下水面的自然增高,減少了岩石的內部摩擦力,也是造成山崩的次要原因。
 
號稱世界上死傷最慘重的一次山崩是岩石崩,發生在秘魯安第斯山脈(Andes)中華斯開朗(Nevados Huascaran)山峰的西北側,曾在八年之中連續發生兩次災難。第一次發生於1962年,死亡3,200人。第二次規模極大,發生於1970年五月三十一日,由於海外發生的地震引發山崩。從5,500公尺高之山峰崩落岩石五千萬至一億立方公尺,山崩時速達每小時280至335公里,岩石崩延展長達三公里,高數十公尺,死亡者有18,000人。
 
位於斜坡上的鬆散堆積物,沒有膠結或膠結不良的岩層,或節理發育的鬆軟岩層,當孔隙或節理充滿水後,一方面水分增加了堆積物的重量,另一方面水分又降低了堆積物內部之間相互摩擦力和顆粒之間的黏結力。這時在重力作用下,鬆散堆積物、岩層或岩塊稱滑坡體,滑坡體與基岩間的交界面稱滑動面,滑動面常呈向下凹的弧形面延伸到坡腳或谷底,滑動面裸露部份稱滑坡壁。滑坡體在滑動過程中,由於各處受力不一致,內部可出現新的次一級滑動面,在地面上出現階梯狀的滑坡階(圖20-5)。滑坡主要產生在雨季或冰雪消融時期,在地形傾斜,坡面物質破碎的條件下,滑坡一旦產生,將給工程建設和人們的生活帶來巨大的危害(圖20-6,20-7)。
 
                                                       
                                         

 
滑坡體的體積差別極大,由數立方米至幾億立方米。滑動面有一個或數個,型態主要為向上的曲面,少數為斜面,傾角也不相同。滑坡體為土層時可發育滑坡鼓丘;脆性岩石常過渡為崩落,從而形成倒石錐。
 
為解說方便起見我們可根據快速塊體的運動特點,我們可將快速塊體運動劃分為如下幾個類型:
 
(一)崩落或墜落(Fall)
這類運動帶發生在非常陡的山坡上,在這類地區由風化侵蝕作用所造成的岩屑、岩塊、或出露的岩層常會因重力失去平衡而沿著山坡或山崖向下作快速的移動或崩落。這就是通常所見的崩落或墜落塊體運動。運動塊體的開始並不是沿著固定斜面滑落,而是先短暫地離開其連結的基岩向下墜落,然後再沿著山坡滾落下去。墜落或崩落作用指的是岩塊與基岩的脫離、崩落、沿山坡滾滑以及在坡腳堆積的整個作用過程。這是岩塊發生快速、突然的墜落的一種現象。當岩塊與基岩的聯結力小於岩塊自身重量時即可發生崩落。因此崩落作用在高山地區最易發生。在河岸、海岸等局部地形陡峻地區也常常會發生崩落。一般認為地形坡度大於45 SYMBOL 186 f "Times New Roman" 時,即可發生崩落或墜落作用。台灣的山坡地帶多,具沒有膠結且發育良好的節理的岩層極多,所以常有崩落發生,特別是沿橫貫公路沿路常可見到這類塊體運動。因崩落物的性質不同又可分為岩屑崩落(Debris Fall)與岩石崩落(Rock Fall)兩類。
 
崩落的結果常常可以造成崖錐(Talus),這是在山坡腳下由崩落的岩石土壤碎塊堆積所成的一個碎石堆,有一定的坡度,礫塊大都是具有尖銳稜角的外形,而大小顆粒混雜在一起,無淘選作用。每一錐崖的外形好像一個半圓錐,其頂點抵住山崖表面,向下呈半圓形的裙狀圍住山坡而直達山腳(圖20-3)。圓錐的坡度約在三十到四十度之間。這就是一般休止角的角度。角度的大小常決定於岩石的乾濕程度。如果超過了四十度,錐崖中的碎石或岩塊又要開始向下瀉落,直到恢復四十度的休止角才停止。
 
(二)滑動作用
岩屑、岩塊或出露的岩層沿著一個或幾個切變滑動面先作較緩慢的運動然後作快速的運動的一種現象,稱滑動作用。由崩落物的性質與速度的不同又可分為a.岩屑滑動(Debris Slide),b.岩層滑動(Rock Slide)和c.岩屑崩湧(Debris Avalanche)。
 
岩石滑動往往沿著岩層的層面節理或斷層面發生,以含水多而傾斜的岩層中最易發生,坡度在20 SYMBOL 186 f "Times New Roman" 以上容易發生,坡度在40 SYMBOL 186 f "Times New Roman" 時更容易發生,這時常有巨大數量的岩塊滑落,面積極廣,速度極快,可以造成很大的災害。
 
(三)崩移(Slump)
崩移是指地表土壤、鬆軟沉積物或鬆軟岩石沿著一個彎曲面所發生的間歇滑動或轉動,整個可以連成一個岩體單位,也可以間歇性的連續發生。每次滑落的距離不遠,速度也不太快,而且岩塊有沿著滑動面發生向後傾側向下及向外轉動
(Rotational)的現象。在堅強的岩石蓋在軟弱的岩石上面而山坡下常受底切作用使山坡坡度變陡的地方,最容易發生崩移。這是由於軟弱岩層中容易發生變形作用,使上面的堅強岩層因為底下岩層的受到切蝕而處於不安定的狀態,很容易崩裂。大型的崩移岩層可以長達數公里,寬達百餘公尺。這時我們常稱之為大型山崩。
 
(四)流動作用
這是泥土、沙、石塊與水分攪和液化後形成黏稠體的一種運動現象。由流動物的性質與速度的不同又可分為a.泥流(Mud Flow),b.泥石流或岩屑流(Debris Flow),c.泥石急流(Debris Torrent)及d.土流(Earth Flow)四類(見十四章地面暫時流水的地質作用一節)。
 
泥流與泥石流的發生是水、泥與石屑的混合形成,水中因泥量的增加而可形成一種密度很大的重流,因而可以搬運極大的石塊,造成很大的災害。土流一般則是指表土的崩流現象。

緩慢的塊體運動
 
緩慢的塊體運動又可分為潛移(Creep)、土石流(Solifluction)、和石冰川(Rock Glacier)三種。
 
(一)潛移(Creep)
潛移或蠕動為石屑表土或地面破碎岩層沿著地面的坡度在重力作用下作連續而緩慢的向下流動。因為進行遲緩,有時只有根據地面的表徵如插在表層中傾斜的電桿和樹木等才可以間接推斷這個運動的存在。有時由於接近地面處的岩層傾角的向相反方向倒轉,也可以證明。由潛移所含物質的不同可以將之分為岩石潛移(Rock Creep)、岩錐潛移(Talus Creep)、與土壤潛移(Soil Creep)三種。
 
(二)土石流或解凍土流(Solifluction)
土石流或解凍土流為含水飽和的土石,從高處向下緩慢移動,沒有固定的流路,也不容易為人察覺。這類運動多發生在高緯度地區或冬季寒冷結冰或是永遠結冰的永凍土(Permafrost)地區,其地面上的土石可以不斷發生交替結冰和化冰的作用。在冰化的時候,上面表土層中的冰已經融化,但是下面結的冰無法融化掉,所以上面融冰所有的溶水不容易滲透到地下仍然凍結的土石中去。表層中因為含水多而重量增加,也無處可去,所以地面含水的土石就沿著山坡慢慢向下滑流,進行的很慢,乃造成土石流,見圖20-8。有時候土石流的發生不一定限於冰雪地區,表面如有飽含水分的岩屑和岩塊,其中水分如無法向下滲透或溢出的時候,也常常可以造成土石流,尤其近地面處如有不易透水的地層或土層時,最有可能發生。
 
 
(三)石冰川(Rock Glacier)
石冰川也大都發生在寒冷地區,和土石流發生情形相同。其運動可以使在高山上含有冰塊的碎石及岩屑沿著河道或河谷呈舌狀向下流動,和普通的冰川相似,不過表面全部都是由石塊組成,其下部或中間孔隙可能夾有冰塊,以加速其流動性。流動速度可以從一日三公分到一年一公尺,岩屑中所含的冰塊是促進滑動的一種因素。石冰川的表面有一連串半圓形石脊,彎向下游,指出其黏性流動的特性(圖20-9)。石冰川可能由於上游發生大規模的冰舉和土石流作用所聯合造成。
 
 
塊體運動發生的因素及過程
 
一、造成塊體運動發生的因素是多方面的,簡單地說可有下列幾種因素:
 
1.氣候
高寒氣候區及乾燥氣候區由於物理風化作用強烈崩落作用十分發育,但在潮濕氣候區,由於河流及海浪的掏蝕,同樣為崩落作用提供了有利條件。大雨及颱風,颱風帶來的雨量也是造成不同塊體運動的重要原因。因為水的浸潤降低滑動摩擦力,是導致滑動的主要外因,實際調查表明,雨季產生的滑坡佔總數的90%以上。
 
2.地質因素
岩漿岩、變質岩和沉積岩中的多節理及脆性岩石斷裂發育,最易發生岩塊的崩落。另外,片理、劈理、層理傾向和坡向一致時也易發生崩落。在台灣地區,很多地區的地層是由膠結不良或沒有膠結的岩層組成,在這些地區,塊體運動極易發生,所以在這些地區人類的活動要特別的注意。
 
陡坡、岩坎上部的岩塊,往往具有明顯的或隱伏的裂隙,風化作用使裂隙擴大,最後與基岩分離,隨著支撐的破壞失去平衡,岩塊亦即發生崩落。在這些陡坡地帶,如由未膠結之泥岩或黏土岩組成,更會因表流的地質作用,形成泥流(重流),加強了侵蝕力,加速對多節理的岩層之侵蝕形成泥石流、泥石急流,因而造成極大的災害。特別是在下列的情況下極易造成滑坡。
 
     (1)最易產滑動的為夾有軟弱膠結不良岩層的堅硬岩石和沒有膠結或膠結不良的鬆軟土層。
     (2)岩層傾向與斜坡向一致時和岩體多節理,斷裂時極易產生滑動。
     (3)斜坡坡度超過邊坡休止角時易產生滑動。
 
3.其他因素
雷電閃擊、風暴、地震、生物的促進或觸發作用,也可使岩塊失去平衡而發生崩落、滑動。台灣地震誘發的滑坡是極為普遍的,一般認為,震級在5-6級以上的地震常引起滑坡發生。
 
此外,人們採掘礦石、開挖渠道、修建道路等工程,如果施工不當,破壞了斜坡的穩定和平衡,也會產生滑坡。
 
塊體運動的發生,除了純粹的重力作用外,來自山體的側向壓力同樣是一個重要因素。這種側向壓力使岩體內部應力逐漸集中在陡崖的臨空面,在一定條件下也會促使臨空面岩塊脫離而崩落。
 
二.滑坡的發育過程
 
在滑坡的發育過程中,滑動作用可以大致分為潛移形變、滑移破壞及漸趨穩定三個階段:
 
1.潛移形變階段
滑坡發育初期,嘗試緩慢的蠕動過程。由於岩層強度逐漸降低使斜坡的穩定狀況受到破壞,在斜坡內部產生微小的滑動。以後,形變繼續進行,坡頂同時出現裂隙,滲水作用加強,並開始出現規模不大的錯距,坡腳破碎岩石被擠出,這時坡腳非常潮濕並可滲出濁水。這表明滑動面以大部形成,但尚未全部貫通。再後,裂隙逐漸擴大並延伸串通,滑動體與基岩完全分離,滑動規模越來越大。潛移形變階段,時間有長有短,短的僅數天,長的可達數年之久。
 
2.滑移破壞階段
滑坡體繼續向下滑落時,滑坡後壁的出露面積越來越大;滑坡體內部由於新的滑動面形成而進一步分裂;地面出現一個或數個階梯狀滑坡階梯(圖20-5)。滑坡階面通常後傾,若上面有樹,則可形成"傾斜"。滑坡向前端伸出形成滑坡舌或滑坡鼓丘。坡腳常滲出大股渾濁泉水,這表明滑動作用正達高潮。

由於地震引起的滑坡具有實發性,可以沒有上述階段性劃分或階段劃分不完全,常常是滑動體的快速下滑,災害性極大。
 
3.漸趨穩定階段
滑坡體在向下滑動時,伴隨著滑體的破碎和位置的降低,其懸空不穩定性逐漸消失。而且由於滑坡體碎塊充塞低凹的空間構成新的支撐,使滑動作用減慢直至停止,坡腳滲出清澈泉水,這時滑動作用即告終結。


 
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