地球構造
第 1 章 構造地質與構造分析第 1 章 構造地質與構造分析
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這章在回答：構造地質要研究什麼？要怎麼一步一步分析？資料從哪裡來？為什麼斷層只有正、逆、平移三種基本型？這一章是整門課的地圖：後面每一章都是這裡某一步的展開。
考前 30 秒
- 構造分析四層次：幾何 → 運動學（kinematic）→ 動力學（dynamic）→ 構造（tectonic），加上微構造分析。
- 線用 plunge → trend（trend 寫三位數），面用 strike / dip，面上的線用 rake（pitch）。
- InSAR：一個完整干涉環（2π）= 視衛星方向移動 半個波長（因為雷達波來回兩趟）。
- 生長斷層：上盤地層靠斷層變厚、楔形、越深越陡，近斷層較粗粒。
- Anderson：地表是自由面 → 一個主應力垂直。σV = σ1 正斷層（~60°）、σ2 平移、σ3 逆斷層（~30°）；σ1 平分共軛斷層的銳角。
先認識的名詞
| 名詞 | 一句話 |
|---|---|
| 構造地質 vs 構造學（tectonics） | 構造的幾何、分布、成因／產生一整套構造的區域性外在過程 |
| 運動學（kinematics） | 只描述怎麼動、動了多少，不問原因 |
| 動力學（dynamics） | 問是什麼力（應力）造成運動 |
| 走向／傾角／傾向 | 面和水平面的交線方位／最大傾斜角／往下傾的方位 |
| 趨向／傾伏（trend／plunge） | 線的水平投影方位／線和水平面的夾角 |
| rake（pitch） | 在面上從走向量到某條線的角度 |
| 赤平投影 | 把三維方向畫到二維圓上的方法（下半球） |
| 主應力 σ1 ≥ σ2 ≥ σ3 | 三個互相垂直、面上沒有剪應力的應力方向（Ch4） |
| 生長斷層 | 和沉積同時活動的斷層 |
| 應變率 | 單位時間的應變，單位 s⁻¹ |
這一章的邏輯地圖
★ = 考試重點。每一節最後有「自我檢測」，先自己回答再打開。
1. 構造分析的四個層次 ★
構造地質學研究岩石圈裡的褶皺、斷層和其他變形構造：它們長什麼樣、怎麼形成、為什麼形成。研究變形岩石有幾個途徑：野外觀察、實驗、數值模擬，再加上遙測和地球物理。野外看到的永遠是最終結果，變形的過程（漸進變形）和真實歷史是未知的；實驗和模擬則能看到變形一步一步發生，但要確保它真的代表自然（第 4 節）。
要從一個看到的構造推到它的成因，要一層一層往上推，這就是構造分析：
- 幾何分析：描述構造的形狀、位態、分布。這是其他所有分析的基礎。例如褶皺的軸面、樞紐線、褶皺軸；圓柱形 vs 非圓柱形褶皺；協調褶皺（沿軸面形狀重複）vs 不協調褶皺。
- 運動學分析：岩石質點怎麼移動、變形了多少，不問原因。例如用擦痕、拖曳褶皺判斷斷層往哪滑（第 5 節），用應變橢圓量變形（Ch2–3）。
- 動力學分析：什麼力（應力）造成這個運動。應力（Ch4–5）、破壞準則（Ch7）、Anderson 理論（第 6 節）都屬於這一層。
- 構造分析（tectonic analysis）：把前三者放到盆地或造山帶的尺度。例如台灣現今的最大主應力軌跡呈扇形分布，北台灣的應力軸順時針旋轉，反映的是聚合和琉球海溝後退的轉換（投影片 p.44）。
另外，微構造分析用光學顯微鏡和 SEM 看微觀尺度的變形，四個層次都會用到。
構造地質 vs 構造學：構造地質處理「構造」本身（岩石的幾何組態）；構造學（tectonics）處理產生一整套特徵構造的外在、區域性過程，例如區域伸張應力造成一系列鏟狀斷層和同構造層序。課程裡常見的構造型態（tectonic style）還有：鹽構造（鹽密度低、在低溫高壓下就能塑性流動，主要垂直往上穿過上覆地層）、新構造（現在還在進行的地殼運動和應力場）、微構造。
尺度也很重要：同一個地區的斷層樣式在不同尺度下可能不一樣（北海 Gullfaks 油田，p.42），所以觀察時要注意自己在哪個尺度。時間尺度用應變率（單位 s⁻¹）描述：地質應變率大約 10⁻¹³ 到 10⁻¹⁵ s⁻¹。
自我檢測 1
- 構造分析的四個層次各在問什麼？為什麼一定要按順序？
- 野外資料和實驗資料各有什麼優缺點？
- 構造地質和構造學（tectonics）差在哪？
答案：(1) 幾何：長什麼樣；運動學：怎麼動；動力學：什麼力造成；構造：放回區域尺度。後一層要用前一層的結果，例如沒有量清楚位態就不能推滑動方向。(2) 野外是真實的最終結果，但看不到過程；實驗看得到漸進變形，但要滿足相似條件才能代表自然。(3) 構造地質研究構造本身的幾何與成因；構造學研究產生一整套構造的區域性外在過程。
2. 描述方位：位態與赤平投影 ★
幾何分析的第一步，是把面和線的方向量下來、寫成數字：
- 面：strike / dip。課堂用右手法則：面對走向方向時，面往右手邊傾，所以傾向 = 走向 + 90°，寫成例如 030/40。
- 線（褶皺軸、擦痕、線理）：plunge → trend，例如 25 → 080。trend 要寫三位數（040 而不是 40），一看就知道是方位而不是角度。
- 面上的線：rake（pitch），在面上從走向量到這條線的角度。
量到的資料要畫在赤平投影上：想像一個球，面和線都通過球心，只看它們和下半球的交會，再投影到水平的圓上。面變成一條大圓，線變成一個點；面也可以用它的法線（極點）代表，在大量資料時比較清楚。
極點：50° → 300°（plunge/trend）
線：25° → 080°
用赤平投影可以很快看出資料的規律（p.39–40）：均勻的資料集中成一團；圓柱形褶皺各處層面的極點會排成一個大圓（π 圖），這個大圓的極點就是褶皺軸；位態不一致的大範圍可以先切成幾個均勻的子區再分析。實際作圖練習見〈赤平投影題解〉。
【例題 ★ 完整解】某面 030/40（右手法則），它的傾向和極點是多少？擦痕 rake 90° 時，擦痕的 plunge/trend 是多少？
第一步：傾向。 右手法則，傾向 = 030 + 90 = 120°。
第二步：極點。 法線朝傾向的反方向、往下：trend = 120 + 180 = 300°；plunge = 90 − 40 = 50°。所以極點是 50 → 300。
第三步：rake 90°。 從走向量 90° 就是沿著傾斜方向往下，也就是最大傾斜線：plunge = 傾角 = 40°，trend = 傾向 = 120°。可以在上面的互動圖驗證：把線設成 40 → 120，會落在大圓上。
自我檢測 2
- 為什麼 trend 要寫三位數？
- 赤平投影上，面、線、極點各畫成什麼？
- 圓柱形褶皺的層面極點在赤平投影上有什麼規律？
答案：(1) 避免和角度（plunge、dip）混淆。(2) 面是大圓、線是點、極點是點（面的法線）。(3) 排在同一個大圓上（π 環帶），環帶的極點是褶皺軸。
3. 資料從哪裡來
| 來源 | 特點 |
|---|---|
| 野外觀察 | 最直接，但只看到最終結果；要採定向標本才能做後續分析 |
| 實驗 | 看得到漸進變形；三軸變形儀 σ1 > σ2 = σ3（圍壓） |
| 數值模擬 | 例：顆粒離散元素模擬斷層擴展褶皺，下盤當剛性基盤，斷層尖端前方地層越來越陡、甚至倒轉 |
| 遙測與大地測量 | 衛星影像、正射航照、InSAR、DEM、LiDAR、GPS/GNSS |
| 地球物理 | 震測剖面、重力、磁力、震源機制 |
| 其他 | 薄片／SEM、現地應力量測（Ch4–5）、定年、沉積盆地分析 |
InSAR（合成孔徑雷達干涉）：衛星在兩個時間拍同一地區，比較兩次雷達回波的相位差。相位差包含地表高程、變形、大氣和雜訊；扣掉高程（用 DEM）和大氣，剩下的就是兩次之間的地表變形，畫成一圈一圈的干涉環。
【例題 ★ 完整解】為什麼一個完整的干涉環（2π）代表視衛星方向的變化是半個波長？用 C 波段（λ = 5.6 cm）看到 5 個干涉環，地表移動多少？
第一步：寫相位差。 相位差 = 2π × 路徑差 / λ。雷達波從衛星到地面、再從地面回到衛星，地面沿視線（LOS）移動 d，去程和回程都多（或少）了 d，路徑差 = 2d：Δφ = 2π · 2d/λ = 4πd/λ。
第二步：一個干涉環。 Δφ = 2π → 4πd/λ = 2π → d = λ/2。
第三步：代數字。 一環 = 5.6/2 = 2.8 cm，5 環 = 14 cm（沿視衛星方向，不一定是垂直或水平的真實位移）。
其他常考細節：
- 雷達是側視的，所以有前坡縮短（foreshortening）和疊置（layover）。衛星大多是繞極衛星：升軌由南往北、向東照；降軌由北往南、向西照。
- 波長越短解析度越好：X 波段 ~3 cm、C 波段 ~6 cm、L 波段 ~24 cm（L 波段能穿透植被，在山區比較好用）。
- SRTM 用的是固定基線干涉（兩支天線同時拍），沒有時間差，所以沒有變形和大氣的干擾，只得到地形：全球南北緯 60° 內，30 m（1 弧秒）和 90 m（3 弧秒）的 DEM。
- LiDAR（光達）：一個雷射脈衝會有多次回波（樹頂、樹枝、地面），只取最後的地面回波可以去掉植被，得到 DTM／DEM（裸露地面），保留第一次回波則是 DSM（地表物）。在台灣植被茂密的山區，用來找活動斷層的地形線形特別有用（例如金山斷層）。
- 震測剖面：縱軸是雙程走時，不是深度；反射來自聲阻抗（密度 × 速度）突變的界面。
- 重力異常單位 mGal；磁力單位 nT（1 T = 1 Wb/m²，1 nT = 10⁻⁹ T；台灣的地磁場約 45,000 nT）。
- GPS/GNSS 速度場可以算應變率。
【換你算】GPS 算出喜馬拉雅–西藏的應變率約 3×10⁻⁶ /yr，換成 s⁻¹ 是多少？和一般地質應變率比較。
提示：一年 ≈ 3.15×10⁷ s。
答案：3×10⁻⁶ / 3.15×10⁷ ≈ 10⁻¹³ s⁻¹，落在地質應變率（10⁻¹³ 到 10⁻¹⁵ s⁻¹）的快端，因為這是全世界最活躍的碰撞帶。
自我檢測 3
- InSAR 的相位差包含哪些成分？要得到地表變形必須扣掉什麼？
- LiDAR 的 DSM 和 DTM 差在哪？
- 為什麼 SRTM 用固定基線干涉？
- 震測剖面的縱軸是什麼？
答案：(1) 高程、變形、大氣、雜訊；扣掉高程（DEM）和大氣。(2) DSM 包含樹木建物（第一次回波）；DTM 只有裸露地面（最後回波）。(3) 兩支天線同時拍，沒有時間差，就沒有變形和大氣的干擾，只得到地形。(4) 雙程走時。
4. 實驗與類比模型：怎樣才能代表自然
三軸變形儀（triaxial rig）把圓柱形岩樣放在圍壓下，再從軸向加壓，所以 σ1 > σ2 = σ3（σ2 = σ3 = 圍壓）。應力的單位是 Pa（MPa）。實驗看得到岩石從變形到破裂的整個過程，例如砂岩裡形成變形帶（Ch7），在 SEM 下可以看到顆粒破碎、滑動和旋轉（顆粒流）。
類比模型（例如砂盒、黏土、矽膠）要能代表自然，必須按比例縮小所有物理性質，滿足三種相似：
- 幾何相似（尺度模型）：形狀和尺寸成比例。
- 運動相似：形狀、位置的改變和時間成比例。
- 動力相似：內聚力、黏滯度對比成比例，內摩擦角相同。為什麼摩擦角要「相同」而不是「成比例」？因為 Coulomb 準則 σs = C + σn tan φ 裡，tan φ 是無因次的，縮小模型時不會跟著縮。
兩個課堂的例子：
- 砂盒模擬台灣斜向聚合：用一個剛性塊體（backstop）代表菲律賓海板塊的前緣。「剛性」的意思是塊體內部不變形，只有整體移動和旋轉。這個假設合不合理？如果塊體本身強度遠大於被推的沉積物，就是合理的近似。
- Tapponnier 的黏土實驗（1982）：用一塊剛性的擠入體壓進黏土，黏土沿著一組平移斷層往側邊被擠出去，對應印度擠入、亞洲側向擠出（lateral extrusion）。這也說明了剛體變形（塊體只有平移、旋轉，例如擠出的斷塊沿平移斷層移動）和非剛體變形（內部形狀改變，例如褶皺、地殼增厚）的差別。
自我檢測 4
- 三軸實驗中三個主應力的關係？
- 類比模型要滿足哪三種相似？
- 什麼是剛性塊體？舉一個剛體變形和一個非剛體變形的構造。
答案：(1) σ1 > σ2 = σ3（圍壓）。(2) 幾何、運動、動力相似。(3) 內部不變形、只整體移動旋轉的塊體；剛體：沿平移斷層被擠出的斷塊；非剛體：褶皺、地殼增厚。
5. 從構造推運動：幾個常考的構造
運動學分析的核心是：從地層、斷層的形狀，推回它們是怎麼動的。
生長斷層（growth fault）★：和沉積作用同時活動的斷層（同沉積斷層），常見於沉積盆地邊緣，多為鏟狀正斷層，形成半地塹。例如台北盆地的山腳斷層。
怎麼從鑽井或震測資料認出一條沒有出露的生長斷層？看上盤（下落盤）的原生構造：
- 靠近斷層的地層比遠處厚；
- 地層呈楔形，而且越往下越陡；
- 靠近斷層的沉積物較粗（相變）；
- 下斷塊逐漸旋轉、沉陷。
為什麼會這樣？斷層每動一次，上盤就往下落一點、空出一些空間，這個空間靠斷層最大，被沉積物填滿，所以靠斷層那側堆得比較厚。每一層沉積之後，下面的斷層還會繼續動、上盤繼續沿鏟狀斷層旋轉，所以越老的地層被轉得越多、越陡。
鏟狀斷層與上盤變形：斷層彎曲時，上盤要跟著變形才能貼合斷層面，可以用同向（synthetic）或反向（antithetic）的簡單剪切來調節（p.6）。斷層的彎曲形狀因此也透露了滑動方向。
拖曳（drag）：沒有擦痕時，可以用斷層旁地層的彎曲判斷運動方向，但要分清楚兩種：
躍階（stepover）：平移斷層並不是一條直線，常常一段一段錯開排列：
其他：
- 貫入體（diapir）：岩漿或鹽強行侵入時擠壓圍岩，圍岩裡的包體（捕獲岩）越靠近岩體邊緣越扁長（應變越大），周圍形成邊緣向斜（rim syncline）。
- 向斜軸部向外滑動的逆衝斷層（out-of-the-syncline faults，p.10）：不是所有逆衝斷層都從底部滑脫面分出來；向斜兩翼被擠得越來越近，軸部的岩石空間不夠，就沿著小逆衝斷層往外擠出去。
- 擦痕（slickenlines）：斷層面上的磨蝕痕跡，直接記錄局部的滑動方向。縫合線（stylolites）：壓溶作用形成的鋸齒狀面，垂直於最大壓縮方向。
自我檢測 5
- 如何從鑽井或震測資料判斷一條沒出露的斷層是生長斷層？
- 為什麼生長斷層上盤的地層越往下越陡？
- 正牽引和反牽引怎麼分？哪一種是滾動背斜？
- 右移斷層、右階是什麼躍階？形成什麼地形？
答案：(1) 上盤地層靠斷層變厚、楔形、越深越陡、近斷層粗粒、下斷塊旋轉沉陷。(2) 老地層沉積後經歷更多次斷層活動，上盤沿鏟狀斷層旋轉更多。(3) 正牽引往運動方向彎（摩擦）；反牽引往反方向彎，滾動背斜是反牽引。(4) 伸張躍階，拉張盆地。
6. Anderson 斷層理論：應力決定斷層類型 ★
這是把實驗室的岩石力學和野外看到的斷層連起來的理論（英國地球物理學家 E. M. Anderson 提出）。推理只有三步：
第一步：一定有一個主應力是垂直的。 地表和空氣接觸，空氣不能對地表施加剪應力，所以地表是一個沒有剪應力的面。沒有剪應力的面就是主應力面（Ch4），它的法線方向（垂直）就是一個主應力方向。地下淺處也大致如此。
第二步：剩下兩個主應力是水平的。 三個主應力互相垂直。
第三步：看哪一個是垂直的。 三軸實驗告訴我們，岩石的剪裂面會包含 σ2、和 σ1 夾約 30°（Ch7 會從 Mohr–Coulomb 準則推出：θ = 45° − φ/2，φ ≈ 30°）。所以：
| 垂直的主應力 | σ1 的方向 | 斷層 | 傾角 |
|---|---|---|---|
| σV = σ1 | 垂直 | 正斷層 | ~60°（= 90° − 30°） |
| σV = σ2 | 水平 | 平移斷層 | 直立 |
| σV = σ3 | 水平 | 逆斷層 | ~30° |
先預測：如果岩石的內摩擦角很小（例如含水的黏土），正斷層會變得比較陡還是比較緩？想好再拉。
斷層和 σ1 的夾角 θ = 45° − φ/2 = 30°
斷層傾角：60°
一對共軛斷層都包含 σ2，σ1 平分兩條斷層的銳角，σ3 平分鈍角。所以在野外看到一對共軛斷層，可以直接推回應力軸的方向（Ch10 的古應力分析就是從這裡延伸）。
易錯：Anderson 的限制（作業 Hw03）：(1) 斷層不一定在完整岩石中新生，強度較低的既有弱面會先再活動，方向就不受 30° 規則限制；(2) 斷層的位態會隨漸進變形旋轉，現在看到的傾角不一定是剛形成時的傾角；(3) 應力軌跡會隨深度改變，例如在區域滑脫面附近，主應力不再垂直或水平。
【換你算】一組共軛正斷層，一條傾角 62°、另一條往反方向傾 62°。σ1、σ3 在哪裡？岩石的內摩擦角大約多少？
提示：σ1 平分銳角；斷層和 σ1 的夾角 θ = 90° − 62°。
答案：兩條斷層的銳角在垂直方向，夾角 2 × 28° = 56°，σ1 垂直（平分銳角）；σ3 水平、垂直斷層走向。θ = 28°，φ = 90° − 2θ = 34°。
自我檢測 6
- 為什麼地表附近一定有一個主應力是垂直的？
- 三種 Anderson 斷層各對應哪個主應力垂直？傾角大約多少？為什麼？
- 共軛斷層和主應力的幾何關係？
- Anderson 理論有哪些限制？
答案：(1) 地表不能承受剪應力，是主應力面，法線（垂直）是主應力方向。(2) σ1 垂直 → 正斷層 ~60°；σ2 垂直 → 平移斷層直立；σ3 垂直 → 逆斷層 ~30°；因為剪裂面和 σ1 夾約 30°。(3) 都包含 σ2；σ1 平分銳角、σ3 平分鈍角。(4) 既有弱面會先動；斷層會隨變形旋轉；應力軌跡隨深度改變。
容易混淆的地方
| 容易搞混 | 正確理解 |
|---|---|
| 運動學 = 動力學？ | 運動學只描述怎麼動；動力學問什麼力（應力）造成的 |
| trend 寫 40 就好？ | 寫三位數 040，避免和角度混淆 |
| 一個干涉環 = 一個波長？ | 半個波長，因為雷達波來回兩趟 |
| 震測剖面縱軸是深度？ | 是雙程走時，要用速度模型換成深度 |
| 生長斷層的下盤變厚？ | 上盤（下落盤）靠斷層變厚 |
| 滾動背斜是正牽引？ | 是反牽引（往斷層下彎，和運動方向相反） |
| σ1 平分共軛斷層的鈍角？ | σ1 平分銳角，σ3 平分鈍角 |
| 正斷層傾角 ~30°？ | 正斷層 ~60°，逆斷層 ~30° |
章末綜合題
1.（觀念）用構造分析的四個層次，說明從「野外看到一組共軛正斷層」到「推論這個地區在伸張」的推理過程。
幾何：量兩組斷層的走向、傾角（約 60°、互相反向傾），畫在赤平投影上。運動學：用擦痕、拖曳判斷兩組都是上盤往下（正斷層）。動力學：依 Anderson 理論，兩條斷層都包含 σ2，σ1 平分銳角 → σ1 垂直、σ3 水平且垂直斷層走向。構造：σ3 水平代表這個方向在伸張，再結合區域資料（例如盆地、生長斷層）解釋為伸張構造環境。
2.（考古）何謂生長斷層？發育在什麼環境？有什麼特性？如何由鑽井岩心或震測資料判斷一個未出露的斷層是生長斷層？
和沉積同時活動的斷層（同沉積斷層），常見於沉積盆地邊緣、伸張環境（半地塹），多為鏟狀正斷層，例如山腳斷層。特性：上盤（下落盤）地層靠斷層變厚、呈楔形、越深越陡；靠斷層粗粒；下斷塊逐漸旋轉沉陷；常伴隨滾動背斜。從鑽井比對同一層在斷層兩側的厚度（上盤較厚），從震測剖面看楔形、往深處傾角變大的反射層。
3.（計算）用 L 波段（λ = 24 cm）的 InSAR 觀測一次地震，震央附近數到 4 個干涉環。沿視衛星方向的位移多少？如果改用 C 波段（5.6 cm），會看到幾個環？
L 波段一環 = 12 cm，4 環 = 48 cm。C 波段一環 = 2.8 cm，48/2.8 ≈ 17 環。波長短，環比較密（解析度高），但變形太大或植被茂密時容易失相干、數不清楚。
4.（觀念）一位學生說：「這塊類比模型是真實山脈的 1/100,000，所以內摩擦角也要縮成 1/100,000。」對嗎？
不對。內摩擦角（tan φ）是無因次量，動力相似要求它相同，不是等比例縮小；要按比例縮小的是有因次的量，例如長度、內聚力、黏滯度對比。
延伸：看過就好
台灣的例子：1999 集集地震竹山槽溝的同震斷層相關褶皺（下盤當剛性基盤）；2018 花蓮地震的 InSAR 同震變形；中寮隧道與天寮三號橋跨活動構造的異常變形；西南部旗山（Chihshan）逆斷層 1999–2014 約 67 cm 的位移；金山斷層用 LiDAR DTM 找到的新近斷層線（平均位移約 3.3 m）。
微構造：變形帶的 SEM 影像顯示顆粒邊界滑動、旋轉和大量顆粒破碎（顆粒流）。
震測：海上用空氣槍當震源；折射震測可以得到地殼的速度構造。