108 年 國立臺灣大學海洋研究所物理與化學與地物組（3組聯招）《海洋地質學》

此題要求繪製臺灣周遭海域（117-125°E; 18-27°N）的海底地形圖，並標示主要海底特徵。由於本處為純文字輸出，無法實際繪製地圖，僅能在此說明繪製此圖時應包含的要素及應標示的主要海底特徵。

繪製要點：

1. 地理範圍： 涵蓋臺灣本島及其周圍海域，東至太平洋，西至臺灣海峽，南至巴士海峽，北至東海南部。
2. 比例尺與座標： 應標示適當的比例尺，並標示經緯度座標範圍（117-125°E; 18-27°N）。
3. 等深線： 繪製清晰的等深線，呈現海床的起伏變化。
4. 地形特徵標示： 標示出以下主要的海底地形特徵：
   • 大陸棚 (Continental Shelf)： 臺灣西側的臺灣海峽，水深較淺，坡度平緩。
   • 大陸坡 (Continental Slope)： 臺灣東側外海，坡度陡峭，是從大陸棚邊緣下降到深海平原的部分。
   • 海底峽谷 (Submarine Canyon)： 可能分布於臺灣東側大陸坡，如沖繩海槽附近。
   • 沖繩海槽 (Okinawa Trough)： 位於臺灣東北部外海，是一個典型的後弧盆地，深度較深，地形複雜。

層序地層學 (Sequence Stratigraphy) 是一種研究沉積地層的方法，它將地層劃分為一系列由不整合面 (unconformity) 所界定的「層序 (sequence)」。每一個層序代表一個相對完整的沉積週期，其構成與演化與海平面的變化 (sea-level changes) 密切相關。在海洋地層學中，層序地層學是解釋地層年代和進行地層比對的強大工具。

核心原理：

1. 海平面變化與海岸線變遷： 海平面的升降是造成沉積環境變化的主要驅動力。

   • 海平面上升 (Transgression)： 海水淹沒陸地，海岸線向陸地推進，沉積物類型由陸源向海源演變（例如：陸相 → 濱海 → 淺海 → 深海）。
   • 海平面下降 (Regression)： 海水退卻，海岸線向海推進，沉積物類型由海源向陸源演變（例如：深海 → 淺海 → 濱海 → 陸相）。

2. 層序的定義與組成：

   • 層序 (Sequence)： 一個層序通常由兩個連續的「系統域 (System Tract)」組成，並由兩個「最大海退不整合面 (Maximum Regressive Surface, MRS)」或「最大海侵面 (Maximum Transgressive Surface, MTS)」所界定。然而，最常見的定義是：一個層序由兩個連續的「海退不整合面 (Sequence Boundary, SB)」所界定。
   • 海退不整合面 (Sequence Boundary, SB)： 通常代表海平面顯著下降時期，造成海岸線向海退卻，裸露出較淺的沉積物或基岩，導致沉積作用中斷，並可能產生侵蝕。在層序地層學中，通常以「低水位系統域 (Lowstand Systems Tract, LST)」與其下方「高水位系統域 (Highstand Systems Tract, HST)」的接觸面為代表。
   • 系統域 (System Tracts)： 根據海平面變化和沉積物供給的相對關係，將層序內的沉積物劃分為不同的系統域：
     • 高水位系統域 (Highstand Systems Tract, HST)： 海平面相對較高時期，海岸線向陸推移，沉積物主要在相對靠近海岸的區域堆積。
     • 退積系統域 (Falling Stage Systems Tract, FSST)： 海平面開始下降，海岸線向海推移，沉積物在更靠近海的區域堆積。
     • 低水位系統域 (Lowstand Systems Tract, LST)： 海平面最低時期，海岸線退到大陸棚邊緣甚至更遠，沉積物在深水區域（如大陸坡、海盆）堆積，常與海侵不整合面 (Transgressive Surface, TS) 或最大海退面 (MRS) 相關。
     • 海侵系統域 (Transgressive Systems Tract, TST)： 海平面開始上升，海岸線向陸推移，沉積物從深水向陸地逐步堆積，常與海侵面 (TS) 相關。

海洋地質及地球物理調查是認識海底地貌、沉積物、基岩結構、淺層和深層地殼結構的重要手段。以下列舉五種常見的調查方式，並說明其原理、應用及限制。

1. 單音訊回聲探測 (Single-beam Echo Sounder)

• 理論原理： 利用聲波在水體和海底界面之間傳播時產生的反射波來測量水深。發射器發出一個聲波脈衝（單一聲束），聲波傳播到海底後反射回來，接收器接收反射波。根據聲波在水中的傳播速度和往返時間，計算出海底的深度。
• 應用範圍：
  • 測量海底地形，繪製等深線圖。
  • 初步勘查海底沉積物分佈。
  • 航道測量、港口浚深工程。
  • 水下考古初步調查。
• 使用上之限制：
  • 聲束角度較窄，測量的是海底某一點的深度，空間解析度較低。
  • 對於坡度陡峭的海底，聲束可能沿坡面傳播，導致深度測量誤差。
  • 受海底沉積物聲阻抗影響，對某些軟泥或吸聲性強的沉積物，回聲可能較弱。
  • 無法提供海底以下的結構資訊。

2. 多音訊回聲探測 (Multi-beam Echo Sounder)

• 理論原理： 與單音訊回聲探測類似，但發射器能發出扇形或圓錐形的多個聲束，一次性覆蓋較寬的海底區域。通過對不同角度反射回來的聲波進行處理，可以獲得一個條帶狀的區域地形資料，從而生成高解析度的三維海底地形圖。
• 應用範圍：
  • 精確繪製海底地形圖，識別微地貌（如海底峽谷、海丘、斷層錯動等）。
  • 海底管線、電纜鋪設的勘查。
  • 海底資源勘查（如砂礦、礦體）。
  • 進行海底地質災害（如滑坡、斷層）的詳細調查。
• 使用上之限制：
  • 設備較為複雜昂貴，需要較高的船速和穩定的平台。
  • 聲束在水體中的傳播受聲速剖面（水溫、鹽度、壓力梯度）影響較大，需要實時聲速剖面測量進行校正。
  • 水深越大，覆蓋的條帶寬度越窄，資料採集效率相對較低。
  • 對海底沉積物的穿透能力有限，主要反映海底表層地形。

3. 地震反射法 (Seismic Reflection Survey)

• 理論原理： 利用人工產生的地震波（如空氣槍震源）向海底發射，地震波進入海底地層後，在不同岩性、密度、速度界面（如沉積層與基岩、不同岩層之間）發生反射和折射。接收器（拖纜上的地震檢波器）接收反射回來的地震波，通過分析地震波的走時、振幅、頻率等特徵，可以推斷海底以下地層的結構、厚度、傾角、不整合面等資訊。
• 應用範圍：
  • 勘查海底地下構造，尋找油氣、礦產資源。
  • 研究地殼結構、沉積盆地演化。
  • 識別淺層斷層、褶皺、火山構造。
  • 淺層地層地質災害（如海底滑坡、甲烷氣體滲漏）的調查。
• 使用上之限制：

大陸邊緣 (Continental Margin) 是大陸地殼與大洋地殼之間的過渡區域，是沉積物堆積的主要場所，也是板塊構造活動的重要區域。其形態、演化和地質特徵與鄰近的板塊邊界類型密切相關。

一、定義與組成

大陸邊緣通常包含三個主要部分：

1. 大陸棚 (Continental Shelf)： 位於大陸邊緣最外側，是延伸至海岸線的大陸地殼的平緩延伸部分，水深通常不超過 200 公尺。其地形平坦，沉積物多為陸源碎屑。
2. 大陸坡 (Continental Slope)： 從大陸棚邊緣急劇下降到大陸隆起或深海平原的部分，坡度較陡，通常與大陸棚的邊緣形成明顯的界線。
3. 大陸隆起 (Continental Rise)： 位於大陸坡的底部，是沉積物堆積形成的緩坡，坡度逐漸變緩，最終過渡到深海平原。

二、大陸邊緣的類型與板塊構造關係

大陸邊緣的類型主要由其所處的板塊邊界性質決定，可分為兩大類：

1. 被動型大陸邊緣 (Passive Continental Margin)：

   • 特徵： 位於板塊內部，遠離活躍的板塊邊界。通常是過去活躍邊界（如張裂邊界）演化而來，現在沒有顯著的地震或火山活動。
   • 板塊構造關係： 是由大陸裂解（Rifting）形成的。當一個大陸塊裂開，形成新的大洋盆地時，裂開的邊緣就形成了被動型大陸邊緣。
   • 演化： 經歷裂解（Rifting）和漂移（Drifting）階段。裂解時期，地殼拉張、斷裂、火山活動，形成裂谷；漂移時期，大陸塊漂離裂谷，新的大洋地殼形成，沉積物開始在裂解形成的邊緣堆積。
   • 地形分區： 典型的大陸棚、大陸坡、大陸隆起結構清晰。大陸棚寬闊，大陸坡坡度相對較緩，大陸隆起發育良好，由厚層的深海扇沉積物構成。
   • 差異： 相較於主動型，缺乏地震和火山活動，地形平緩，沉積物厚度大，主要受海平面變化和沉積物供給影響。
   • 圖示範例：
     🖼️【此處有附圖，請對照原卷】 - 示意圖應顯示一個寬闊的大陸棚，平緩的大陸坡，以及發育的大陸隆起，並標示出裂谷、漂移、沉積物堆積的過程。

2. 主動型大陸邊緣 (Active Continental Margin)：

   • 特徵： 位於活躍的板塊邊界，通常是俯衝帶 (Subduction Zone)。表現出顯著的地震和火山活動。
   • 板塊構造關係： 通常是海洋板塊向大陸板塊俯衝的邊界。
   • 演化： 伴隨俯衝作用，有地殼的擠壓、變形、熔融和火山活動。

這五個原理是地質學中解釋岩層形成和演化的基本原則，稱為「地層學五大定律」。理解它們對於解釋地質歷史、建立地層序列和進行地層對比至關重要。

1. 均變原理 (Principle of Uniformitarianism)

• 意義： 俗稱「現在是過去的鑰匙 (The present is the key to the past)」。此原理指出，在地質作用的過程中，現今仍在發生的地質作用（如侵蝕、沉積、風化、火山活動、地震等）與過去發生在地質歷史中的地質作用，其作用方式和原理是相同的。雖然作用的強度和頻率可能有所不同，但基本過程是一致的。
• 應用：
  • 解釋過去的地質事件：通過觀察現今的地質現象，可以推斷過去發生的類似過程，例如，觀察現今河流的沉積作用，可以推斷古代河流沉積物的形成過程。
  • 重建古環境：通過分析沉積物、化石等，可以了解過去的氣候、水體深度、沉積環境等。
  • 預測未來趨勢：了解地質作用的規律，有助於預測未來可能發生的地質災害。

2. 疊覆律 (Principle of Superposition)

• 意義： 在未受擾動的水平沉積岩層序列中，較老的岩層位於下方，較新的岩層位於上方。這是最基本的地層排序原則。
• 應用：
  • 建立地層的相對年代序列：通過觀察岩層的疊覆關係，可以判斷岩層的先後順序，從而建立區域性的地層年代框架。
  • 推斷地質事件的發生順序：例如，如果一個侵入體（如岩脈）切穿了某一層岩石，根據疊覆律，被切穿的岩石一定比侵入體更老。

3. 原水平原理 (Principle of Original Horizontality)

• 意義： 沉積物在沉積時，通常是以水平或近似水平的方式堆積在水體（如海洋、湖泊）底部。因此，未受後續地質作用（如褶皺、傾斜）影響的沉積岩層，其層面應是水平的。
• 應用：
  • 識別地層是否受到擾動：如果發現沉積岩層呈現傾斜、褶皺等狀態，則表明這些岩層在沉積後經歷了地質變形作用。

臺灣西南外海（包括臺灣海峽南部及南海北部陸坡）確實是全球重要的天然氣水合物 (Gas Hydrate) 潛藏區之一。天然氣水合物是一種在低溫高壓條件下，由水分子籠形結構包裹甲烷等氣體分子形成的固態冰狀物質。其儲存與分解與環境條件高度敏感，可能引發一系列嚴重的海底地質災害。

一、天然氣水合物可能觸發的災害

1. 海底滑坡 (Seafloor Landslides) / 海底土體失穩 (Seafloor Mass Wasting)： 這是與天然氣水合物最直接相關的災害之一。
2. 海底沉降 (Seafloor Subsidence)： 由於水合物分解導致下方孔隙壓力變化及固體體積減少。
3. 海底噴發/噴流 (Seafloor Eruptions/Seeps)： 氣體從海底釋放，形成氣泡羽流。
4. 影響淺層穩定性 (Impact on shallow sediment stability)： 水合物分解釋放的氣體會改變沉積物的孔隙壓力、滲透率和強度。

二、觸發機制

天然氣水合物的穩定存在需要特定的低溫高壓條件。任何導致這些條件改變的因素都可能觸發水合物的分解，進而引發災害：

1. 溫度升高 (Temperature Increase)：

   • 機制： 海水溫度升高（如氣候變遷導致的全球暖化、海底熱液活動、熱井效應）會降低水合物的穩定溫度，使其分解。
   • 後果： 分解釋放大量甲烷氣體，增加孔隙壓力，降低沉積物強度，可能導致海底滑坡。

2. 壓力降低 (Pressure Decrease)：

   • 機制： 海平面下降（如冰期時海平面下降）或海底沉積物快速堆積導致的孔隙壓力變化，都會使水合物所處的壓力條件低於其穩定壓力。
   • 後果： 壓力降低導致水合物分解，釋放氣體，增加孔隙壓力，降低沉積物強度。

3. 沉積物擾動 (Sediment Disturbance)：

   • 機制： 地震（最常見的觸發因素）、海底滑坡、水底濁流、鑽探活動、甚至海底拖網等，都會對海底沉積物造成機械擾動，破壞水合物的結構，或加速熱傳導，使其分解。
   • 後果： 快速的壓力變化和熱傳導變化導致水合物分解，釋放大量氣體。

4. 孔隙壓力變化 (Pore Pressure Changes)：

   • 機制： 氣體水合物分解本身就會釋放氣體，增加孔隙壓力。此外，沉積物的壓實、地下水流動、地震波動等都可能改變孔隙壓力。
   • 後果： 高孔隙壓力會降低沉積物的有效應力，使其強度大幅下降，容易發生滑坡。

三、對環境的影響

1. 溫室氣體排放：
   • 影響： 分解釋放的甲烷 (CH₄) 是一種強效的溫室氣體，其單位質量的暖化潛勢遠高於二氧化碳。

重建古海洋或古氣候的研究，尤其是古海表溫 (Sea Surface Temperature, SST) 的重建，高度依賴於「替代性指標 (Proxies)」。這些指標是通過分析沉積物、岩石、冰芯或生物遺骸等載體中記錄的物理、化學或生物信號，來反推過去環境條件。

以下列舉幾個常用於重建古海表溫的替代性指標及其原理：

1. 浮游有孔蟲的氧同位素 (Oxygen Isotopes in Planktonic Foraminifera)

• 原理： 浮游有孔蟲（如 Globigerinoides sacculifer, Globigerinoides ruber 等）在其生長過程中，會在碳酸鈣外殼中記錄其生存環境的化學訊息。氧同位素（¹⁸O/¹⁶O）的比例在有孔蟲殼體中的含量，與當時的海水溫度和全球冰量（即海水中的¹⁸O 含量）有關。
  • 溫度效應： 在較冷的溫度下，有孔蟲會優先吸收較重的 ¹⁸O 同位素，導致殼體中的 ¹⁸O/¹⁶O 比例較高。反之，在較暖的溫度下，¹⁶O 較易被吸收，¹⁸O/¹⁶O 比例較低。
  • 冰量效應： 在冰期，大量水被鎖在冰川中，海水中的 ¹⁸O/¹⁶O 比例升高。在間冰期，冰川融化，海水 ¹⁸O/¹⁶O 比例較低。
• 應用： 通過分析不同時期有孔蟲殼體中的 ¹⁸O/¹⁶O 比值，並結合對冰量效應的校正（通常通過分析底棲有孔蟲的 ¹⁸O/¹⁶O 比值來估計全球冰量），可以相對準確地重建古海表溫。
• 限制： 需要對冰量效應進行準確的校正，且樣本的保存狀況會影響分析結果。

2. 脂類生物標記物 (Lipid Biomarkers)

• 原理： 某些微生物（如細菌、藻類）在其細胞膜或細胞壁中合成特定的有機化合物，這些化合物的結構或同位素組成與其生長環境的溫度相關。當這些微生物死亡後，其有機物會隨沉積物沉降，成為沉積物中的生物標記物。
  • 長鏈烯烴 (Long-chain alkenes)： 如 Haitch-index (HBI) 是由一些與浮游植物相關的細菌（如 Geminella bulloides）產生的，其結構中的不飽和鍵數量與生長溫度呈負相關。
  • 二醇 (Diols)： 如 1,3-二醇和 2,4-二醇，是某些單細胞藻類（如 Proboscia 屬的狄氏藻）產生的，其結構中的甲基數與溫度呈正相關。
  • 長鏈酮類 (Long-chain ketones)： 如甲基酮 (methyl ketones) 和二酮 (diketones) 也是一些浮游植物的指標，其結構與溫度相關。
• 應用： 通過氣相色譜-質譜聯用儀 (GC-MS) 等方法分析沉積物中的這些特定脂類化合物，利用已知的化合物結構與溫度關係（通過培養實驗或現今海洋樣品標定），可以推算古海表溫。