緒論
在地質學中，「地質構造」可以分為兩大類。第一種稱為「原生構造」（Primary structures），指的是在岩石尚未形成時就已經產生的構造，並隨著岩化的過程而被保留在岩石中；第二種則是「次生構造」（Secondary structures），是岩石形成之後才出現的構造。
這兩種構造有什麼背後的含意？由於原生構造大多是在岩石形成的過程中產生的構造，因此藉由它們可以了解岩石形成時所在的環境特徵。而次生構造和岩石的形成環境則沒有直接關聯，一般是和岩石所在區域的大地構造背景比較有關。舉例來說，當我們在岩石中看到波痕，就可以知道這石頭在沉積時，曾處於有水流的環境；當我們在岩石中看到逆斷層時，代表的是這塊岩石形成後曾經（或現今）處於受擠壓的環境中，而無法得知其形成前/時的環境。
在這個系列文章中，我們要討論的主題為沉積構造（Sedimentary structures）。沉積構造是在沉積岩形成時，由水流、風、重力、化學或生物等等作用，而在沉積物中所產生的構造，有時可以被保留在沉積岩內。大多數的沉積構造都是屬於原生構造，只有少數例外，並且大多數的原生構造都是沉積構造。沉積構造相當重要，因為它們可以告訴我們許多很久很久以前，發生在沉積物中的故事。
接下來的幾篇文章，將會逐一介紹野外常見的幾種沉積構造，也會討論沉積構造的形成原理、應用與相關的現象。如果對內容有任何問題與疑義，都歡迎在留言區發表。另外，本系列文章內的圖片，未特別註明者皆為作者所拍攝與繪製，只要標注來源（如：夯溫電論壇）即可在非商業性範圍內使用。
流體與沉積物的交互關係
流體如何將沉積物從地面帶走？
地表的沉積物，大多是透過液體（如河川與海）與氣體（空氣）傳送，固態的冰河我們這裡先不討論。在簡化的模型中（圖一a），要將沉積物從地面「抬起來」而順著流體傳送，必須克服沉積物顆粒本身受到的重力（g）、顆粒彼此之間的摩擦力（f），以及顆粒彼此之間的凝聚力（尤其對泥質沉積物而言）；而流體施給顆粒的作用力，主要包含平行於沉積物表面的拖曳力（Fd），以及垂直於沉積物表面的抬升力（Fl）。Fd來自流體對沉積物的剪應力，其效用主要是讓顆粒能夠順著流體的流動方向移動；Fl則來自白努力效應（Bernoulli effect）——流線在接近沉積物顆粒時，會受到顆粒的形狀影響而在其上方匯聚，同時流速增加，這就降低了顆粒上方的壓力，因此產生一個抬升的力量，將沉積物「舉起」（圖一b）。Fd和Fl的合力，便是使沉積物能夠離開地面而隨著流體運動的主要作用力，稱為流體作用力（Fluid force, Ff）。當然，它必須克服前述的阻力，才能順利地使顆粒離開地面並順流而下。當流體的速率越快，Ff就越大，也越容易將沉積物搬動。
圖一（改繪自Boggs, S., 2014）
沉積物的沉降與堆積
將一顆石頭丟到水中，它會緩慢下沉，這是很自然的現象。在靜止的流體中，重力會促使沉積物往下沉降而回到地表，而流體的黏滯力與浮力等作用則會與重力抗衡，當兩者達成平衡，沉積物就不再有垂直的加速度，而會以等速往下「降落」，此時便是達到了所謂的「終端沉降速率」（Terminal fall velocity）。
沉積物的終端沉降速率和什麼有關？根據理論計算與實驗，對於一個呈完美球狀且直徑小於0.1mm的沉積物顆粒而言，在不考慮其它因素的情況下，其終端速率會與直徑的平方成正比，這稱為「Stoke's law」。簡單來說，沉積物的粒徑越大，沉降的速率就越快。對於粒徑較大的顆粒而言，雖然沒有符合這個定律的描述，但其粒徑與沉降速率也是成正相關。當然，沉積物的沉降速率也和其它因素有關，例如當流體的黏度越大、沉積物密度越小、球度（沉積物形狀接近完美球體的程度）越差，沉降速率就會越慢。
###Hjulström diagram
在流動的流體中，沉積物粒徑、流體的流速與沉積物的運動型態有著什麼樣的關係？我們通常以一張稱為Hjulström diagram的圖來表示（圖二）。這張圖所表達的情況是在深度一公尺的水體中，石英顆粒隨著不同水流流速所對應的不同運動型態，包括搬運、侵蝕與沉積。
圖二（改繪自https://thegeoroom.co.zw/hydrology/the-hjulstrom-curve-of-river-erosion-transportation-and-deposition/ ）
雖然Hjulström diagram是在有些限制的條件下繪製的，但仍然有其代表性。從圖中的曲線與分區，可以解讀出：
一、沉積物的粒徑越大，將其搬運所需的水流流速就越快。
二、顆粒粒徑在0.1~1mm（砂）的範圍中，最容易被水流所侵蝕、帶走。
三、顆粒粒徑小於約0.5mm時，將沉積物侵蝕所需的水流能量會隨著粒徑的減少而增加，和前面所介紹的原則相反。造成這現象的原因，是前面有提到的顆粒凝聚力。當沉積物粒徑處於粉砂與泥的範圍時，由於粒徑很小，顆粒質量也很小，而顆粒之間的凝聚力就比較顯著，因此沉積物顆粒不會「一顆一顆」的被搬走，而是傾向「一坨一坨」地被帶走。相較單一顆粒的砂而言，要將一大坨泥巴帶走所需的水流能量就高了。這現象在野外也能夠看得到，在一些高能量水流事件的沉積中，有時能夠看到大顆粒的沉積物中夾雜一些泥塊，如圖三。
圖三、礫岩中的泥塊。圖中的礫岩，厚度約十來公尺，夾在厚層的泥岩中，代表為大陸斜坡或深海中偶發的高能量水流事件。這水在流動時，除了攜帶礫石，還將一些泥帶入水流中，由於泥的顆粒間凝聚力佳，因此會呈現一坨一坨的產狀，堆積在礫石中，便成為礫岩裡面的泥塊。筆尖指向上。（八里灣層，石雨傘）
粒級層
野外常見的沉積構造——粒級層（Graded beds）便是流體速率與沉積物粒徑的交互作用所造成的現象。
這裡所討論的粒級層，嚴格來說是「正粒級層」（Normal grading，圖四與圖五），也就是沉積物的粒徑由下往上逐漸變小的岩層單位。在一些特殊事件中，則會有反粒級層的沉積，但這不在我們的討論範圍之內。正粒級層的形成原理，其實就是水流搬運能量和沉積物粒徑的關係（圖四）。當流速突然增加，流體的搬運能力變強，便可以搬運大大小小的沉積物。接著，流速緩慢的下降，搬運能力逐漸降低，粒徑大的沉積物，其沉降速率最快，因此首先堆積在地面。隨著流體的能量越來越小，也就堆積了粒徑越來越小的沉積物。因此，就產生了一個粒徑往上逐漸變小的正粒級層。造成正粒級層的沉積事件，通常是突發性的高能量水流，且水流能量在最高峰後緩慢的降低，例如濁流，將在之後介紹。
圖四、粒級層與水流能量的關係。（白冷層轉石，谷關）
圖五（都巒山層，石梯坪）
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參考資料：Boggs, S. Jr., 2014, Principles of sedimentology and stratigraphy, Pearson new international edition PDF eBook, 560p.
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