前情提要 沉積構造系列01——流體與沉積物的交互關係 沉積構造系列02——層理 沉積構造系列03——波痕 沉積構造系列04——交錯層理 沉積構造系列05——底痕 這篇文章主要討論的是沉積層在受到擾動時產生的現象以及相關的構造。這些構造可以稱為沉積同時變形構造（Synsedimentary deformation）。另外，因為本篇文的內容有點多，因此添加個目錄好了 [TOC] 土壤液化（Soil liquefaction） 這篇文章有很大一部分是討論脫水與液化相關的構造，那麼好像可以順便談談土壤液化這個現象，其實兩者是類似的。 土壤液化對大眾而言應該不是個陌生的名詞，每次國內外有大地震發生，產生大大小小的土壤液化災害，都會引起各界關注。土壤液化指的是原本（巨觀下）呈現固態的土壤，變成液態行為的現象。可是，土壤好好的為什麼晃一下就液化呢？ 土壤液化一般是發生在富含水分的未固結砂質沉積層中。沉積物顆粒彼此之間互相接觸產生的作用力，即為支持沉積層穩定而不垮塌的力量來源，這稱為「有效應力」（Effective stress）。不過，顆粒之間的空隙如果充滿水，那麼水會產生類似浮力的效果，使得顆粒之間的接觸力變小，有效應力降低，這種因為水而消去的有效應力稱為「孔隙水壓」（Pore water pressure）。 老話一句，數學可以讓複雜的東西變簡單，所以來介紹個公式。 砂質土壤的抗剪強度（τ）——可以想成是沉積層抵抗外力而不變形的能力，可以由以下公式表達： $$τ=C+(σ-μ)tanφ$$ 式中的C是沉積層的凝聚強度。對黏土（泥層）而言，C相當重要，因為黏土顆粒之間的凝聚力是很顯著的，而對砂而言則很微弱。σ是總應力，也就是有效應力+孔隙水壓。μ是孔隙水壓。φ則是內摩擦角，與顆粒本身的性質有關。另外，我們也可以把（σ-μ）寫成σ’，即有效應力，當顆粒之間沒有孔隙水壓的時候，σ’=σ，有效應力等於總應力。因此公式也可以寫成： $$τ=C+σ^{tanφ}$$ 由此式可以得知，在砂質沉積層中，由於C相當小，因此當σ’變得很小的時候，沉積層基本上是沒有抗剪能力的——只要稍稍施點力就會變形。當地震來臨時，沉積物顆粒會被擾動，趨向於更緊密的排列（在一個杯子裡灑一堆沙子，然後把杯子稍微晃一晃，沙子就會變得比較緊密一點），這會造成顆粒之間的空隙變小，孔隙水壓增加，而使σ’變小。這增加的孔隙水壓，稱為「超額孔隙水壓」（Excess pore water pressure）。 超額孔隙水壓會促使水往外流動、排出，使孔隙水壓降低，維持沉積層的強度。但是地震是很突然的現象，地下水排出的速度通常跟不上水壓上升的速度，因此孔隙水壓不斷增加。 當超額孔隙水壓夠大，使有效應力降到很低，或甚至是零（也就是顆粒之間沒有作用力，沉積物完全漂浮在水中），那麼沉積層就變得很脆弱。有多脆弱？整個地層表現的行為幾乎就跟液體一樣，具有流動性，無法承受剪力，且無法維持自身的形狀。而當土壤液化發生時，地表經常伴隨噴砂的現象，這是因為超額孔隙水壓的緣故。在地層中，壓力是隨著深度而增加，而水會往壓力較小的地方流動——也就是往上流。因此，超額孔隙水壓使得地底下的水往上流動並噴出地表，這些水排出後，地層中的孔隙水壓降低，σ’逐漸增加，沉積層才恢復原有的強度。而水在排出時必定會帶有沉積物，所以才稱為噴砂。 其它關於土壤液化的原理、現象與災害防治等等的詳細內容，這裡先不多談，網路上還有很多相關的文章與影片可以參考： 什麼是「土壤液化」？它真的很可怕嗎？——真正可怕的是你我都忽略的事 土壤液化成因 土壤液化-中華民過地質學會 影片：人工製造的局部土壤液化 影片：土壤液化實驗 影片：日本的地表噴砂 脫水與液化相關的沉積構造 花了這麼大篇幅談土壤液化，現在該回到沉積構造的主題了。 在地層的紀錄中，其實常常看到類似土壤液化的現象。不過它們的成因不一定是地震，也可能是快速的沉積作用或其它因素。當沉積物快速堆積時，也可能會造成顆粒排列趨於緊密，孔隙水壓增高，使得沉積層變得「軟軟的」而開始流動、變形。另外，沉積層液化的程度也很不一樣，這端看孔隙水壓增加的程度。程度輕微者，原始的層理還可以辨認，只是會褶皺彎曲；程度嚴重者，層理可能就隨著沉積層的液化而完全消失不見，產生塊狀的岩層。 荷重鑄型（Load casts）與火焰構造（Flame structures） 這是相當常見的沉積構造，出現在不同粒徑沉積物的界面上，且上層的沉積層粒徑較粗，下層粒徑較細，一般是砂層在上而泥層在下，但有時也會出現在礫石層與砂層之間。砂層的比重比泥層還要大，當砂層覆蓋在含水的泥層上，可能是因為快速的沉積作用或是外在的擾動（例如地震），而使下伏的泥層發生液化。於是，砂層便因為自身的重量而往下沉陷，產生一顆一顆的半球形凸起（當然，是往下凸），稱為荷重鑄型；在相鄰荷重鑄型之間，泥層因為液化而上衝（原理和噴砂類似），產生類似火焰狀的上衝形貌，稱為火焰構造。 圖一、荷重鑄型與火焰構造。礫石層覆蓋在砂層上方，使砂層發生部份液化。礫石層下沉至砂層，產生荷重鑄型；砂層液化上衝，產生火焰構造，圖中可以看到三個上衝的火焰構造。黃色虛線標示礫岩與砂岩的界面。筆尖指向地層年輕方向。（八里灣層，石雨傘） 圖二、與圖一的地點相同，也是成群的火焰構造。另外，礫岩層中有清楚的粒級層。黃色虛線標示礫岩與砂岩的界面。筆尖指向地層年輕方向。（八里灣層，石雨傘） 圖三、清晰的荷重鑄型與火焰構造，也是發生在礫岩與砂岩的界面上。（都巒山層，石梯坪） 圖四、荷重鑄型與火焰構造。圖中的火焰構造特別細長。筆尖指向地層年輕方向。（樂水層，佳樂水） 圖五、圖中拍攝的是一個砂岩層的底部層面，砂岩下方的頁岩已經被侵蝕而消失。特別可以注意到，砂岩層下方有許多一球一球的凸起，那就是砂岩底部下陷所產生的荷重鑄型。（大桶山層，萊萊） 砂脈（Sand dykes）與砂火山（Sand volcanoes） 這是比較罕見的現象，成因也是由於砂層的液化。砂脈是砂所組成的岩脈，是含水的砂層受到擾動而液化後，水分攜帶著砂一起往上衝所留下的通道。如果水分和砂一起衝出地表，就會出現一個噴砂口，水和砂從裡面噴出並往四周流動，逐漸堆積出一個外貌類似小型火山的錐狀構造，直徑約數十公分至數公尺，稱為砂火山。因此，砂火山只出現在地層的上部層面，且不容易被保留在岩層中，經常被侵蝕破壞。 圖六、砂脈。圖中的砂脈是屬於八里灣層的砂岩，周圍的岩石則是都巒山層的火山碎屑岩。都巒山層是呂宋島弧的火山噴發物質，在弧陸碰撞的過程中，可能發生了頻繁的地震，因此產生許多崩落岩塊，掉落到堆積在盆地中的八里灣層。崩落岩塊的突然壓迫，使得砂層液化而沿著岩塊中的裂隙上衝，產生砂脈。（臺11線砂脈橋旁） 圖七、砂火山的剖面。可以清楚看到錐狀的山體以及中央的砂脈。水和砂從中間的通道（砂脈）往上衝，來到中央噴口後溢出。（圖片摘自[維基百科](https://en.wikipedia.org/wiki/Sand_boil "維基百科")） 碟狀與柱狀構造（Dish and pillar structures） 這兩種構造經常共生，合稱碟柱構造。碟柱構造的形成背景通常是在快速的沉積作用環境下，造成沉積層的脫水液化。當水分攜帶著沉積物往上移動時，遇到半固結層理的阻礙。因此，沉積物便轉往水平移動，並累積在水平層理中，形成碟狀構造。水分帶著沉積物水平流動時，可能會在一些層理較脆弱的地方繼續往上移動，就會產生柱狀構造。碟狀構造經常呈現水平的直線形，或是略為上凹的U形；柱狀構造則是垂直的管狀。 圖八、碟柱構造。筆尖指向地層年輕方向（樂水層，佳樂水） 圖九、碟柱構造。（未知地層的轉石，楓港） 旋捲構造（Convolute structures/bedding） 旋捲構造是一種外型呈現連續褶皺的構造，且通常為尖銳的背斜與平緩的向斜，其形成機制也是和沉積層的液化有關。旋捲構造一般只出現在地層中的某一層，而不會整個地層都發生，這點和次生褶皺有明顯的區別。 圖十、旋捲構造。呈現尖銳的背斜與平緩的向斜狀。這張照片有垂直翻轉過，因為地層倒轉。（富岡砂岩，小野柳） 圖十一、旋捲構造。（樂水層，佳樂水） 崩移構造（Slumping structures） 崩移構造算是一個總稱，包括許多類型的變形，例如褶皺、斷層等等。和我們一般所指的次生構造不同的地方在於，崩移褶皺或斷層等構造都是在沉積物尚未完全固結成岩石前就已經產生，而在之後經由岩化作用而保存在岩石中。崩移構造的尺度範圍很大，小至數公分，大致數十公尺至百公尺以上。造成崩移構造的機制很多，例如前面所述的地震、火山爆發與快速沉積等外來擾動。另一種常見因素是沉積層自身的重力所驅使，當沉積層堆積在具有坡度的斜面上時，就有可能因為重力而自發性變形，產生褶皺。這經常發生在大陸斜坡的環境上。 圖十二、崩移褶皺。可以看到地上的岩層呈現蜿蜒的褶皺樣貌。（樂水層，佳樂水） 其它變形構造 泥裂（Mudcracks） 泥裂也是相當常見的構造，但大多以現生的為主，在乾涸的水庫與稻田中相當常見。泥裂是發生在潮濕的泥層中，當溼泥層受到曝曬而乾燥，就會開始收縮，產生網狀的裂隙。裂隙在垂直方向上的形狀多以V形為主，內部通常會填充後來堆積的砂層或粉砂層。當地層岩化而成為岩石，泥層受到侵蝕而消失，就可以在砂層底部看到突起的V字形。 圖十三、現生的泥裂。（集集攔河偃下游） 圖十四、保存在岩石中的泥裂。圖中拍攝的是岩層的底部層面，凸出的網狀構造即為填充在裂隙中的沉積物。（圖片摘自[維基百科](https://en.wikipedia.org/wiki/Mudcrack "維基百科")） 雨滴痕（Rain drop impressions） 雨滴痕，顧名思義就是雨滴撞擊地面所產生的痕跡。雨滴痕形成在潮濕的軟泥層上，當雨滴撞擊泥層表面，便會產生一個個的圓形撞擊坑。雨滴痕大多出現在現生河床與泥灘地上，不會單獨出現，而是遍布在一個範圍內。在少數情況下，雨滴痕可以被保留在岩石中。 圖十五、現生的雨滴痕。（秀姑巒溪河床） 繼續閱讀 沉積構造系列07——生痕化石
