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1. 礦物與岩石 – 地質的基礎材枓
2. 板塊運動 – 強大的力量
地球結構
板塊邊緣類
岩漿活動
在不同板塊構造環境下形成的火山
地震
3. 測量景觀 – 地質調查導論
4. 風化與侵蝕 – 地貌過程導論
5. 香港地質研究史
6. 香港的地質歷史和岩石
7. 地質構造
8. 經濟地質學 – 香港的礦產與礦業
9. 香港地形與人為影響
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板塊運動 – 強大的力量

板塊構造是推動地質過程的基本機制。板塊構造理論的基礎包含對地球內部結構的了解,以及對不同類型的板塊、板塊邊界、其驅動力的認識。地震和火山的發生、不同岩石的分佈情況、岩石循環,以及造山運動、大陸裂谷和海底擴張等地質活動,皆能夠以板塊構造理論簡要地解釋。

  • 地球結構
  • 板塊邊緣類
  • 岩漿活動
  • 在不同板塊構造環境下形成的火山
  • 地震

地球結構

地球呈不規則球形,半徑長6,356至6,378公里。地球按化學成份分層,由地球表面至中心,密度漸增,越深密度越高。地球主要分為三層:地核﹝由內核及外核構成﹞、地幔地殼。每層均具獨特的化學成份,而且密度各異 ﹝圖1﹞。


地球的基本構造

圖1:地球的基本構造。

根據科學家推斷,高密度的地核主要由鐵和鎳兩種重金屬元素組成。地核外層為液態鐵,地球磁場由此而成。

地核受地幔所包圍,地幔密度較低,深達2,900公里,富帶有鐵和鎂的矽酸鹽礦物。

地球最外層稱為地殼,分為海洋地殼大陸地殼。一般而言,大陸地殼含矽元素較多,密度則比海洋地殼低。

  • 海洋地殼 ﹝厚約10公里﹞由富鐵、鎂、鈣,和鋁的矽酸鹽礦物組成,通常形成深色、沉重的岩石,稱為玄武岩。
  • 大陸地殼 ﹝厚約20-60公里﹞由富鉀、鈉和鋁的矽酸鹽礦物組成,形成多種岩石,如花崗岩等。

地球的動態表面

地球的地殼最外層和上地幔層可再分為岩石圈軟流圈﹝圖2﹞。岩石圈板塊在流動的軟流圈上緩慢移動,稱為板塊運動,令地球表面維持在活躍多變的狀態中。


地殼及上地幔層的基本構造

圖2:地殼及上地幔層的基本構造。
  • 岩石圈非常堅固,深度由約100公里延伸至150公里,包含地殼和部份上地幔層。在地球表面,岩石圈由七塊巨大的板塊及若干較小的板塊組成。板塊邊緣形狀不一,在軟流圈上方移動。
  • 軟流圈結構較弱,深度由約150公里延伸至400公里,岩石圈在上方移動。在軟流圈產生的岩漿形成海洋地殼。地核的熱力在地幔產生環流現象﹝熱對流﹞,帶動上面的板塊移動。

板塊運動的動力

板塊運動是由地球內部的熱力產生,它包括地球在最初形成時所產生的餘溫,以及岩石中礦物輻射衰變時產生的熱量。

熱力像熱流般由地球下地幔向上升,當到達上地幔層時受冷,熱流向外擴散,再向下降回下地幔﹝圖3﹞。這過程稱為地幔對流,它會帶動板塊移動。

雖然地球的熱力帶動地幔對流及板塊活動,但構成地幔的岩石是非常堅固而呈半塑性狀態,因此可轉移物質。


地幔對流作為板塊運動的動力

圖3:地幔對流作為板塊運動的動力。

 

 

板塊邊緣類型

板塊邊緣分為三大類型:聚合張裂錯動型板塊邊緣

 

張裂型板塊邊緣的基本結構
圖4a:張裂型板塊邊緣的基本結構

 

張裂型板塊邊緣﹝圖4a﹞:張裂型板塊邊緣就是當岩漿由地幔不斷向上湧,兩塊板塊向兩旁拉張的邊緣。張裂型板塊邊緣的火山活動會形成新的岩石,稱擴張性山脊

 

聚合型板塊邊緣的基本結構
圖4b:聚合型板塊邊緣的基本結構

 

聚合型板塊邊緣﹝圖4b﹞:聚合型板塊邊緣就是兩塊板塊互相擠壓的邊界,而引至其中一塊板塊推覆到另一板塊之上。下伏的板塊會被推回地幔,並於俯衝區被摧毀。地震和火山活動正是在兩塊板塊互相擠壓的過程中,於上覆板塊發生的。

 

錯動型板塊邊緣的基本結構
圖4c:錯動型板塊邊緣的基本結構

 

錯動型板塊邊緣﹝圖4c﹞:錯動型板塊邊緣就是兩塊板塊擦過的邊緣。當兩塊板塊從旁擦過時,地震便會在板塊邊緣發生。岩石圈受影響較輕微,不會如聚合型板塊邊緣般形成新的岩石,或如張裂型板塊邊緣般摧毀岩石。

 

 

板塊運動和地球表面活動

板塊運動令地球表面維持活躍多變,因而帶動下列其他活動:

  • 岩漿活動:岩漿把新元素及物質由地幔送至地殼,是岩石循環的首階段。岩漿由裂縫上湧至地球表面後冷卻成岩石,從而在岩石循環中引入新元素及礦物質。這些岩石會被摧毀﹝風化﹞、搬運﹝侵蝕﹞、沉澱﹝沉積),經埋藏後形成新岩石﹝岩化﹞,再迴湧升起,然後風化、被侵蝕及沉積,繼續循環不息。
  • 深成作用:大部份岩漿都不能湧到地球表面,這些岩漿在地殼內冷凝結晶,形成深成岩。
  • 火山作用:於特定的板塊邊緣,岩漿及氣體從地殼噴溢到地面,形成火山。猛烈的爆發會產生火山灰,而流出的岩漿則形成熔岩。
  • 地震:由於板塊活動而引起岩石沿斷層的突然錯動,又或是岩漿從地球表面冒出,都會導致強烈的地震﹝圖5﹞。
  • 褶曲斷層:板塊活動導致地殼彎曲及斷裂,因而形成岩石褶皺及斷層。
  • 造山運動:沿聚合型板塊邊緣的岩石受到長期的擠皺,形成山脈及火山﹝圖6﹞。
  • 海洋盆地和裂谷的形成:在聚合型板塊邊緣旁的火山帶後,板塊拉張引力會增加,而發展成弧後裂谷帶。新的擴張中心點可能因此形成,造成新海洋地殼﹝圖7﹞。於連綿的大陸地殼地帶,地幔上升導致地殼變薄並發展為裂谷﹝圖7﹞。肯雅的非洲大裂谷便是這類大陸解體的例子。

 

沿著地底深處的斷層發生錯動而形成地震波
圖5:沿著地底深處的斷層發生錯動而形成地震波。

 

火山山脈沿聚合型板塊邊緣形成
圖6:火山山脈沿聚合型板塊邊緣形成。

 

弧型裂谷帶在聚合型板塊邊緣旁的火山帶後發展而成

圖7:弧型裂谷帶在聚合型板塊邊緣旁的火山帶後發展而成。

岩漿活動

岩漿來自地球深處的上地幔或下地殼,由局部熔融產生,其成份包括高溫混合的矽酸鹽物質(岩漿)、水和溶解氣體。岩漿內還可能包含岩漿於冷卻時凝結的晶體及岩漿湧上地球表面時夾雜的岩石碎片。

岩漿活動是指岩漿湧上地殼的過程,可能導致以下情形出現:

  • 岩漿因冷卻及結晶較緩慢而形成侵入性火成岩﹝深成岩﹞,或
  • 當火山爆發,岩漿以熔岩及火山灰的形態湧上地球表面,熔岩及火山灰快速冷卻而形成噴出性火成岩﹝火山岩﹞。

當堅固的地幔物質上湧至接近地球表面的張裂型板塊邊緣時,地幔的壓力會逐漸減低,地幔物質的熔點亦隨之下降,所以當堅固的地幔上升至某程度時,便會開始局部熔融而形成岩漿﹝圖8﹞。浮力會使岩漿向地面上升至遠離熔融區,遺留下未熔化的固態地幔物質。這種由於地幔上升及壓力下降而引起的局部熔融過程,稱為減壓熔融。

板塊構造環境
圖8:板塊構造環境。

熱點是地幔內活躍對流系統的位置,在熱點內發現的岩漿同樣是由減壓熔融形成﹝圖8﹞。這裏的固體地幔物質溫度較高及密度較低,並像熱柱般向地殼上升。

在聚合型板塊邊緣,當俯衝板塊被擠壓下沉時,板塊的溫度會上升,同時釋放出水合液體,這些液體令上覆板塊的地幔物質的熔點下降,使地幔局部熔融成岩漿﹝圖8﹞。當岩漿湧上地殼時便會形成島弧及大陸邊緣弧式火山。例如:沿太平洋盆地聚合型板塊邊緣的一系列火山便被稱為「環太平洋火圈」﹝圖9﹞。

活躍火山、板塊運動及「環太平洋火圈」
圖9:活躍火山、板塊運動及「環太平洋火圈」。

在不同板塊構造環境下形成的火山

一般來說,火山爆發時噴出的岩漿由三種主要成份組成,包括晶體、岩漿和溶解氣體﹝主要為水蒸氣﹞。不同類型的火山在不同的板塊構造環境下,會產生不同的爆炸力,爆炸強度視乎所噴出的岩漿成份而定,尤其是其中溶解氣體的含量。當火山岩漿噴出至地表時,溶解於岩漿中的氣體將以氣泡釋放。

目前,世界各地可發現一系列不同成分的岩漿,包括含豐富鎂和鐵的鋁矽酸鹽礦物﹝玄武岩﹞,以至含豐富鈉、鉀、鈣和鋁的矽酸鹽礦物﹝流紋岩﹞和介乎兩者之間的岩漿﹝例如安山岩﹞。

由於玄武岩質的岩漿溫度較高,流動性相對亦較高,岩漿中的氣泡得以釋放,因此噴發出岩漿時多數沒有爆炸力。相反,流紋岩質的岩漿溫度相對較低及較黏稠,岩漿內的氣泡較難釋出,當火山爆發時,釋出氣泡產生的爆炸力強烈至可以粉碎岩漿。因此流紋岩火山的爆炸力較玄武岩火山猛烈,並產生較多的火山灰。層狀火山爆發時產生的熔岩及火山灰比例大致相等,環太平洋的火山便是其中例子﹝圖10﹞

在各種板塊構造環境中常見的三種火山是盾狀火山層狀火山破火山口火山

盾狀火山

大部份在內板塊或大洋中脊擴張中心爆發的玄武岩質火山,其山坡坡幅較小,形成狀似盾牌的盾狀火山。玄武岩火山爆發時,熔岩通常如噴泉般由火山通道噴出,大量低黏稠度的岩漿會以熔岩流的狀態瀉出。夏威夷火山群便是著名的例子﹝圖11﹞。

層狀火山

層狀火山與大陸邊緣弧島弧結構有關,成分主要是安山岩質或流紋岩質。這些火山群形成層狀火山(混合火山),其爆炸力較夏威夷式火山更強。層狀火山特徵是其呈斜錐的 外形,由火山灰及熔岩交疊形成﹝圖12﹞。

層狀火山的噴發力多變,由最弱的史沖包連式至極具爆炸性的普林尼式噴發類型都有,視乎岩漿內可溶解的氣體含量而定,岩漿中溶解氣體含量越多,火山之爆炸力就越強,所形成的火山灰亦越多。

美國聖海倫火山﹝相片由美國地質調查局喀斯開火山觀察站提供﹞
圖10:美國聖海倫火山

﹝相片由美國地質調查局喀斯開火山觀察站提供﹞。

 

夏威夷津勞維亞火山﹝相片由美國地質調查局喀斯開火山觀察站提供﹞
圖11:夏威夷津勞維亞火山。

﹝相片由美國地質調查局喀斯開火山觀察站提供﹞。


層狀火山基本結構及火山災害

圖12:層狀火山基本結構及火山災害。

破火山口火山

在聚合型板塊邊緣環境,流紋岩質火山可能形成破火山口火山。破火山口火山的形成是由於火山頂部因強烈爆發而崩塌,並陷落於下面的岩漿庫﹝圖13﹞所致。

香港發現的火山岩大部份為流紋岩質,主要成份是火山灰,它們大都由破火山口火山爆發時噴出的火山灰形成。破火山口火山的灰雲體積通常很大,會因地心吸力而塌下來,火山灰像火熱的液體般在地面流動。


破火山口火山之形成

圖13:破火山口火山之形成 ﹣
﹝A﹞強烈爆發掏空了部份火山之下的岩漿庫;
﹝B﹞火山的頂部崩塌,並陷落於掏空的岩漿庫中,形成破火山口。

火山災害

火山爆發帶來的災害主要分為直接引起的主要災害及間接引起的次要災害﹝圖12﹞。

主要災害包括:熔岩流、火山碎屑流、灰降及氣體噴發。

次要災害包括:火山泥流、水災、火災及海嘯。

 

地震

地震與所有種類的板塊邊緣有關。當兩塊相鄰板塊相對地移動,它們之間的壓力不停積聚。當接觸點的應力超出維繫這兩塊板塊的摩擦力時,積聚的能量便會突然釋放,導致地震﹝圖14﹞。


沿著地底深處的斷層發生錯動而形成地震波

圖14:沿著地底深處的斷層發生錯動而形成地震波。

錯動型板塊邊緣如加州的聖安德里亞斯斷層,兩塊相鄰板塊的橫向移動可能導致突發的錯動,使地殼裂開,在岩石中的斷裂稱為斷層。

張裂型聚合型板塊邊緣發生的板塊活動,可於地面以下的任何深度發生。不過,若地震在俯衝帶發生,則可能與伸延至地面的斷層有關。這些錯動或會帶來突發性劇烈的垂直地殼活動,並引起海嘯。二零零四年十二月的印度洋地震就屬於這類地震。