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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
3. 測量景觀 – 地質調查導論
地層學的原理
相對年齡
地質時代表
地質圖
地質圖顯示甚麼?
繪畫地質圖的工具
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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測量景觀 – 地質調查導論

簡單來說,地質圖顯示了在一個地區的岩石分佈。然而,為了充分了解地質圖,有必要熟悉幾個基本地質原則,包括地層學的原理、地質時代以及地質構造。對於有經歷的人,地質圖反映了岩石的三維分佈,也可視為該地區地質歷史的指南。

  • 地層學的原理
  • 相對年齡
  • 地質時代表
  • 地質圖
  • 地質圖顯示甚麼?
  • 繪畫地質圖的工具

地層學的原理

沉積物﹝礦物顆粒與碎石﹞在地表受風化而形成,它們受侵蝕過程搬運,並在其他地方沉積下來,形成沉積層。沉積物隨著時間加厚,由於重量及壓力增加,沉積物最終被壓縮及岩化成為沉積岩。

十八世紀科學家家 James Hutton 被譽為現代地質學之父。他經過觀察現代沉積物的堆積速度,推論出今天看見厚厚的沉積岩層,須經過一段漫長時間形成。他更得出結論指類似現今的地質作用,從前必定已經發生。從此結論並引伸成為均變說理論。均變說指所有古老的岩石及地質特徵,均能夠以現今的地質作用解釋。均變說通常被形容為 「現在是開啟過去的鑰匙」 。

研究保留在岩層內的地質記錄稱為地層學﹝圖1﹞。


於美國大峽谷國家公園露出的晚生古代﹝三億一千五百萬至二億八千五百年﹞沉積岩岩層﹝地層﹞﹝相片由美國地質調查局提供﹞。

圖1: 於美國大峽谷國家公園露出的晚生古代﹝三億一千五百萬至二億八千五百年﹞

沉積岩岩層﹝地層﹞﹝相片由美國地質調查局提供﹞。

地層學是基於以下兩個先決原則:

  • 地層層序定律於1699年由 Nicolas Steno 創立。他認識到當沉積物按水平狀態順序形成地層時,最老的地層在下面,而最年輕的地層則在上面,組成地層層序。
  • 化石層序規律是由英國礦產地質學家 William Smith 創立。他觀察後指出,個別的岩層或地層的排列方式,在任何地方皆可預計得到。重要的是,含有相近化石類別﹝化石組合﹞的岩層,會出現在同樣的層位﹝時代﹞,這點使分佈在不同地方的岩層能相互對比,並讓 William Smith 於1815年製作出首張全國的地質圖。

這兩個地層學原理,有助根據岩層的層序推斷岩層的相對年齡。相對年齡是指在岩層序列之中,哪一岩層較其他岩層年長﹝或是較年輕﹞。不過,這並沒有指出岩石的確切年紀﹝即絕對年齡﹞。

相對年齡

參考圖2,根據地層層序定律,砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩、火山灰及礫岩的沉積物按次順序沉積,圖中的砂岩是最老的岩石,而礫岩則是最年輕。

另外兩個可以協助推斷岩石及地質事件的相對年齡的原則是:

  • 相互切割關係原則是指任何地質特徵﹝例如岩牆﹞切過現存的岩石,這地質特徵一定較被切割的岩石年輕。
  • 包含碎塊原則是指任何含有其他岩石碎塊的岩石,一定較該碎塊的岩石年輕。

沉積岩與火成岩的相對年齡關係
圖2. 沉積岩與火成岩的相對年齡關係。

 

表1:圖2所示的地質事件的發生次序
表1:圖2所示的地質事件的發生次序

圖2所示,在花崗岩內發現泥岩的碎塊﹝包含碎石原則﹞,花崗岩一定在泥岩形成之後侵入。再者,岩牆切過砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩、火山灰及花崗岩體內,但並沒有觸及礫岩。此關係確定岩牆侵入的時間在砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩、火山灰及花崗岩形成之後,但在礫岩形成之前。最後,正斷層錯動整個岩石層序,使到右側的岩層向下位移。

因此,從圖2所見,可以就這些地質歷史事件作出摘要如表1。

從層序所見到的岩層不一定代表完整的沉積歷程。有些沉積物或岩層可能受風化侵蝕,部分剝落並被移走,或是長時期沒有沉積作用發生。有些岩層甚至可能遭侵蝕後全部被移走,以致該地區缺失了整個時期的地質記錄。事實上,缺失的地質事件可能較現在倖存於岩層中能找到線索的還要多。

一個地區的地質史是按照岩層層位關係而編定,之後可從岩層中的化石,而斷定不同岩層的相對年齡。儘管沉積環境因在不同的地域而改變,致使化石不一定出現於相同的岩石之中,遠距離分隔的岩層層序可引用化石層序定律來確定相對層位。

 

 

地質時代表

地質圖顯示不同類型的岩石在地面的分佈情況、構造特徵及其相對年齡的關係。

最初的地質圖只有簡單地顯示含有相似化石組合的岩石的地層關係。後來,隨著有更多地方的地質圖完成及知識的增加,地質時代表根據廣泛的岩石及化石種類為基礎發展而成。其後制定了地質時代單位,即是將個別岩石及化石組別歸類至相對的年代。不少的地質時代單位,是按該地層首次在英國被描述的地區而命名﹝例如泥盆紀﹞。

自五億四千二百萬年前至今,稱為顯生元﹝意謂 「展現生命」﹞。在這期間,地球上出現非常豐富、能夠確認而且不斷演化的植物及動物,因此地質時代表中,顯生元出現最多的分組。顯生元時期之地質時代單位的界線,通常以物種廣泛絕跡的化石記錄,以及反映了全球性地質事件的不整合來劃分,如主要的岩漿活動或隕石撞擊等事故,例子包括:在二疊紀及白堊紀末期,有大量岩漿湧出,以及於白堊紀末期的隕石撞擊。

直至二十世紀初,沒有任何科學方法可以推斷岩石的確切﹝絕對﹞年齡。因此,地質時代單位只代表相對年齡。一直以來有多個有關地球年歲的理論面世。以宗教角度估計,地球相當年輕,即使早期的地質學家早已認定沉積岩的龐大厚度,需要很長的時間始能形成。英國物理學家家 Lord Kelvin 於1846年根據岩漿在地球表層冷卻估計所需的時間為基礎,推算出地球的年齡約二至三千萬年。

二十世紀初,岩石中的天然放射性同位素被確認可用作紀錄岩石的年齡。這個發展有助為地質時代單元編排年歲,從而建立地質時代表﹝圖3﹞。由於定年法的技術不斷改良,地質時代表的框架目前仍在改善中。

首個地質時代表於1913年由英國地質學家 Arthur Holmes ﹝1890-1965﹞發表。國際地層學協會定期根據新加入的數據,調整地質時代單位的分界線,並由國際地質科學會確證,最近一次的修正於2008年完成及發表。

絕對年齡

放射性同位素被稱為 「藏於岩石內的時鐘」,可用來確定岩石的絕對﹝或數字﹞年齡,把岩石的絕對年齡計算成一個具體的數字年歲。

簡單而言,同位素元素的存在,是由於某些元素的原子核內擁有不同數目的中子,但具有相同數目的電子和質子。其中有些同位素﹝母同位素﹞不太穩定﹝指具放射性﹞,並經由釋放能量而轉化至另一個較穩定的同位素﹝子同位數﹞。從母同位素轉化至子同位素的衰減速度是固定的,而個別的同位素的衰減速度均獨一無二。

許多礦物皆含有放射性同位素。當礦物形成後,礦物中的母同位素便開始衰減而轉化至子同位素。理論上,礦物的年齡﹝自形成後的時間﹞可從計算礦物中的母及子同位素的比率來判斷。礦物的年歲等同在礦物內產生出的子同位素數量所需的時間。該時間可根據已知的同位素衰減速度來計算。

地球年歲

地球上已知最古老的岩石約有四十二億八千萬年歲。然而由於板塊運動的關係,這些最早的岩石於板塊運動的過程中被循環再生及破壞,以致未能憑此計算出地球可靠的歲數。取而代之,估計地球歲數最準確的方法是利用隕石的放射性定年法。隕石相信是太陽系形成時遺留的物質,在地球找到 最古老的含鐵隕石,所含有的礦物的年齡是四十五億七千萬年,這年齡被視為目前地球年歲的最佳估計。

簡易地質時代表
圖3:簡易地質時代表。

地質圖

地質圖是將各種不同的地質資料,包括岩石及沉積物的分佈、指定地區的岩石種類、其年代關係、以及區內的地質構造特點,透過圖像展示出來。

地質圖通常包括一張地形圖,在此之上利用顏色顯示地層單位﹝岩石及沉積物﹞的分佈;又以特別符號來標示地質結構及其他地質資料。地圖上的顏色、線條及符號代表了大量由地質學家從實地考察搜集得來的資訊。地質圖包括圖例,用以解釋符號的意思。地質圖上的圖例有時亦會顯示地層關係。另外,地質圖一般都包括一個或以上的剖面圖,以幫助使用者理解該區的地質情況﹝圖4﹞。


香港地質調查1:100,000比例香港地質圖。﹝按圖放大﹞

圖4:香港地質調查1:100,000比例香港地質圖。﹝按圖放大﹞

 

地質圖的用途廣泛,包括土地規劃用途、評估天然災害、探測礦物資源、評估水源及工程項目等等。

地質圖簡明、扼要地解釋區內的地質歷史。但須注意地質圖僅表達了地質學家於製圖時,對所得的地質資料的詮釋。地圖勘察的範圍及搜集數據的時間,對地質圖的準確度有很大影響。隨著更多的實地考察及來自探孔及挖掘的數據增加,地質圖可進一步得以修訂及改進。

岩群、岩組、岩套

地層單位是指分立並可明確劃定的地層或岩體。具有獨特岩性、物質及化學特徵的地層單位,以岩組顯示於地質圖上。兩個或以上地理相近及具有類似特質的岩組,被分配為同一岩群,亦即岩組以上的一個級別。

較大而獨立的侵入岩在地質圖上顯示為深成岩體或花崗岩岩體,並按其出現的地區而定名。這些花崗岩岩體的地位等同於與岩組。多個化學及礦物特徵有密切關係的花崗岩岩體,則會組合為岩套

香港的火山岩岩組通常被編排至一個岩群,以表示特定的岩漿活動時期﹝即火山活躍期﹞。岩套相等於火山岩岩群,兩者皆代表特定的岩漿活動時期。未經固結的表土沉積物是最年輕的地層單位,覆蓋了大部分堅固的基岩。香港的表土沉積物包括陸上的沖積物﹝河流沉積﹞及坡積物﹝山坡沉積﹞, 海泥、海沙以及更新世的離岸沖積。

地質圖顯示甚麼?

顏色範圍

在地質圖上,每個地層單位﹝非指每類岩石﹞都會被分配一個專用顏色,顏色的選擇通常視乎地層單位的年齡而定。國際上有數個認可的顏色標準系統,給特定的地層單位及地質時期。然而某程度上,為了配合地圖的獨特用途,差不多所有的地質圖上採用的顏色都跟標準的系統有所不同。

除個別專用顏色外,文字符號亦經常被用來識別特定地方的地層單位。首個字母為大楷,通常代表地質年代,例如:J 是指侏羅紀﹝二億至一億四千五百萬年前﹞,P 則表示二疊紀﹝二億九千九百萬至二億五千一百萬年前﹞,及 D 代表泥盆紀﹝四億一千六百萬至三億五千九百萬年前﹞,隨後的字母﹝小楷﹞則代表其岩組的名字或主要的岩石種類。

地質線

觀察不同岩石單位的接觸方式是閱讀地質圖的重要元素,而三種主要的地質接觸類型為:侵入接觸、沉積接觸及斷層接觸。在地質圖上,侵入及沉積接觸一般以幼線表達,至於斷層接觸則以粗線顯示。

顯示在地質圖上的斷層並非都是活躍斷層﹝即與地震有關﹞。長時間不再活躍的斷層的紀錄,仍可能保留於岩石中。因此,地質圖上的斷層線只代表保留在岩石內的斷層位置。

在地質圖上,地質邊界可以是實線或虛線,這反映其在地圖上的確定性及準確程度。通常植被、土壤或市區建設會遮藏了地質接觸邊界。如果地質邊界可觀察得到,於地質圖上便會以實線顯示。但如地質邊界不確定或僅憑推斷,該地質線便會以虛線表達。一般而言,虛線越短,則表示該界線的位置越不確定。

地質圖上的線條可以用符號來補充說明,如有:填色三角形、小剔號、箭號等。這些符號為地質線提供補充資料,例如斷層﹝粗線﹞加上三角形表示該斷層屬於逆斷層,而斷層線附有三角形的一方﹝即是斷層上盤﹞,被推覆至線的另一方﹝即是斷層下盤﹞。這些地質線和其他的線上符號皆於圖例中闡釋。

 

地質符號

地質面﹝如岩層、節理、斷層或紋理等﹞的三維方向,以走向及傾角符號表達﹝圖5﹞。當地質學家覓得合適岩石露頭﹝並非鬆散的巨礫﹞,便會使用地質羅盤及傾斜儀來量度這些構造的方向,以走向及傾角記錄下來﹝圖6﹞。每個在地質圖的走向及傾角符號,一般採用經多次量度所得的平均數值。

  • 走向:走向是指傾斜的地質面與虛擬的水平面相交而成的線所延伸的方向﹝圖6﹞。好像將一塊玻璃放入一碗水內,由於水面處於水平,玻璃上的水位線是水平線,即走向線,而水位線所延伸的方向便是走向。
  • 傾角:傾角一般是指傾斜角度,即地質面與水平之間的角度,指地質面於傾斜方向的傾斜度。傾斜方向與走向成垂直方向。水平的平面的傾角為0°,垂直的平面的傾角則為90°。

圖例

圖例是地質圖的重要部分,用以解釋在地質圖上的顏色、線條及符號的意義。要充分了解地質圖,圖例是不可或缺的。圖例將每個地層單位的顏色及字母代號,並按年齡排列,在最上先列出最年輕,或新近形成的地層單位﹝例如人為堆積物﹞,而最古老的則放在最下。另外,圖例亦同時列出岩石或沉積物的名稱、簡介及年齡。圖例亦用作解釋採用的地質線、走向及傾角等地質符號,亦可能包括礦產、化石位置以及區內其他的重要特徵的符號。

地質線的例子
圖5:地質線的例子。

 

傾斜沉積岩岩層的走向及傾角
圖6:傾斜沉積岩岩層的走向及傾角。

繪畫地質圖的工具

傳統上,地質圖是根據地質學家在調查範圍內盡量行經的地方,記錄所見的岩石 ﹝露頭﹞、岩石種類﹝岩性學﹞、地質構造、風化程度,以及其他有用的特徵。全部觀察所得的資料均記錄在地形圖上,並且利用磁極羅盤傾斜儀等作測量。航空照片亦協助地質學家在野外認出目標地質特徵。

  • 地形圖利用等高線顯示區內的地形,包括河流、湖泊、水塘、道路、建築物、步行徑等。地形圖以不同的比例繪畫,香港最常用的地圖比例有:1:50,000、1:20,000、1:10,000、1:5,000及 1:1,000。例如 1:10,000比例的地圖指地圖上每一厘米代表實地的10,000厘米﹝即100米﹞。選用的比例視乎勘察目的,即地圖上所需記錄的地質資料的多寡而定。
  • 航空照片﹝圖7﹞是從飛機於空中離地面固定的高度拍攝。一對相鄰的航空照片,若有60%的重疊範圍,則可用於塑造地形的三維視象,對偵察性勘察甚有用處。如能掌握拍攝航空照片的飛行高度及鏡頭焦點距離的資料,即可確定航空照片的比例。香港備有少量攝於1924至1963年間,有限地區的航空照片。自1963年開始,每年均有系統地於全港進行黑白航空照片的拍攝。於1985年起,每年進行兩次黑白照片拍攝工作,而到了1993年則定期每年拍攝兩次彩色照片。
  • 磁極羅盤﹝圖8﹞是用來判斷北磁極方向的工具。它的原理是基於地球深處的地核形成有如一個巨型磁石,兩端代表﹝正負兩極﹞地理上的南北兩極附近的位置。磁極羅盤具有一支可自由360°旋轉的磁針,讓觀察者能確定其位置與北極間的方位。然而,磁極與地埋上的南北兩極出現最多1,167公里的偏差,而這偏差按年轉變。在香港,北磁極與地理上的北極均指向同一方位。然而在世界別的地方,出現的差異,可能須從羅盤讀數作出約30°的加減調整。
  • 傾斜儀﹝圖9﹞是用來量度地面的傾斜度,例如岩層的傾角。它採用水平尺﹝將液體注入密封玻璃管內﹞或鐘擺分別來判定水平或垂直的傾斜度。傾斜儀上刻有半圓形度數表,指示平面的傾角。

航空照片
圖7:航空照片。

 

磁極羅盤
圖8:磁極羅盤。

 


傾斜儀圖9:傾斜儀。