車籠埔斷層斷層岩之變形作用與黏土礦物分析

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廖卿妃(Ching-Fei Liao) 查詢紙本館藏

畢業系所

應用地質研究所

論文名稱

車籠埔斷層斷層岩之變形作用與黏土礦物分析
(Analysis of fault rock deformation and clay mineralsfrom cores of Chelungpu fault zone)

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摘要(中)

論文內容提要：
1999年9月21日凌晨，台灣中部發生規模7.3級之世界級災害性地震，造成地表長達80公里的破裂。集集地震雖然造成無數的傷亡損失，卻也提供了我們瞭解斷層行為與性質的珍貴機會。
本研究分為兩個主要目的：一是觀察車籠埔斷層之斷層破裂帶，以瞭解這次地震斷層活動對地表淺部岩層所造成的破裂構造特性與斷層泥的性質；另一是比較斷層泥與圍岩之黏土礦物成份，討論在這次斷層活動的過程中，斷層泥中之黏土礦物是否受到應變作用影響而產生化學變化。
李錫堤（2000）沿車籠埔斷層地表破裂帶進行HQ連續取樣鑽探工作，其中鑽孔編號BH-2位於東陽橋附近，總鑽井深度為110公尺，並於深度50.5公尺處發現一寬約2～3公分的黑色斷層泥，依據地表破裂傾角及裂隙密度分析，判斷此處斷層泥為921地震車籠埔斷層滑動帶，斷層面傾角約50度至60度之間。2001年3月「車籠埔斷層深部鑽心及孔內試驗計畫」由日本出資，聯合台灣、美國及日本專家學者進行研究。鑽孔位置選在台中縣豐原市東陽里（鑽孔編號BH-1、BH-1A）及南投縣千秋里之千秋國小（鑽孔編號CLF-2），其中BH-1與BH-1A即為本研究岩心採樣之對象。
本研究之研究方法為：(1) 將BH-2、BH-1及BH-1A所有岩心拍照紀錄，以便日後進行細部構造描繪。(2) 觀察岩心之斷層岩變形組構，進一步將斷層角礫岩依破裂程度分類並描述，以瞭解地層受到斷層作用的破壞程度，並依此找出斷層滑移帶的可能位置。(3) 製作岩石薄片，以觀察斷層破裂帶的微構造及斷層泥之微組構。(4) 進行X- ray 繞射分析，以瞭解斷層帶與圍岩之礦物種類及黏土礦物含量差異。(5) 測量伊利石結晶度，以瞭解黏土礦物是否受到斷層作用影響而產生變質作用。(6) X光螢光分析（全岩分析），以瞭解斷層泥與圍岩中各元素之氧化物所含重量百分比。
研究成果：(1) 車籠埔斷層之斷層破裂帶大致沿著岩性軟弱的岩層或是岩性較不均質的軟弱岩互層發育，加上地下水的潤滑作用，因此容易產生滑動量大、破裂範圍大且構造複雜的斷層破裂帶。(2) 深度214～225公尺的斷層破裂帶之剪切應變作用集中在一狹窄滑動帶中，斷層滑動帶有強烈的半塑性剪切變形特徵（S-C組構之葉理狀構造）顯示，斷層核心應變程度較高，而斷層破裂帶範圍較小的現象。(3) 深度283～330公尺的斷層破裂帶寬度較大，斷層泥僅有顆粒磨細的作用並無葉理狀構造出現，顯示斷層核心應變程度較低，而斷層破裂帶範圍較大的現象。(4) 斷層泥組構已顯示黏土礦物與細礫石英會受到強烈剪應力作用影響而反應出定向的葉理狀構造。(5) 蒙脫石受到斷層作用產生的溫度影響而轉變為蒙脫石/伊利石混層礦物或伊利石。根據斷層帶溫度估計，過程中所排出的水很可能迅速氣化而逸散入孔隙中。(6) 斷層泥之最小顆粒可達到10～25nm，而一般頁岩（圍岩）之顆粒均在一百～數百nm以上，足見岩體本身的最小顆粒亦會受到斷層應變作用影響而減小體積為原來的千分之一大小。(7) 所有斷層泥的化學成分都十分相近，而圍岩則隨著礦物組成而異。

摘要(英)

Abstract
Surface rupture of the Chelungpu thrust fault during the September 21, 1999, Chi-Chi earthquake extended 80-km long. Core analysis from a 450m-long inclined hole drilled through the fault zone at northern end of the Chelungpu fault is the main research in this study. Studies of deformation structure of fault rocks and microstructures of fault gouge from cores help to characterize shear localization and deformational behavior of fault zone. In addition, clay mineral analysis is performed to understand the relationship between clay composition and strain within slip zones.
We have identified two fault zones on which slip occurred during Chi-Chi earthquake: 1) depth 214~225m, few fractures in the core and fault gouge(223.45m) with S-C fabric show that no obvious damage zone is grown in the small fault zone and shear strain concentrates a narrow slip zone; 2) depth 283~330m, many large fractures filled with rich mud and fragments in the wide fault zone, but fault gouge(329.65m) with random texture show that damage zone and fault core are grown completely.
Results from X-ray diffraction analysis show that smectite and siderite coexist in host rock but not in the fault gouge. Smectite dehydration and transition to mixed-layered illite-smectite are caused by elevated temperature owing to fault slip during Chi-Chi earthquake. Temperature within slip zone can be constrained by the decompose temperature between siderite and calcite.

關鍵字(中)

★ 車籠埔斷層
★ 變形作用
★ 黏土礦物
★ 斷層泥
★ 斷層岩
★ 斷層滑動帶
★ X光繞射分析

關鍵字(英)

★ X-ray
★ Clay minerals
★ fault rock
★ Chelungpu fault
★ slip zone
★ fault gouge
★ deformation

論文目次

目錄
論文提要………………………………………………………………….Ⅰ
目錄……………………………………………………………………….Ⅲ
圖目…………………………………………………………………….…Ⅵ
表目………………………………………………………………….……Ⅶ
第一章緒論
1.1 研究動機與目的…………………………………….……….……1
1.2 前人研究…………………………………………….…….………1
1.2.1 脆性變形與斷層岩的分類.……………………………….…1
1.2.2 斷層角礫岩與斷層泥的定義及一般微組構……..…………2
1.3 台灣之斷層泥研究…………………….……………….…………7
第二章區域地質
2.1 台中地區地質概況………………...…………….………………10
2.1.1 地形………………………………………………………...10
2.1.2 地層…………………………..…………………………….10
2.2 車籠埔斷層…………………………….…………………….…..14
2.2.1 區域地形與地質構造特徵.…………….………………….15
2.2.2 台中地區地表變形構造……………….……………….….16
2.2.3 斷層破裂模式……………………………….……………..16
第三章研究方法
3.1 野外工作…………………………………………………………18
3.1.1 地表地質調查…………………………………………...…18
3.1.2 BH-2之岩心取樣……………….………….………………20
3.1.3 BH-1與BH-1A之岩心取樣………………………….……20
3.2 岩心觀察與記錄………………………………………...…….…23
3.2.1 岩心攝影……………………………………………………23
3.2.2 斷層岩之破裂構造分類與描述……………………………23
3.3 斷層岩薄片製作…………………………………………………24
3.3.1 斷層岩之採樣……………………………………...………24
3.3.2 斷層岩薄片製作方法………………………………………26
3.3.3 薄片標本取樣位置與編號…………………………………26
3.4 黏土礦物之X- ray 繞射分析……………………..….…..….…29
3.4.1 X – ray 試片製作………………………………………….29
3.4.2 主要黏土礦物及其X- ray繞射峰特徵……………………31
3.4 -3 黏土礦物之半定量分析……………………………..……33
3.4.4 伊利石結晶度測量……………………………..….………34
3.5 XRF-全岩分析………………………………………….……..…34
第四章觀察與分析之結果
4.1 斷層破碎帶……………………………………………...………36
4.1.1 BH-2…………………………………………………..……36
4.1.2 BH-1與BH-1A………..…………………………….…..…37
4.1.3 斷層泥的特性…..………………….…...………………….40
4.2 斷層破裂帶之薄片觀察…………..…………………………….56
4.2.1 圍岩性質…………..…………………………..………..….56
4.2.2 斷層泥之薄片觀察.……………………………….……….56
4.3 黏土礦物之X- ray 分析結果…………………..………………83
4.3.1 黏土礦物半定量繞射分析…………………………………83
4.3.2 伊利石結晶度分析結果……………..…………………….87
4.3.3 XRF全岩分析結果……………..………………………….87
第五章討論
5.1 車籠埔斷層之斷層岩破裂特性……………………………..…92
5.1.1 斷層破裂帶之岩性……………………….………..………92
5.1.2 斷層破裂帶之性質…………….…………….……….……93
5.1.3 斷層泥之顆粒粒徑…………….…………….……….……96
5.2 斷層泥之黏土礦物………………………………………..….…99
5.2.1. 蒙脫石與伊利石…………………………………….………99
5.2.2 伊利石的結晶度……………………………………….....103
5.3 XRF全岩分析…………….………………………………..…103
第六章結論……………………………………..……………………106
參考文獻……………………………………………….…………….…108
附錄一深井BH-1及BH-1A之井錄……………….…………….…113
附錄二 X-ray定向繞射分析之結果………….…………….………..119
附錄三主要黏土礦物之晶格構造與化學式……….…………….…129
英文摘要………………………………………………………………..132
圖目
圖一：Skempton (1966) 剪切帶構造元素幾何關係圖…………….…6
圖二：富含黏土礦物之斷層泥中常見的構造表徵……………………6
圖三：台中地區地質圖…………………………………………………15
圖四：車籠埔斷層大甲溪至頭汴溪一帶的構造剖面示意圖.……...…17
圖五：鑽井位置地形圖及921地表破裂位置..………………………19
圖六：烏牛欄溪東陽里段之地質與井位附近詳細的地層位態………21
圖七：BH-2井位及車籠埔斷層地表破裂（A）及橫斷地形與地質剖面圖（B）…….……………………………………………..……..22
圖八：岩心攝影範例圖……………………………………….………...23
圖九：伊利石/蒙脫石混層礦物之含量與結晶度指標……….………..33
圖十：伊利石結晶度指示A.I.值………………………………..………35
圖十一：岩心切割方向示意圖…………………..…………...……….…36
圖十二：BH-2 黏土礦物之含量變化…………..……………………….85
圖十三：頁岩之黏土礦物含量深度變化及伊利石結晶度之A.I.值.…..87
圖十四：斷層泥（G）與圍岩（H）之黏土礦物含量百分比………….88
圖十五：頁岩illite之A.I.值隨深度變化……………………………..…..90
圖十六：斷層帶的主要組構型式…………………………………….….92
圖十七：BH-1及BH-1A之裂隙統計圖………………………….…….92
圖十八：井位地下位態示意圖…………………………….………...….97
圖十九：斷層泥之原子粒顯微鏡分析圖…….………………………….98
圖二十：斷層帶之方解石及菱鐵礦相對石英之含量變化圖….…..…102
圖二十一：斷層泥與圍岩之全岩化學成分分析….……………......…105
表目
表一：Higgin（1971）壓碎岩分類………………….……….……..3
表二：Sibson (1977) 斷層岩分類………………………..…………4
表三：國內斷層泥相關研究………………………………….………8
表四：台中地區東勢至豐原之地層層序………………………….…..17
表五：野外調查使用之底圖…………………………………….…..18
表六：豐原市附近鑽井編號、位置與深度……………………….…23
表七：斷層岩破裂程度之描述分類…………………………….…..25
表八：BH-1及BH1A之薄片標本採樣位置與編號………..…….…28
表九：黏土礦物 X-ray 試驗編號…………………………………..30
表十：主要黏土礦物之主要基面間距….……………………….….31
表十一：XRD定向試片之處理方法與目的….………………….……33
表十二：黏土礦物半定量分析結果……………………………………84
表十三：伊利石之A.I.值分析結果……………..……………….….…89
表十四：XRF全岩分析結果……………..…………………….…...…91

參考文獻

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指導教授

洪日豪(Jih-Hao Hung)

審核日期

2003-7-12

推文