Rocks and weathering

🌍 核心自然地理：岩石與風化研習筆記

歡迎來到岩石與風化的迷人世界！本章是理解地球表面如何經過數百萬年的塑造，以及我們每天看到的景觀如何不斷演變的基礎。

別擔心這些過程聽起來很複雜——我們會將其拆解為簡單的步驟。學完本章後，你將能理解從大陸漂移，到為什麼你家附近的雕像會看起來磨損殘破的所有原因！

快速重溫：關鍵術語定義

• 風化 (Weathering)： 岩石在原地 (in situ) 通過物理、化學或生物過程發生崩解。它不涉及物質的移動。
• 侵蝕 (Erosion)： 通過風、水或冰等媒介，將風化後的物質移除並進行搬運。
• 塊體運動 (Mass Movement)： 在重力直接影響下，物質整體向坡下移動。

1. 板塊構造論：地球的移動基礎 (課程大綱 3.1)

在岩石風化之前，它們需要先形成、隆起並暴露出來。這一切都始於板塊構造論 (Plate Tectonics)——這是一個理論，認為地球的外層（岩石圈）分裂成巨大的塊狀物，稱為板塊。這些板塊漂浮在半熔融的地幔（軟流圈）之上，並緩慢移動。

板塊的本質與全球格局

• 板塊的移動是由地幔內的對流 (Convection currents) 驅動，動力來源則是地核的熱能。
• 板塊可分為海洋板塊（密度較高、較薄，由玄武岩組成）或大陸板塊（密度較低、較厚，由花崗岩組成）。

板塊邊界的類型

板塊的移動意味著它們會在邊界處產生交互作用。主要有三種類型，每一種都與特定的過程和地貌相關聯。

1. 發散型（建設性）邊界 (Divergent/Constructive Boundary)：
   

   板塊分離。岩漿上升填補空隙，形成新的地殼。
   例子：大西洋中洋脊。

   過程與地貌：海底擴張 (Sea floor spreading)、火山活動以及海嶺 (Ocean ridges)（海底山脈）的形成。

2. 聚合型（破壞性）邊界 (Convergent/Destructive Boundary)：
   

   板塊向對方移動，導致地殼被破壞。

   • 海洋-大陸板塊：密度較高的海洋板塊被迫插入大陸板塊之下（隱沒作用，Subduction）。形成深邃的海溝 (Ocean trenches) 和（大陸板塊上的）火山島弧 (Volcanic island arcs)。
   • 大陸-大陸板塊：兩者皆不易隱沒；它們相互碰撞並彎曲，造就巨大的山脈。形成褶曲山脈 (Fold mountain building)（例如：喜馬拉雅山脈）。
3. 轉換型（保守性）邊界 (Conservative Boundary)：
   

   板塊平行錯動，既不創造也不破壞地殼。 例子：美國聖安地列斯斷層 (San Andreas Fault)。

   過程與地貌：強烈的摩擦力累積應力，以強烈地震的形式釋放。沒有顯著的火山活動。

重點總結：板塊構造是地球的引擎，負責地殼隆起、造山運動，並製造出日後受到風化影響的岩石。

2. 風化：岩石的崩解 (課程大綱 3.2)

風化是塑造景觀至關重要的第一步。它將堅硬的岩石轉化為鬆散的物質（崩積物，regolith），隨後便可被侵蝕或搬運至坡下。

2.1 物理（機械）風化過程

這些過程將岩石破碎成較小的碎塊，但不會改變其化學成分。可以想像成砸碎一個玻璃瓶——它依然是玻璃，只是變成了較小的碎片。

1. 凍融作用 (Freeze-Thaw / Frost Shattering)：
   

   水滲入岩石裂縫。當氣溫降至冰點（0°C）以下，水結冰後體積膨脹約 9%。這種膨脹會對裂縫壁施加巨大的壓力，從而加寬裂縫。經過多次循環，岩石便會碎裂。

   發生地點：溫度經常在冰點上下波動（晝夜溫差）的山區或高緯度地區。

2. 熱脹冷縮（日照風化，Insolation Weathering）：
   

   在沙漠中，晝夜極端的溫度變化導致岩石外層受熱膨脹，冷卻後收縮。由於岩石是熱的不良導體，外層的移動幅度大於內部，導致應力產生。這會引發剝落 (Exfoliation) 或顆粒崩解。

3. 鹽分結晶作用 (Salt Crystal Growth)：
   

   含有溶解鹽分的水在岩石表面蒸發，留下鹽晶，通常沉積在孔隙或裂縫中。隨著鹽晶隨時間生長，它們會施加壓力，迫使岩石分開（與凍融作用原理類似）。

   發生地點：沿海地區或蒸發率高、乾燥炎熱的環境。

4. 卸荷作用（壓力釋放，Pressure Release/Dilatation）：
   

   當上覆物質（如冰川或其他岩石）因侵蝕而被移除時，下方的岩石壓力被釋放。岩石略微膨脹，導致與表面平行的節理和裂縫產生（頁理）。

   你知道嗎？這就是為什麼大型花崗岩侵入體常風化成彎曲的圓頂狀山丘（稱為岩核，Tors 或剝落圓頂，Exfoliation domes）。

5. 生物根劈作用 (Vegetation Root Action)：
   

   樹根為了尋找水分而長入岩石細縫。隨著根部生長，它們會將岩石撐開，使裂縫擴大。

2.2 化學風化過程

這些過程涉及化學反應，會改變岩石的成分，使其變弱且不穩定。

1. 碳酸化作用 (Carbonation)：
   

   這是影響石灰岩和白堊（富含碳酸鈣的岩石）的關鍵過程。

   雨水吸收大氣中的二氧化碳，形成弱碳酸：
   \(H_2O \text{ (水)} + CO_2 \text{ (二氧化碳)} \to H_2CO_3 \text{ (碳酸)}\)
   碳酸與碳酸鈣（石灰岩）發生反應，將其溶解形成可溶的碳酸氫鈣，隨後隨水流失。

   類比：就像在水中溶解方糖。糖（石灰岩）會完全消失。

2. 水解作用 (Hydrolysis)：
   

   岩石礦物與水中的氫離子 (\(H^+\)) 或氫氧根離子 (\(OH^-\)) 發生的反應。此過程對於含有矽酸鹽的岩石特別有效，特別是花崗岩（含有長石和石英）。

   水侵蝕礦物結構，將其轉變為更軟的黏土狀物質（高嶺土）。這顯著削弱了岩石結構。

3. 水化作用 (Hydration)：
   

   礦物結構對水分子進行物理吸收。當礦物吸收水時會膨脹，導致岩石內部產生應力，進而可能導致崩解。

   例子：某些鐵氧化物在水化時體積可膨脹高達 60%。

2.3 影響風化類型與速率的因素

風化的速度和類型取決於幾個一般性和特定的因素。

一般因素：

• 氣候：這是最重要的因素（見下文特定因素）。
• 岩石類型 (Lithology)：岩石是否可溶（如石灰岩）？是否具滲透性（允許水通過）？成分是否易受水解影響（如花崗岩）？
• 岩石結構：節理 (Joints) 和裂縫等弱點的存在，會通過提供水、空氣和根部的進入點，增加風化速率。
• 植被：可加速物理風化（根劈作用）和化學風化（腐爛的有機質形成腐殖酸）。
• 地形 (Relief/Slope)：陡峭的坡面使風化碎屑能更快被清除，從而暴露新鮮岩石，加速風化速率。

特定因素：溫度與降雨量（佩爾蒂埃圖，Peltier Diagram）

佩爾蒂埃圖展示了基於溫度與降雨量組合而成的風化主導類型與速率：

• 高溫 + 多雨：化學風化最強烈（如赤道雨林）。高溫潮濕的環境加速所有化學反應。
• 低溫 + 少雨：整體風化程度最低，但如果有水分且溫度在 0°C 上下波動，可能會出現物理風化（如凍融作用）。
• 高溫 + 少雨：物理風化最強烈（如沙漠）。受熱脹冷縮和鹽分結晶主導。由於缺乏水分，化學風化緩慢。

記憶小撇步：化學風化喜歡「熱」與「水」（就像燉湯）；物理風化主導於乾燥地區（鹽分結晶、熱脹冷縮）或溫度在冰點上下波動的地區（凍融作用）。

3. 坡面過程：重力接管 (課程大綱 3.3)

一旦岩石經過風化，重力就會將產生的碎屑向坡下牽引。這些驅動物質沿坡下移的過程對於景觀演變至關重要。

坡面過程與條件

控制坡面過程的關鍵條件是物質的抗剪強度 (Shear strength)（抵抗移動的能力）與剪應力 (Shear stress)（重力將其向下拉的力量）之間的平衡。當應力超過強度時，塊體運動就會發生。

塊體運動：類型與特徵

塊體運動是根據物質的移動速度和含水量進行分類的。

1. 蠕動 (Creep/Heaves)：
   

   最緩慢的塊體運動形式，通常以每年幾毫米計算。物質因反覆的膨脹和收縮（如凍融或乾濕循環）而緩慢向坡下移動。

   對坡面的影響：柵欄柱傾斜、樹幹彎曲（稱為手槍狀樹幹，pistol butts）以及土壤表面的微小褶皺。

2. 流動 (Flows - 地流、泥流、凍融泥流)：
   

   物質像黏稠液體一樣，在飽和水份的狀態下沿坡下移。

   • 地流 (Earthflows)：比泥流慢，通常發生在緩坡上的細顆粒土壤中。
   • 泥流 (Mudflows)：極度飽和的細微物質（泥土和碎屑）快速移動。通常遵循現有的河道流動，常見於強降雨或火山噴發後（火山泥流，lahars）。
   • 凍融泥流 (Solifluction)：冰緣地區（冰原邊緣）特有。夏季時，飽和的活動層（表土）在下方不可滲透的凍結層（永凍土）上緩慢流動。
3. 滑動 (Slides - 坍塌與山泥傾瀉)：
   

   物質作為一個完整的塊體沿剪切面（弱點線）移動。這些通常是快速且災難性的事件。

   • 旋轉滑動 (Slumps/Rotational Slides)：物質沿著彎曲的滑動面移動，通常在頂部形成凹形（碗狀）疤痕。常見於薄弱且不可滲透的黏土中。
   • 平移滑動 (Landslides/Translational Slides)：物質沿著直線滑動面（通常是岩層或層理面）移動。極具破壞性。
4. 崩落 (Falls)：
   

   最快的形式。物質脫離並垂直或近乎垂直地墜落。這通常發生在極陡的坡面或懸崖上，起因於物理風化（如凍融作用）移除了支撐。

   形成的地貌：在懸崖底部堆積的碎屑堆，稱為岩堆 (Scree/Talus)。

坡面上的水與沈積物運動

水不僅通過飽和作用在塊體運動中起作用，還能將沈積物運送至坡面各處。

• 雨滴濺蝕 (Rainsplash)：當雨滴擊中裸露土壤時，會將土壤顆粒擊散並濺開，將其運送一小段距離。在平地上，這種影響會抵消，但在斜坡上，淨移動方向是坡下。
• 地表徑流 (Surface Runoff)：水在地表流動。
  • 面蝕 (Sheetwash)：水以薄而均勻的層狀在表面移動，通常均勻地移除細微土壤顆粒。
  • 細溝 (Rills)：如果面蝕匯集，就會侵蝕出微小的通道（細溝）。如果這些通道擴大，就會成為沖溝 (Gullies)。

重點總結：塊體運動從緩慢的蠕動到快速的崩落不等。水至關重要，無論是通過潤滑土壤（流動/滑動）還是通過表面侵蝕（面蝕/細溝）。

4. 人類活動對坡面穩定性的影響 (課程大綱 3.4)

人類活動經常破壞剪應力與抗剪強度之間的微妙平衡，往往導致不穩定並引發災難性的塊體運動。

4.1 對坡面穩定性的影響

人類行為可以降低或提高坡面的穩定性：

• 降低穩定性（使坡面變得危險）：
  • 移除植被：森林砍伐移除了根部的固定作用，降低土壤強度。同時減少截留和蒸騰作用，增加土壤含水量（飽和）。
  • 坡面加載：在坡頂附近建造結構物（房屋、道路、擋土牆）會增加重量，從而增加向下的剪應力。
  • 切斷坡腳 (Undercutting the Toe)：在坡腳採石或築路會移除天然支撐，使坡面極易發生滑動或崩落。
  • 人為飽和：水管洩漏、灌溉或管理不善的排水系統可能引入大量水分，大幅降低物質的抗剪強度。
• 提高穩定性（使坡面變得更安全）：
  • 排水：安裝排水溝或管道以移除過多水分，可減少飽和並提高抗剪強度。
  • 植樹造林：種植深根植被有助於固土，並通過蒸騰作用移除水分。
  • 降低坡角：平整坡面使其變得平緩，可降低剪應力。

4.2 改良坡面以減少塊體運動的策略

以下是管理不穩定坡面所使用的直接工程與生物方法。

1. 錨固 (Pinning - 岩釘或土釘)：
   

   將長鋼桿（岩釘）深入岩面或土壤中並進行固定（通常結合水泥）。這些就像巨大的針線，將不穩定的岩石/土壤層緊緊縫合，防止塊體脫落或滑動。

2. 加網 (Netting - 鋼絲網)：
   

   在陡峭岩面上覆蓋重型鋼絲網或鐵絲網。這可以防止個別石塊掉落到下方的基礎設施（如道路或鐵路）上。雖然這不能防止運動，但能有效控制危險。

3. 分級/階梯化 (Grading/Benching)：
   

   透過將坡面切削成一系列台階或露台（梯田）來重塑坡面。這降低了坡面的總角度，減少了剪應力，並提供了堆積碎屑的平坦區域。

4. 植樹造林 (Afforestation)：
   

   大規模種植樹木，特別是根系發達、生長迅速的品種。通過相互交錯的根系穩固地基，並減少土壤水分，從生物層面穩固土壤。

個案研究要求 (課程大綱 3.4)：

記住，考試時你需要準備一個具體的個案研究（例如城市地區的滑坡事件，如香港的山泥傾瀉或美國拉孔奇塔 mudslide）。你的個案研究必須涵蓋：
1. 人類活動對坡面穩定性的影響（例如：開發、排水、森林砍伐）。
2. 對坡面穩定性造成的效應（例如：滑坡、泥流增加）。
3. 對所採取的減少塊體運動措施的評估（例如：錨固或植樹造林工程的成效如何？）。

重點總結：人類開發經常導致坡面不穩定（特別是通過移除坡腳或植被）。錨固和加網等管理策略對於減輕塊體運動風險至關重要，尤其是在人口稠密的地區。