臺灣北部近海海底地形構造初探
 
劉宗盛1,2、王正松1、王舒龍1,2、許明光2
 
(received 1997/11/5, revised 1997/12/8, accepted 1997/12/24)
 

本研究利用「海研二號」研究船在1994-1996年間執行各項研究任務時所蒐集的水深資料,繪製台灣北部近海海底地形圖及水深剖面圖,並以之探討海底地形特徵及其地質構造之意義。

除了文獻中已提過的地形構造單元之外,我們發現了一些有趣的地形單元和地形特徵。例如,在台灣北部海岸線附近有一狹長之凹陷地形,其外有與之平行且成圓丘狀之平順海脊,我們分別稱它們為『基隆凹槽』和『基隆海脊』。基隆海脊包含基隆港外的基隆嶼,應為火成性海脊。台灣北部陸上的金山斷層、崁腳斷層和基隆斷層在台灣北部近海有很明顯的向東北方延伸的斷層地形與之對應,這些斷層地形分別通過彭佳嶼、花瓶嶼和棉花嶼。然而,台北斷層沒有向海域延伸之跡象。我們亦在台灣北部近岸海域發現斷崖和凹陷地形及新的海谷地形。

由台灣北部近海之地形特徵,我們可歸納出三組線性地形,分別為西北向、東北向和東西向。這些線性地形可用右移的大地剪應力模式來解釋。
 

(關鍵字:台灣北部、海底地形、線性地形、斷層帶)

1 國立臺灣海洋大學 應用地球物理研究所  基隆 台灣
2 國立臺灣海洋大學 海洋科學研究所  基隆 台灣
 

臺灣北部受歐亞大陸板塊及菲律賓海板塊聚合的影響,造成複雜的覆瓦狀排列的逆斷層,其中較主要的斷層有金山、崁腳、基隆及臺北斷層 (圖一) 。有關這四個主要斷層在陸地上的形態及發育,已有許多研究著作發表 (例如:林朝棨, 1957;何春蓀, 1982;何春蓀, 1986;黃鑑水和劉桓吉, 1988a, 1988b;葉義雄等, 1989;葉義雄, 1990;葉義雄和陳光榮, 1991;黃鑑水等, 1991;朱健仁, 1993;李錦發和蘇泰雅, 1994;盧佳遇等, 1994Lu and Malavieille, 1994;陳光榮等, 1995;鄭俊昇和李錫提, 1996Teng and Lee, 1996) 。在臺灣北部海域方面,亦有許多地形、構造、重力及磁力等之研究 (例如:Wang and Hilde, 1973; Boggs et al., 1979; Huang et al., 1992; Yu, 1992; Song and Chang, 1993; Yu, 1993; Yu and Hong, 1993; Yu and Shyu, 1994; 馬中平, 1995; 宋國士, 1995; 俞何興, 1996)。然而,陸上的斷層地形在近海海域延伸的趨勢及形態至今仍未做過詳細的研究。「海研二號」研究船自1994年春天開始執行在臺灣北部海域各類研究資料之收集任務以來,已有近兩百個航次。本研究根據這些航次在東經121.6° 122° 、北緯25.1° 25.5° 之區域 (圖一) 所收集之水深 圖一 本研究所使用之水深資料取自圖中所文之「海研二號」研究船航線。圖中台灣北部陸上所繪之斷層為金山斷層 (Chinshan Fault)、崁腳斷層 (Kanchiao Fault) 基隆斷層 (Taipei Fault) 資料,整理並繪製成臺灣北部近海之海底地形圖,以之研究細部海底地形特徵,特別是陸上斷層在海域延伸的情形。
 
文獻中研究區域之地質及地形概況

本研究區域位於台灣北部近海海域,範圍為東經121.6° 122° ,北緯25.1° 25.5° ,相當於由富貴角至鼻頭角間之海岸線,向北至花瓶嶼附近 (圖二之方塊所示)
圖二、本研究區域位置及地形單元圖
地質概況

台灣北部主要為漸新世至新第三紀之沉積岩層,自上新世 (約五百萬年前) 以來,即受到台灣主要的造山運動影響,造成一系列東北-西南走向的褶皺及覆瓦狀逆斷層。在第四紀更新世造山運動達到高潮時,台灣北部發生火山活動,造成了大屯火山群、基隆火山群及基隆嶼、花瓶嶼、棉花嶼和彭佳嶼等數個火山島嶼 (何春蓀, 1982;何春蓀, 1986) 。這些火成岩體大抵沿東北走向的地殼弱線噴發,多屬安山岩類,其中大屯火山在沿著金山斷層東南側一帶迄今尚有許多溫泉、噴氣孔和硫氣孔等晚期火山作用,顯示金山斷層至今仍在活動中 (黃鑑水和劉桓吉, 1988a)

台灣北部海域受到歐亞板塊與菲律賓海板塊斜向聚合的影響,是以擠縮、橫移、旋轉及伸張變形之組合為特徵 (盧佳遇等, 1994; Lu and Malavieille, 1994) Teng and Lee (1996) 認為台灣北部海域受沖繩海槽擴張的影響而屬於伸張帶。Huang et al. (1992) 推斷臺灣北部海域自漸新世至更新世是處於張裂運動之構造機制中,與造成台灣島的主要運動並不相同。由 Wang and Hilde (1973) 所繪製的磁力異常等值線圖,說明台灣北部海域的臺灣-新畿褶皺帶有向北彎曲的現象。

海底地形

在此一海域中之海底地形係屬於東海陸棚的南緣,台灣東北部海岸線由南向北大致上可分為基隆海谷、基隆陸棚及棉花峽谷支流等三個地形單位 (圖二) (馬中平, 1995)

基隆海谷

基隆海谷是由 Song and Chang (1993) 所命名,距離台灣北部海岸線約十餘公里 (圖二) ,其海谷為西北-東南走向,大致與海岸線相同。海谷水深自西北向東南逐漸變深。Boggs et al. (1979) 認為基隆海谷是最近一次冰期時,因台灣西北方的河川向東南流經時侵蝕造成之古河道。馬中平 (1995) 及宋國士 (1995) 在比對震測資料與海底地形之線性分析所得的結果,認為此海谷是因板塊聚合時產生的右移斷層所造成,在最後一次冰期時,河流經過產生沉積/侵蝕作用而形成目前之形態。

基隆陸棚

基隆陸棚位於臺灣北部近海 (圖二) ,在三個地形單元中屬於較平緩的地形,走向大致與臺灣北部海岸線相同,南北兩側分別為基隆海谷及棉花峽谷支流,在型態上屬於狹長的陸棚,其間僅有少數的山脊,在山脊的東南方則為向棉花峽谷凹陷之地形,形成一個南北不對稱的形貌。在陸棚上有一系列的東北-西南走向的線性地形,這些線性地形與陸地上的構造線性地形入海延伸的趨勢相互對應 (馬中平,1995)

棉花峽谷

棉花峽谷位於基隆陸棚的北端 (圖二) ,是由 Song and Chang (1993) 所命名,走向大致上為西北-東南向,呈現彎曲狀的V形峽谷。在研究區域中的棉花峽谷係為其南邊的支流。Boggs et al. (1979) 認為棉花峽谷是更新世晚期冰期時,海平面較現今為低,而可能被古閩江切蝕陸棚所形成。王舒龍 (1995) 則認為此峽谷是由與臺灣-新畿褶皺帶向北轉折有關的斷層和火成作用所造成。
 

資料之收集與處理

本研究所使用的資料,係由「海研二號」研究船在執行各航次的研究任務時,從開航至返航的期間,利用GPS (全球衛星定位系統) Simard EK500測深儀每十秒鐘記錄一筆的船位和水深資料。再將範圍在東經121.6° 122° ,北緯25.1° 25.5° 之內的資料取出,做為本研究的基本資料,其資料量自民國83410日「海研二號」研究船的第一個航次至民國85811日的第247號航次止,共計183個航次共412,869個水深記錄。在此期間的所有航次於研究區域內的航跡如圖一所示。

在經由上述之來源取得基本資料後,由於GPS衛星定位資料及Simard EK500測深資料並非一直保持良好的準確度,有時會因研究船在航行期間的搖晃伏仰、船舶行進間產生的『氣泡』、GPS衛星定位儀器誤差、Simard EK500測深儀器接收訊息不良等因素,而造成一小部份資料產生品質不良及誤差的現象。因此,我們利用電腦及人工篩選的方式配合海圖的水深資料,將錯誤資料點刪除。

在繪製水深剖面圖方面,係利用GRAPHER軟體,擷取三個航次 (EK221237246) 中平行於北部海岸線的航線及其他航次之七條橫越基隆海谷與陸棚上帶狀狹長凹陷地形之航線 (T1-T7) 水深資料 (圖三) ,繪出29條水深剖面 (圖四、五) 。在繪製海底地形圖方面,
 

則利用SURFER軟體採取Kriging的計算方式將研究區域內的所有資料點網格化。Kriging是一種有用的地質網格統計之計算方式 (Isaaks and Srivastava, 1989; Cressie, 1990),由法國D.G. Krige 採礦工程師所發明使用。它是一種經由設定可能之區域環境變數的模式,來有效地分析以計算網格權值。由於本研究區域的水深資料點分佈不平均,在做網格計算時發現網格間距在180公尺時,所繪出之海底地形圖解析度太差,而網格間距在120公尺時,所繪出之海底地形圖則開始顯現出清晰的航跡線。因此我們將每一網格間距設定為150公尺,總計共有300×300個網格,將航跡線及解析度的影響降至最低,繪出海底等深線圖 (圖六) 及日照陰影圖 (圖七) ,藉此研究地形特徵並推測其中所隱含的大地構造意義。
圖六、臺灣北部近海海域之等深線圖 (等深線之間隔為10公尺,灰階之間隔為50公尺。
 
海底地形特徵與解釋

由本研究所繪出的海底地形圖 (圖六、七) 及水深剖面圖 (圖四、五) 我們探討台灣北部近海的海底地形特徵及其隱含之地質意義。雖然本研究所使用的航線資料為「海研二號」183個航次之413,869個水深資料點。但因「海研二號」每一次的任務不同,行駛航線有集中之趨勢,即使是在近海區域,資料點的分佈仍然不平均,大致是由碧砂漁港向外呈放射狀分佈,且主要密集的區域為沿海部份 (圖一) 。為了使航線更平均且通過本研究區可能之主要斷層,我們也利用三個航次專做地形測量。
圖七、臺灣北部近海海域之海底地形日照陰影圖 (光源為W,俯角為15度)
 
由等深線圖 (圖六) 及日照陰影圖 (圖七) ,我們可看出研究區域內的海底地形大致上是呈西北往東南漸漸變深的傾斜地形,西北側較平緩,東南側較陡,再往東延伸即進入大陸坡的範圍,坡度急劇增加。其中可清楚分出三個地形單元:基隆海谷、基隆陸棚及棉花峽谷支流。此三個地形單元均是西北-東南走向,與現今台灣北部的海岸線走向大致上相同。

基隆海谷 (圖二、六、七) 的水深自西北向東南逐漸變深,通過金山外海的線性地形後,轉成東-西向。局部最深點位於與野柳岬外海線性地形之交會處。自此處起再由東-西向轉成西北-東南向並逐漸變淺,在基隆外海的線性地形附近達到局部最淺點。沿著同一走向再變深,至鼻頭角外達到最深點。在此處因遭遇鼻頭角在海域延伸的部份而轉成東-西走向。在鼻頭角北方的基隆海谷中,出現兩個東北-西南走向的斷崖,與該處的最深點結合而成為階梯狀的分佈 (圖八)
 

基隆陸棚在本研究區域中屬於較平緩的地形 (圖二、六、七) ,大致上也是由西北向東南逐漸變深,陸棚上僅有三個明顯突起的山脊,並可與金山外海的線性地形相對應。由圖六及圖七可看見約在基隆陸棚上之中間地帶有一條較不明顯的帶狀狹長凹陷地形,其寬度約2.83.7公里、深度約160190公尺,走向與基隆海谷一致。

棉花峽谷支流 (圖二、六、七) 位於本研究區域的北端,走向為西北-東南向,轉成東-西向,再轉成西北-東南向,為本研究區域中水深最深之區域。花瓶嶼就位於棉花峽谷支流第二個轉折處旁,在花瓶嶼西南方局部低區深達270公尺。

在基隆海谷以南至海岸線之間的海底地形 (圖四、五、六、七) ,可看出明顯的線性地形 (如峽谷、斷崖) 及凹陷地形等,這些線性地形的位態均是呈現東北-西南走向,分佈的位置分別為金山外海、野柳岬外海及基隆港外,並可由海岸線一直延伸至基隆海谷。此外,在海岸線附近存在一條平行海岸線的凹槽 (圖九) ,寬度約2公里、深度約3090公尺,

向東與基隆海谷相接合,向西延伸通過基隆嶼後分為兩個分支。一條分支沿著海岸線至野柳岬結束,另一分支則向西北延伸至野柳岬外。在此,我們將此一凹槽命名為基隆凹槽。在此凹槽外有一個寬約5公里,在本區最不受擾動的狹長圓丘狀平滑海脊 (圖九) 。因此海脊包含基隆港外之基隆嶼,我們稱之為基隆海脊。此凹槽及海脊至今尚未有文獻提過。

上述之東北-西南走向線性地形多與陸上斷層相對應,顯示台灣北部的主要斷層多延續到台灣北部海域。此外,在研究區域內另有兩組線性地形,其走向分別為東-西向及西北-東南向 (圖六和圖七) 。根據地形特徵,我們研判這兩組線性地形應為斷層線或是與斷層相關之線性地形。

在基隆海谷以南至海岸線之間,金山外海有兩條東北走向凹槽出現 (圖四、七) ,一條凹槽可直接對應至金山斷層,另一條凹槽則對應至金山三角洲的北緣,兩條凹槽在基隆海谷附近合為一個峽谷進入基隆海谷。這兩個凹槽應為金山-彭佳嶼斷層帶 (王舒龍,1995) 的一部份 (圖十) 。朱健仁 (1993) 認為金山斷層在大屯火山區域是由眾多斷層組成的斷層帶。蕭宏儒 (1996) 由甚低頻電磁波之探測認為金山三角洲為一系列破裂面所組成,應為金山斷層帶的一部份。因此,在海域的金山-彭佳嶼斷層帶和陸上的金山斷層帶應為同一斷層帶。

在野柳岬東南方顯現一條凹槽 (圖四、六、七) ,其左側較右側為高,一直延伸至基隆海谷,在基隆海谷前凹槽的深度及寬度增加進入基隆海谷。此凹槽可對應到陸地上的崁腳斷層,應為崁腳斷層在近海延伸的線性地形。此線性地形可對應於野柳-花瓶嶼斷層帶 (圖十)

基隆港外我們則發現一個落差達40公尺的斷崖 (圖四、六、七) ,此斷崖向西南延伸至基隆嶼的右側並可對應至陸地上的基隆斷層。故此斷崖應為基隆斷層所造成,應為王舒龍 (1995) 之基隆-棉花嶼斷層帶的一部份 (圖十) 。在野柳岬北方存在凹陷地形 (圖六、七) ,林朝棨 (1957) 及鄭俊昇和李錫提 (1996) 均指出,在金山斷層及崁腳斷層之間存在一條地質弱面與線性地形,應與此凹陷地形有關。

圖九 a (上圖): 橫越基隆凹槽之剖面位置 (背景地形為10公尺等深線圖)。
圖九 b (下圖): 橫越基隆嶼凹槽之水深剖面圖。k1t1為基隆凹槽;k1t1為基隆凹槽南邊的分支;k1t2為基隆凹槽北邊的分支。虛線為100公尺水深參考線。箭頭指示處為基隆海脊。

圖十、本研究區域中三組 (東北向、西北向及東 – 西向) 線性地形位置分佈圖 (背景地形為10公尺等深線圖)。海域中較短的虛線由西向東依序為王舒龍 (1995) 所推測的金山 – 彭佳嶼斷層帶、野柳 – 花瓶嶼斷層帶及基隆 – 棉花帶斷層帶。海域中較粗及較長的實線與虛線為本研究根據地形圖所描繪的上述斷層帶實際應經過的位置及本區內海谷、峽谷與凹槽之軸線位置。

基隆凹槽 (圖九) 平行北部海岸,大致呈西北西走向,並由西往東逐漸變深。在通過基隆-棉花嶼斷層帶 (王舒龍,1995) 時出現左移的彎曲形態,此處為凹槽的局部低區,深度約為70公尺。通過局部低區後,凹槽走向逐漸由西北西轉為東西向,至鼻頭角外與基隆海谷會合,此處亦為基隆海谷在本研究區域之最深處。推測基隆凹槽可能為斷層或與斷層有關之線性地形。
臺灣北部海域目前屬於弧後擴張之張裂帶 (Teng and Lee, 1996) ,而基隆海谷為一右移斷層之所在 (Huang et al., 1992; 馬中平, 1995),且台灣北部的主要斷層又帶有左移分量 (葉義雄, 1990; 黃鑑水等, 1991; 李錦發和蘇泰雅, 1994; Teng and Lee, 1996)。配合這些資訊和上述台灣北部近海之三組線性地形的位態和走向,我們可求取一個模式描繪本研究區域內的大地應力狀態的機制 (圖十一)。由此圖我們可發現整個區域的大地應力是處於歐亞大陸板塊和菲律賓海板塊斜聚合的右移剪應力的狀態,在此狀態下,會產生東北-西南向的左移斷層及西北-東南向以張裂形態為主的右移斷層。在此兩組線性地形的交會處附近,受到東北向剪應力及西北向張應力交互作用的影響,會產生另一組東-西向的右移斷層線性地形。因此基隆海谷、棉花峽谷支流與陸棚上的帶狀狹長凹陷地形應是由於右移剪應力所造成的張裂形態右移斷層。而在基隆陸棚上的帶狀狹長凹陷地形因規模範圍較基隆海谷為小,可能為正處於發育初期的海谷地形。
 
圖十一、造成臺灣北部及北部海域三組線性地形之大地應力示意圖
 
由圖十中可明顯看出,在西北向和東南向的兩組線性地形交會處附近均有局部最深點或局部凹陷出現。由於斷層為地殼中較脆弱的破裂帶,在斷層附近的岩石也較為破碎。因此當兩組斷層交會後,交會處附近的岩石受到兩組斷層相互錯動的影響而更為破碎,且更容易被侵蝕,造成局部凹陷及最深點。
討論

由海底地形圖 (圖六、七、十) 及水深剖面圖 (圖四、五) 我們可發現,金山-彭佳嶼斷層帶、野柳-花瓶嶼斷層帶及基隆-棉花嶼斷層帶在本研究區域內均有明顯的線性地形出現。朱健仁 (1993) 認為金山斷層目前正以左移正斷層的形態移動。此外,我們在金山斷層附近觀察到許多田梗均呈現一系列左移的錯動現象出現,因此金山斷層可能屬於活動斷層。黃鑑水等人 (1991) 指出崁腳斷層上一次大規模的活動於二萬五千年前。由微震資料,葉義雄 (1990) 、葉義雄和陳光榮 (1991) 亦指出崁腳斷層目前仍有左移形態的活動跡象。由此我們可確定研究區域中東北-西南走向的構造迄今仍在活動,應未被基隆海谷的斷層所截切,和 Huang et al.(1992)及馬中平 (1995) 所繪之海域構造圖有明顯不同,但與王舒龍 (1995) 之構造線性地形 (圖十) 圖大體上一致。

由等深線圖 (圖二、六、七) 可看出,基隆海谷及陸棚上帶狀狹長凹陷地形在通過金山-彭佳嶼斷層帶後均發生轉折的現象。由大地應力示意圖 (圖十一) 中,我們知道基隆海谷係以張裂形態為主的右移斷層,金山斷層則為左移形態,由於金山斷層目前為一活動斷層,至今仍有活動的跡象 (葉義雄等,1989; 葉義雄,1990; 謝昭輝等,1991; 黃鑑水等,1991; 朱健仁,1993) 。我們在金山斷層附近的地形測量得知,沿此地形之斷層位移量在最近約五十年中有2.5公尺。因此整個金山斷層之位移應不止此量。而基隆海谷及帶狀狹長凹陷地形之軸線位移距離均約為2.9公里。若以金山斷層在陸地上量得之位移量資料來推測,基隆海谷及帶狀狹長凹陷地形被截切的時間可能不超過六萬年。因此基隆海谷及帶狀狹長凹陷地形的轉折可能為金山斷層的左移活動所截切而造成現今的地形。

Huang et al. (1992) 認為基隆海谷為一右移斷層活動所造成的海谷。在鼻頭角北方外海的基隆海谷中,水深呈現階梯狀向海谷下游變深的地形 (圖八) 。同時在基隆海谷以南的基隆-棉花嶼斷層帶 (圖六、七、十) 附近亦有一明顯的凹陷地形。由於本研究區域位處沖繩海槽末端,屬於弧後擴張之區域 (例如 Teng and Lee, 1996) ,因此階梯狀陷落及凹陷地形可能為沖繩海槽擴張所造成的。

基隆凹槽的走向與海岸平行 (圖九) ,軸心在通過基隆-棉花嶼斷層帶後出現左移的現象。由前述之大地應力分析模式可知基隆凹槽應為右移張裂斷層之線性地形,並被東北走向的基隆-棉花嶼斷層帶所截切而造成左移的形態。在基隆凹槽外存在之狹長的圓丘狀平順海脊僅被基隆-棉花嶼斷層帶及基隆凹槽所截切,在其他部份則完全未被擾動。此海脊是本研究區中最平順的區域,未受明顯的擾動,與本區其他的海底地形均不同。此海脊包含基隆港外火成性之基隆嶼,因此應為火成性之海脊。臺北斷層之線性地形並未在基隆凹槽出現,可能是因為臺北斷層早已停止活動,或臺北斷層只延伸至海岸附近而未再向海域延伸,或我們對早先地質圖上的台北斷層應有不同的解釋。


本研究利用海底地形圖及水深剖面圖探討台灣北部近海海域之地形構造及其在大地構造之意義。除了以往文獻中已描述之地形單元之外,本研究得到下列幾點結論:
  1. 台灣北部之近海地形有很明顯的東北向線性海谷、海脊或破碎地形。這些線性地形可大致歸納為金山-彭佳嶼斷層帶、野柳-花瓶嶼斷層帶,和基隆-棉花嶼斷層帶,與陸上的金山斷層、崁腳斷層及基隆斷層相互對應,應為這些陸上斷層向東北方之延伸。
  2. 在野柳至鼻頭角之間的海岸線外存在一條平行海岸線的凹槽,此一凹槽可能為斷層線性地形,我們將此一凹槽命名為『基隆凹槽』。在基隆凹槽外存在一個與其平行之平順海脊,與其鄰近區域零碎之地形很不相同。因其包含基隆港外之基隆嶼,應為火成性海脊,我們將它命名為『基隆海脊』。
  3. 在基隆陸棚上存在一條走向與基隆海谷和棉花峽谷支流一致的帶狀狹長凹陷地形。此一帶狀狹長凹陷地形可能是處於發育初期的海谷地形。在基隆海谷以南有數個沿斷層線性地形發育的斷崖、凹陷地形及 階梯狀的陷落地形,應為沖繩海槽擴張所造成的。
  4. 台灣北部近海之海谷、斷層帶和破碎地形形成東北向、西北向和東西向三組線性地形。這三組線性地形可由大地右移剪應力模式來解釋其形成機制。