第 9 章　斷層

這章在回答：斷層和剪裂有什麼不同？怎麼描述斷層的位移？同一條斷層往深處長什麼樣？斷層怎麼生出來、長大、連接？斷層尖端前方的地層怎麼褶皺？斷層怎麼產生地震、地震會不會規律地重複？Ch7 的剪裂長大、互相連接，就成了斷層。

考前 30 秒

1. 剪裂：單一面、位移 mm–dm；斷層：位移大、由許多構造連接而成的帶。
2. 剖面上：傾向離距的水平分量 heave、垂直分量 throw；離距（separation）≠ 滑移（slip）。井中缺失層 → 正斷層；重複層 → 逆斷層（或比井陡的正斷層）。
3. 深度 → 斷層岩：非黏結（斷層泥、角礫）→ 碎裂岩（無葉理）→ 脆–塑轉換（~10–15 km）→ 糜稜岩（有葉理、線理，動態再結晶）；假玄武岩玻璃 = 地震摩擦熔融。
4. 斷層 = 核心 + 破碎帶 + 拖曳帶；破碎帶厚度 ∝ 位移。
5. 成長：孤立 → 下疊 → 重疊（軟連結、轉換斜坡）→ 硬連結；$D_{\max} = \gamma L^n$。
6. Trishear：尖端前方三角形剪動帶；背斜、向斜共用一翼，軸面向下收斂，越低的層越陡。
7. 再現模型：完美週期（時間、規模都可預測）、時間可預測（固定上限）、滑移可預測（固定下限）。
8. 封閉：併接、自併接（碎裂、膠結）、頁岩塗抹；低孔隙岩石的斷層是導管，高孔隙的是障壁。

先認識的名詞

這一章的邏輯地圖

★ = 考試重點。每一節最後有「自我檢測」，先自己回答再打開。

1. 斷層的分類與位移 ★

剪裂和斷層有什麼不同？（考古題）剪裂是單一的破裂面，位移小（mm 到 dm）；斷層是位移大得多的構造，由許多剪裂、變形帶連接、合併而成，通常有一定厚度的核心和破碎帶。剪裂可以看成斷層的「前身」。

位移名詞 ★（考古題）：

鑽井判斷（p.15）：在地層厚度固定的前提下，垂直井穿過正斷層，會缺少一段地層；穿過逆斷層，會重複一段。但如果正斷層比井還陡（例如斜井），正斷層也可能造成重複，要小心。

2. 斷層的幾何

逆衝斷層：斷坡–斷坪

正斷層系統

平移斷層的躍階（Ch1）：受阻（壓縮）躍階形成擠壓脊、推隆構造；鬆弛（伸張）躍階形成凹陷、拉張盆地。例如 2001 年昆侖斷裂帶 Mw 7.9 地震。

3. 往深處看：斷層岩 ★

同一條斷層往深處，岩石的變形方式從摩擦變成塑性（Ch6 的強度剖面），所以產生的斷層岩也不同：

斷層岩的分類（Box 9.1）：

糜稜岩 vs 碎裂岩 ★（考古題）：

• 碎裂岩：脆性的碎裂作用，顆粒被壓碎、滑動、轉動，通常沒有葉理；形成於脆性區。
• 糜稜岩：晶體塑性變形，動態再結晶讓粒徑變小，有葉理和線理；形成於脆–塑轉換以下。基質比例越高、細粒化越強。不同礦物動態再結晶的溫度不同：方解石 ≥ 250 °C、石英 ≥ 300 °C、長石 ≥ 450 °C，所以同一塊岩石裡可能石英已經塑性流動、長石還是脆性的碎斑（碎斑糜稜岩）。

假玄武岩玻璃（pseudotachylyte）★（考古題）：地震高速滑動時摩擦生熱，岩石局部熔融後急冷形成的玻璃質斷層岩，常以注入脈的形式出現在主滑動面旁。它是古地震的直接證據，也可以用來推算當時的破裂參數。台灣的例子：1999 集集地震同震山崩造成的摩擦熔融（Lin et al. 2001）、上新世–更新世斷層中的假玄武岩玻璃（Korren et al. 2017）。

斷層的解剖：

破碎帶厚度和斷層位移的關係（考古題：斷層滑移量和破碎帶厚度的標度律）：在 log–log 圖上兩者大致成正比，位移越大破碎帶越厚，但同一個位移的破碎帶厚度可以差一到兩個數量級（p.17）。

4. 斷層怎麼生出來、長大

在孔隙砂岩中生出來（p.20，接 Ch7 第 6 節）：單一的變形帶 → 變形帶互相連接 → 形成變形帶區 → 一個滑動面切穿這個區，就成了斷層。尖端前方有一個破裂推進區，岩石在斷層到達之前先被「處理」過。斷層彎折、連接的地方破碎帶比較厚；小構造不斷加進破碎帶，直到斷層沿一條比較直的路徑切穿；上盤沿彎折可以形成斷層彎曲褶皺（p.21）。

岩性的影響（p.34–35）：乾淨的高孔隙砂岩裡變形帶最多；細粒層、薄的砂岩層很少。層狀層序中，斷層在不同岩層裡的樣子不同。

一條斷層的形狀和位移：

台灣的例子：1694 年的地震讓山腳斷層再活動，台北盆地下陷形成「台北湖」（1697 年郁永河記載）；山腳斷層如果再活動，盆地西側會下陷、增加淹水風險（p.19）。

位移–長度關係：

斷層互相連接 ★：斷層是從孤立的破裂，經由形成、破壞轉換斜坡，長成長斷層的（p.30–31）。

先預測：兩段斷層的尖端互相越過以後，中間那塊岩石的位移會怎樣？

斷層不只在水平方向，在垂直方向（滑移方向）也會互相干擾、連接（p.32）；位移從一條轉交給另一條，重疊尖端之間的地層被彎成斜坡或拖曳褶皺。重疊帶分兩種：在位移方向上被縮短的叫受阻重疊帶，被拉伸的叫鬆弛重疊帶；例如頁岩層被夾在重疊帶裡、被塗抹（p.33）。

5. 斷層尖端前方的褶皺：三角剪切 ★

考古題：斷層還沒切到地表時，尖端前方的地層怎麼變形？

斷層往上長的時候，位移不會在尖端突然歸零，而是在尖端前方一個三角形（扇形）的區域裡逐漸分散，這就是三角剪切（trishear）模型。前方的地層被彎成斷層擴展褶皺（也叫垂簾褶皺、強逼褶皺，drape／forced fold）。它特別適合描述基盤裡的舊斷層再活動、往上長進上覆沉積層的情況。拖曳也可以這樣產生：力學上較弱的層在尖端前方和斷層兩側都會被拖曳（p.26）。

基本假設（p.23）：

1. 三角形剪動帶內體積不變。
2. 三角形剪動帶內的應變是相容的。

控制褶皺形狀的四個參數：上盤沿斷層的滑移量 S、尖端擴展距離 P、三角形的頂角、斷層傾角。

邊界條件：三角形和上盤交界處的質點速度等於上盤的速度；和下盤交界處的速度為 0。三角形裡，平行斷層的速度分量從上盤往下盤、從尖端往上遞減。

先預測：P/S 大（尖端長得比滑移快）和 P/S 小，哪一種的褶皺比較寬、比較緩？

結果（p.25，P/S = 1.5 的逆斷層）：

• 尖端前方形成三角形剪切帶；尖端以下，斷層上岩層的斷距往下逐漸增大。
• 靠上盤形成背斜，靠下盤形成向斜，兩者軸部是弧形的；背斜的前翼就是向斜的後翼（共用一翼）。
• 背斜和向斜的軸面不平行，向下朝斷層尖端收斂。
• 同一翼的層面不平行：層位越低，傾角越大。

6. 斷層滑動與地震 ★

黏滑與穩定滑動（p.27）：斷層面平常被摩擦「黏住」，應力累積到超過摩擦強度時突然滑動，應力降下來，再繼續累積：這就是黏滑（stick-slip），每一次突然滑動就是一次地震。另一種是穩定滑動（無震滑移），斷層持續緩慢地滑，不產生地震；有時滑動會讓斷層變硬（滑移硬化）。在深度上，孕震帶是黏滑的；它的上方（未固結、淺部）和下方（高溫）是穩定滑動的無震帶，和 Ch6 的地震深度分布一致。

Coulomb 應力變化：一個地震改變了周圍斷層上的應力，可以觸發或延遲下一個地震：

Δτ_s 是滑動方向上的剪應力變化，Δσ_n 是正應力變化（壓為正），μ′ 是包含孔隙壓效應的等效摩擦係數。ΔCFS > 0 的地方被推得更接近破裂。

地震會不會規律地重複？三種再現模型 ★（考古題）

累積位移（p.29）：大斷層每次通常只在一部分斷層面上滑動，很多次之後累積出一個鐘形的位移剖面，和單一事件很像，在 log 長度–位移圖上是直線。特徵地震模型認為每次地震的滑移分布和破裂長度都相同；另外還有可變滑移模型、均勻滑移模型。

作業 Hw09-2：用古地震（槽溝開挖、定年）的資料，討論 1999 集集地震是時間可預測還是滑移可預測（Chen et al. 2004；Wang 2005，車籠埔斷層平均滑移速率約 4.97 mm/yr）。做法：把每次古地震的時間和滑移量畫在累積滑移–時間圖上，看各次事件的頂點（發生時的累積滑移）是否落在一條直線上（時間可預測），還是事件後的底點落在一條直線上（滑移可預測）。

7. 斷層與流體

考古題：斷層的封閉性對石油探勘和生產是好是壞？兩者都有可能：斷層封閉可以形成油氣圈閉（好），但也會把儲集層切成互不相通的區塊，降低生產效率（壞）。斷層影響流體流動的能力叫導水性（transmissibility）。

• 低孔隙或無孔隙岩石中，斷層一般是流體的導管：破碎帶裡充滿破裂，是找地下水的好目標。
• 斷層核心常因含有次生黏土礦物（斷層泥）而透水性較低。
• 高孔隙岩石中，斷層更常是流體的障壁（變形帶、碎裂作用降低孔隙率和滲透率）。
• 併接（juxtaposition）：斷層兩側什麼岩性接在一起，決定流體能不能跨過斷層。
• 碎裂作用可以讓核心變成緻密的碎裂岩、超碎裂岩，完全擋住流體；石英的溶解和沉澱（成岩作用）也會把斷層變成封閉的。

容易混淆的地方

章末綜合題