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地質調查新趨向:光達俯看中央山脈湖泊

105/08/04 瀏覽次數 1501
中央山脈多采多姿

台灣中央山脈北起宜蘭蘇澳,南至恆春半島,呈北北東至南南西走向縱貫全島,是全島各水系的主要分水嶺,也常以脊梁山脈稱之。台灣3,000公尺以上的高山多分布在這區域內,險峻的高山地形正是活躍造山運動的證據。在這些高山地形中,除了壯闊崩壁、碎石陡坡、高聳斷崖、多變溪谷等地景外,湖泊、水池、窪地映照著湖光水色,更增添高山的瑰麗景象,而這些正是許多地形作用所留下的重要特徵。

湖泊一般是指內陸窪地未與海洋直接接觸,並有一定深度的靜止水體,窪地面積隨水體變化而增減。面積較大的稱湖,較小的則以池稱之。

在中央山脈這些不易到達的高山地區,過去主要是原住民生活和打獵的場所,湖泊在原住民祖先發現後就是生活的重要水源之一。惟原住民以口述歷史為主,受限於文字紀錄與交通不便,使得這些高山湖泊的發現或紀錄少有文字的記載,大部分史料中僅記載較大型湖泊如翠峰湖、大鬼湖、小鬼湖、嘉明湖等。這些多源自早期日人藉由山地理蕃政策,在從事陸地測量、調查或自然科學研究的過程中所記載。

爾後國內登山活動熱絡,但也多僅是登山過程中的附帶紀錄,在地形上較少有系統的分析研究。隨著科技發展,險峻高山地形因遙測技術的進步,而能完整且較準確地測繪,各種高山地形特徵也隨著測繪解析度的提高而明顯呈現。

光達的效用

光達(light detection and ranging, LiDAR)或稱激光雷達,是利用雷射光束進行測距或量測物體物理特性的光學遙測技術。雷射光束可依照使用目的,選擇不同波段的紫外光、可見光或近紅外光等量測地表、岩石、水氣、化學分子等特性。

依其載具,可分為衛載光達、空載光達、車載光達、船載光達與地面光達。在地形測量方面,空載光達技術是獲取廣域高密度與高解析度數值地形資料的有效工具之一,因系統具有高準確性、快速測製、濾除植被等特性,且單位成本較傳統測量方式低。目前空載光達在台灣已經成功應用在地質、測量、水土保持、森林、水利等領域。

空載光達系統包含雷射測距儀、全球定位系統與慣性系統3個次系統。雷射測距儀是這系統的核心設備,是藉由雷射脈衝產生波長1,064 nm的近紅外光波段,由發射後到接收回波的時間差來量測距離。

由於水體對1,064 nm波段雷射脈衝的吸收能力強,因此在一般空載光達作業中,水體範圍所得到的點雲資訊多屬非正常點雲回波或被視為雜訊的點雲資訊。為確保所獲取的數值地形資料的品質,在光達資料處理流程中,會依據點雲資訊和影像判釋圈繪出水體範圍,並把這範圍的點雲資料分類。在數值地形模型生產作業時,就把水體點雲資訊排除,不加入內插演算過程,以避免造成非真實的地形模型資料。

中央山脈的高山湖泊

莫拉克風災後,山區的地形地貌大幅改變。經濟部中央地質調查所(地調所)為快速取得受災區域地形地貌及環境地質因子的變化情況,採用空載雷射掃瞄儀並配合高精度數位航拍相機,產製1公尺高解析度數值高程模型及正射影像。經過3年的作業,完成莫拉克災區的地形測製作業,其中包含了中央山脈區域。

在光達資料處理程序中,藉由前述近紅外光雷射不透水的特性,可篩選出施測區域內的水體覆蓋範圍。這項資料非常有利於高山地區中水體範圍分布的判釋,能進一步快速得到中央山脈中的湖泊、水池等分布狀況。目前已判釋出超過兩百餘處的水體,多數屬於中央山脈的高山湖泊,也是國內首次較完整呈現高山湖泊精確位置及範圍的資料。

以目前判釋出的中央山脈高山湖泊來看,在高程的分布上,幾乎多位於海拔2,000公尺以上,約25%分布於2,000~2,500公尺,約50%分布於2,500~3,000公尺,約20%分布於3,000公尺以上,其餘低於2,000公尺的則多是莫拉克風災後所形成的山崩堰塞湖。

在面積規模上,分布在中央山脈上的高山湖泊多屬小面積規模,其中面積小於0.3公頃的約占80%,多是無名水池且鮮少出現在報導中,但仍在高山生態與高山活動中扮演重要角色。面積大於0.5公頃的湖泊,如加羅湖、牡丹池、白石池、屯鹿池、萬里池、七彩湖、嘉明湖、溪南鬼湖、萬山神池、大鬼湖、遙拜池、小鬼湖等都常見於高山活動報導中,而幾處大於10公頃的湖泊則多是莫拉克風災後所形成的山崩堰塞湖。

高山湖泊的成因

過去對中央山脈高山湖泊成因的探討,最熱門的就是有「天使的眼淚」之稱的嘉明湖,其成因聚焦於是否是隕石撞擊或冰河侵蝕所留下的地形,其餘湖泊則鮮少被提及或引起學術界的關注。

以目前光達數值地形資料而言,在中央山脈所判釋出的兩百餘處高山湖泊中,除數個由莫拉克風災所形成的山崩堰塞湖外,其餘湖泊也無法簡單地由「冰河侵蝕說」或「隕石撞擊說」來直接說明其成因。以所發現的高山湖泊面積規模和分布高程來看,初步可歸納出3種可能成因,包括正斷層滑落崖、深層重力邊坡變形及緩起伏地形。

正斷層滑落崖成因主要是台灣島仍處於活躍造山運動帶上,而地質學家發現當造山運動持續抬升時,在造山帶會有正斷層活動的跡象,也有學者在中央山脈現地量測到屬於正斷層活動的擦痕證據,顯示中央山脈受造山運動影響時也伴隨正斷層的作用。當這些正斷層滑落後,會在地形上形成陷落谷地及陷落崖,在光達數值地形資料上,可以發現這種延伸數公里、跨越不同山稜線的明顯線形構造分布。沿著線形構造常可發現長條狀陷落谷地形成的窪地,這些窪地多成橢圓或長條狀,面積規模都不是很大的小湖泊。

深層重力邊坡變形是在長時間重力影響下,造成大範圍的邊坡產生岩體變形的現象,在坡面常出現張裂型地形特徵,如崩崖、陷溝、反向坡、地塹、多重山脊等,以及壓縮型地形特徵如坡面隆起、挫曲褶皺、高度破裂岩體等。其中,張裂型的地表特徵容易產生長條狀小窪地,而蓄水成小面積規模的水池多分布於山頂或邊坡上緣。中央山脈以板岩、片岩分布的地區較易受發達的劈理影響,使得岩體在長期重力作用下產生重力變形現象,也可以說明何以高山湖泊多位於這些岩性分布的區域。

緩起伏地形分布於中央山脈主脊線上,過去林朝棨教授也以最高隆起準平原面、高山平夷面、赭土緩起伏面等來說明這類地形,推測可能是台灣過去不同期造山運動抬升速率不同所造成前期殘存的古地形凹谷受後期快速抬升影響而留存於主脊線範圍,這些因為抬升速率不同而殘存的古地形凹谷,就形成有利於蓄水的窪地。目前大家熟知的翠峰湖、加羅湖群、大鬼湖、小鬼湖等都位於這種緩起伏地形上,這類湖泊多呈不規則形,且有較大的面積。

地調所在過去幾年利用新興空載光達技術,已完成全台8成以上區域的高解析度數值地形資料,並藉由空載光達可穿透地表植覆間隙的特性,發現許多過去地形資料無法判釋的地形特徵,包括正斷層線形特徵、深層重力邊坡變形、高山湖泊等,顯見空載光達技術對於地質地形的研究能帶來驚人的發展與成效。地調所在2016年會完成全島的地形測製,屆時我國將成為全球少數具有全國性高精度數值地形資料可資利用的國家之一,也將是台灣地質研究發展的重要貢獻。
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