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大屯火山群:大屯火山群土壤中石英的來源

大屯火山群岩性以安山岩為主,其組成並不包含石英顆粒,然而卻發現其土壤的組成礦物中有大量的石英顆粒。土壤是岩石風化的最終產物,但石英並非來自母岩風化,它們究竟來自何處?
 
 
 
大屯火山群的火山產物包含火山熔岩流、火山泥流、火山碎屑岩、凝灰岩、火山角礫岩等,其中又以火山熔岩流為主要產狀。大屯火山群的岩石雖通稱為安山岩,但因內含的鐵鎂礦物種類與含量的差異,又可細分為五大類:
  1. 大屯山亞群的安山岩以兩輝(普通輝石與紫蘇輝石)角閃安山岩為主,組成的礦物是斜長石、角閃石、普通輝石、紫蘇輝石與磁鐵礦。
  2. 竹子山亞群的安山岩以含角閃兩輝安山岩或輝石安山岩為主,組成的礦物是斜長石、角閃石、普通輝石、紫蘇輝石與磁鐵礦。
  3. 七星山亞群的安山岩以紫蘇角閃安山岩為主,組成的礦物是斜長石、角閃石、紫蘇輝石與磁鐵礦。
  4. 磺嘴山亞群的安山岩以含橄欖石的兩輝角閃安山岩為主,組成的礦物是斜長石、角閃石、普通輝石、紫蘇輝石與橄欖石。
  5. 丁火朽山亞群的安山岩以含輝石角閃安山岩為主,組成的礦物是斜長石、輝石、角閃石與鐵礦類。

大屯火山群境內唯一出露於地表的沉積岩位於北投大磺嘴地區,是五指山層和木山層。在馬槽地區,在海平面深度五百公尺左右鑽到五指山層沉積岩。金山南勢湖山地區,在海平面以下352公尺處鑽到五指山層。而在大磺嘴地區的沉積岩,岩芯編號E-102在94至134公尺是木山層,岩芯編號E-101在地表以下50公尺開始出現五指山層,而岩芯編號E-103在地表以下64公尺處是五指山層,上層覆蓋約100公尺的火山碎屑岩。

由於在大屯火山群境內鑽到沉積岩層的紀錄並不多,再加上鑽井的位置都集中在金山斷層以東的熱水換質帶,因此對於大屯火山群地下地質的分布情形至今還不是很了解。但是從顏滄波先生過去利用地球物理方法配合野外觀察資料,所推測的大屯火山群以海平面為基準的地下地質岩層分布和構造,可幫助我們了解在大屯火山群底下的地層分布情形。

石英的鑑定方法

石英的鑑定是利用顯微鏡從土壤樣本中選取粒徑大於125微米(μm)的白色與透明礦物,透過能量分散式光譜儀分析得知其化學組成是矽與氧,並由X光粉末繞射儀分析確認這些白色與透明的礦物都是低溫石英。

掃描式電子顯微鏡可用來觀察石英表面的特徵構造,依照其外形可以區分成兩大類:單晶質石英與多晶質石英。前者又細分為:含破裂構造的貝殼狀斷口與平滑的破裂面,以及未受到破壞的石英。後者有較完整的低溫石英晶型,且表面有生長紋構造。

另外,從外形特徵可據以統計石英的圓度與球度,結果顯示大屯火山群的石英大都是低圓度、高球度。

外營力的搬運作用如海浪、河流、冰川、風力等都有特定的搬運方向,但是大屯火山群擁有獨特的地理位置,再加上採樣點都避開河道兩側,因此本文只能討論風力作用。

典型的風成石英顆粒外形圓滑,有較高的圓度球度,且表面有許多在搬運過程中受到撞擊所產生的坑洞。然而大屯火山群的石英外形良好,除了有些漂亮的破裂面外,並沒有搬運磨損的痕跡。詳細觀之,典型風成石英顆粒與大屯火山群石英的外形差異非常明顯。

大屯火山群石英的圓度與球度統計結果顯示是低圓度、高球度,表示這些石英曾遭到特定方向的搬運。此外,在大屯火山群土壤石英含量與大於125微米沉積物的重量百分比成正比關係,由於理論指出土壤樣本中大於125微米的沉積物越多,表示石英含量越高,因此藉由分析大顆粒(大於125微米)沉積物的重量百分比,可以證實這些低圓度、高球度的石英可能是藉由風力所帶來並沉積於此。

但是在大屯火山群的樣本中大於125微米沉積物的重量百分比並沒有顯示特定的搬運方向,且沉積物顆粒越大,搬運的距離越短。相反地,沉積物顆粒越小,搬運距離越拉長,而大屯火山群周圍並沒有一個源區可以大量供應這些石英。如果這些石英是來自中國大陸,最多只能攜帶小於20微米的石英,但是在大屯火山群卻可看到大於125微米的石英,也就是說石英應該不是透過風的搬運所帶來的。

地球化學證據

上述的檢測方法都可推斷這些石英並不是透過風的搬運所帶來的,是否可能是來自大屯火山群的噴發作用呢?雖然從電子顯微鏡影像中可看到石英因破裂產生的貝殼狀斷口,但是仍沒有直接的證據可證明石英是來自大屯火山群的噴發作用,因此需要更有力的證據。以下將介紹地球化學研究中常使用的同位素 87Sr∕86Sr 比值法。

在一個封閉系統中,87Rb會衰變成87Sr,而87Sr是放射性元素,86Sr則不是放射性元素,且永遠保持定值,因此可以透過87Sr/86Sr比值來推測樣品的年紀。通常較老的地殼結晶較早,87Rb衰變成87Sr的含量較多,因此87Sr/86Sr比值較高。反之,越年輕的物質的87Sr/86Sr比值較低。這些樣本中的鍶同位素可以利用固態離子源質譜儀來分析。

研究人員分析的樣本包含大屯火山群大於125微米的石英顆粒與小於10微米的土壤組成礦物(即土壤基質),以及北海岸第三紀地層的石英。分析這3種樣本的目的有二:第一,想知道大於125微米的石英和小於10微米的土壤基質來源是否相同?第二,希望證實這些石英是透過火山的噴發作用所帶來的,雖然大屯火山群的安山岩本身不含石英,但是底下的基盤岩是第三紀地層的砂岩,含有大量石英。總之,研究人員希望藉由這些分析找出石英的來源。

鍶同位素分析

前人曾對大屯火山群的安山岩及溫泉水做鍶同位素分析,顯示安山岩的樣品鍶同位素比值介於0.704至0.705之間,溫泉水介於0.704至0.706之間,北海岸第三紀地層則介於0.712至0.725之間。由這些數據可以看出,同一點位的石英與基質的鍶同位素比值接近,因此可以說大屯火山群石英與基質應是同一來源。除此之外,大屯火山群大部分石英與土壤基質的鍶同位素比值都落在第三紀地層的範圍,僅七星山南麓地區樣品的值落在大屯火山群的範圍。

由於大屯火山群大油坑地區曾報導安山岩受熱液換質作用的次生礦物有石英,因此可據以推斷七星山南麓地區的石英是大屯火山群安山岩受熱液換質作用所生成的。

土壤基質成分分析

由於土壤基質的鍶同位素比值與大屯火山群土壤石英的鍶同位素比值一致,因此土壤基質的成分也是必須了解的。以X光粉末繞射儀分析土壤基質成分是個有力的工具,所得結果如下。

土壤基質的組成礦物都含有低溫石英,也有低溫方矽石、普通輝石、赤鐵礦、明礬石、鉀明礬石、高嶺石、鱗石英等。

在造岩礦物中,鍶的分布受控於鈣和鉀的離子置換,而這些離子置換常發生於斜長石和鉀長石中。由於礦物本身若含鍶濃度高會對基質的鍶同位素比值造成影響,於是先把含鍶濃度低的礦物排除,如石英、方矽石、鱗石英、明礬石與赤鐵礦。

黏土礦物的特性是以吸附鍶為主,因此對於鍶濃度有影響的礦物是高嶺石和普通輝石。高嶺石有兩種產狀:由含鋁的矽酸鹽風化形成;受到熱液換質作用所產生。有文獻報導過在玄武岩質安山岩中的普通輝石,其鍶含量是13 ppm,而酸性安山岩的普通輝石,鍶含量則是17 ppm,這說明了高嶺石與普通輝石是基質中控制鍶同位素比值的主要礦物。但是在大屯火山群的高嶺石來源主要有兩種,從現有的資料並無法分類,因此只能針對普通輝石含量與鍶同位素比值來作圖判斷。

為了知道普通輝石的含量對於鍶同位素比值的影響,假設輝石的XRD強度正比於普通輝石的含量,並以之對基質的鍶同位素比值作圖。結果顯示,當普通輝石的強度增加時,鍶同位素比值就會降低。反之,普通輝石強度降低,鍶同位素比值則提高。因此基質的鍶同位素比值的變化主要受控於高嶺石和普通輝石在基質中的含量。

內營力作用

由於前面已經排除了外營力的作用,再加上從鍶同位素比值所透露的訊息告訴我們大屯火山群石英的主要來源是第三紀地層中,那它們是透過何種方式把石英從底下沉積岩中帶出來呢?

大屯火山群斷層相當發達,有許多裂隙產生,而位於大屯火山群下部地層的粗顆粒石英砂岩比率與孔隙率都很高,這些砂岩經過火山活動後變得非常破碎,因此可做為儲水層。當雨水經由裂隙滲入地底加熱後再出露至地表,就形成地熱溫泉,這些溫泉都集中在金山斷層與崁腳斷層之間。大屯火山群大致上可分為十三個溫泉地熱區,其中以焿子坪、死磺子坪、大油坑、馬槽、大磺嘴等地噴氣活動劇烈,具有大型噴氣口。

火山噴發依照產物可以分成3種類型:岩漿噴發、蒸氣岩漿噴發和蒸氣噴發,其中前兩種類型的噴發作用都會伴隨著岩漿作用,假設石英是透過這兩種作用所帶來,在大屯火山群的安山岩中應該會發現大量的石英顆粒,但是事實上並未如此,因此可以排除掉這兩種火山作用。

蒸氣噴發則是地下的含水層或含水的裂隙因深部的熱源使水體迅速加熱、氣化(壓力變大)後噴發,並把底部的沉積物帶至地表,這種噴發機制並不會伴隨有岩漿物質。在前面也提及大屯火山群底下的砂岩層因火山作用後變得破碎,形成儲水層,當底下有個熱源使儲水層被加熱,這些水體被加熱、氣化、噴發就會把底下的砂岩帶至地表後沉積。

從鍶同位素比值的數據已可證實大屯火山群石英與土壤基質來源相同,從大屯火山群土壤鍶同位素比值與地層石英鍶同位素分布圖也可以看到,除了七星山南麓地區的石英可能是大屯火山群熱液換質所產生的之外,其餘的都來自底部的沉積地層。

因此可以說整個大屯火山群的石英是透過蒸氣式噴發把下部地層的石英帶至地表並沉積,這就是為何在大屯火山群的母岩中並沒有發現石英晶體,卻在土壤中發現大量石英顆粒的原因。

深度閱讀
  1. 經濟部聯合礦業研究所(1970年)大屯火山群地熱探勘工作報告之二,(報告編號:MRSO REPORT-102)。
  2. 經濟部聯合礦業研究所(1971年)大屯火山群地熱探勘工作報告之三,(報告編號:MRSO REPORT-111)。
  3. 宋聖榮(2005年)陽明山溫泉、地熱資源與利用調查(報告編號:G0039),內政部營建署陽明山公園管理處。
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