地球科學：從做中學
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第八章、地質災害：山崩/土石流/土壤液化/新竹地區的活動斷層

黃德源

2002/06/19

山崩的定義

由風化侵蝕作用所造成的岩屑，岩塊或出露的岩層常常可以沿著山坡或山崖向下移動或崩落，這就是一般報紙或電視新聞常報導的山崩。在地質上名為塊體運動(mass movement)。山崩並不是一個特別地質名詞，而是一個通用的非技術名詞，泛指一切可以覺察得到的塊體運動。地質學上，山崩為乾型的、少或不含水之大規模岩體、岩塊、沙石、土壤等以慢至快速或極快速下滑移動或墜落之統稱。

山崩通常在雨季或豪雨後發生，例如1997年8月18日溫妮颱風過境，豪雨不斷，位於台北縣汐止鎮林肯大郡社區後方的邊坡突然滑動造成慘重的傷亡與財產損失。地震的搖晃有時也直接觸發山崩，921集集大地震即導致九份二山、草嶺等多起的山崩。促成邊坡滑動移位走山的因素相當複雜，最主要的不外乎平衡問題：邊坡上的岩石土塊，由於坡腳異動產生差錯，支撐力不足，失去平衡，因重力而下滑或墜落。一般經由詳細的地質調查常可察覺出具有山崩潛在的高危險區域，如能全面的檢討，加強山坡地的開發管理，並加以適切的規範與限制，將坡地社區納入公共安全檢查申報體系，委託專業技師定期執行各項坡地社區的安全監測與檢視，並提供預警制度，以減少坡地災害的發生。

塊體運動發生的原因

重力是發生塊體運動的基本因素，可以使物體沿著山坡發生運動，運動中所有的能量都是來自地心引力，即重力。

水分為促進物質發生下坡運動的另一個重要因素。當地表物質富含水分時，其重量因而增加，使摩擦係數降低，可以推動物質發生塊體運動。在沒有固結的沉積物或有孔隙的沉積岩中，雨水可以迫使其孔隙中的空氣離散，表面張力因此消失，而使水成為潤滑劑，減少顆粒和顆粒間的摩擦力，容易相互滑動，其粒子間的結合力也隨之減少，可以加速下坡運動的進行。水分也可以使表面物質孔隙中的壓力增加，降低岩石或沉積物中原有的凝聚力。

物體在斜坡上的重力可分為正向力(垂直坡面的壓力)和下滑力(平行坡面的力)。當坡度愈大，正向力會逐漸降低，而下滑力卻逐漸增加。若坡度加大到某一角度，下滑力超過塊體的剪力強度或自由體的摩擦阻力時，山崩就發生了。

綜合以上所言，山崩發生的原因可能有以下幾種：

• 邊坡的坡度太陡
• 坡頂的負荷過重
• 水的影響
• 岩層破碎
• 順向坡滑動
• 地震
• 過度的人為開發

塊體運動的型式

山崩通常指的是快速的塊體運動，亦即土石或岩塊因為重力作用以及常因水的潤滑而發生快速的下滑移動或墜落。山崩的種類依運動的形式可分為：岩石墜落(rock fall)、岩屑墜落(debris fall)、岩石滑動(rock slide)、岩屑滑動(debris slide)、崩移(slump)、泥流(mud flow，即一般所稱的土石流)、土流(earth flow)或岩屑流(debris flow)、岩石崩瀉(rock avalanche)、岩屑崩瀉(debris avalanche)、及雪崩(snow avalanche)。

此圖片為山崩示意圖，由左至右可看見岩(土、泥)流、岩石(屑)滑動、岩石(屑)墜落。圖片出處：Plummer et al. (1991) Physical Geology.

夏普(Sharpe，1938)根據塊體坡移物質之搬運媒介、水量的多寡、移動的快慢與滑動面等畫分為河川搬運、潛移蠕動、土石流與山崩等(表1)。台灣先天上位處於新生代地質條件不穩定之造山帶，後天上更由於山坡地之大量墾植開發與社區之興建，雨季時常有豪雨、山崩、土石流等災難發生。1996年7月末、8月初賀伯颱風來襲，豪雨造成阿里山神木村、水里等地之山崩與土石流，已喚醒許多民眾的關心與注意。因而多數民眾對於土石流或泥石流一詞已不再陌生，且許多山麓不穩定的道路兩旁常設有土石流之警告標誌。921集集大地震之搖晃，造成許多山崩、落石，也為即將來臨的雨季可能衍生土石流的災害帶來無限的隱憂。

夏普式分類：

法恩氏分類表：

一個滑動土體的地形，崩塌區的各部名稱及所在相對位置，主要可分為冠部，主塌壁，頭部，次塌壁，足部，趾部等。本圖為圓弧滑動與流動複合型剖面的各部名稱示意圖。

至於塌陷區的平面特徵及相對位置，如裂縫，隆起部，塌壁，滲水。

岩屑和岩石滑動皆稱作地層滑動。這種塊體運動往往威力驚人，聲勢浩大。921集集大地震所引發的九份二山和草嶺的大山崩都是這種。地層滑動往往沿著岩層的層面發生，也可以沿著節理面甚至斷層面發生，以含水多而傾斜大的岩層中最易發生，常有巨大數量的岩塊崩落，面積極廣，速度極快，可以造成很大的災害。

美國格羅凡脫(Gros ventre)河所發生的岩層滑動是一個常用的例證，這是二十世紀研究得比較詳細的一個塊體運動，常常為美國一般地質教科書所引用。在發生山崩的一面谷壁上，主要是傾向河谷抵抗侵蝕的堅硬砂岩層，傾角約20度，和山面坡度大約相等。在砂岩之下為一層不透水的頁岩層。當雨水不斷的下降後，所有水分都透過砂岩層但是無法向下滲透過頁岩，所以大都累積在頁岩層的表面而使全部砂岩的孔隙飽含雨水，這時侯只有頁岩和砂岩間的摩擦力可以使上面含水量極高的砂岩層不致向下崩落。可是河流的不斷向下侵蝕切割等於加陡了山谷的坡度，結果在1925年的六月，因為不斷的降雨和融雪的影響，使地心引力克服了摩擦力，於是就沿著具有潤滑作用的濕頁岩的表面滑動，造成一次大規模的山崩。

台灣有極多的山坡地是屬於砂岩頁岩互層，若又是順向坡，則存在著極大的危險。草嶺已經發生過好幾次的山崩，都屬於此種型式；而林肯大郡也是類似。

山崩前的徵兆(根據台大地質系陳宏宇教授)

• 道路，邊溝出現裂紋。
• 山坡頂部出現裂痕。
• 山坡擋土牆或建築物出現裂痕。
• 山坡本身可能隆起或鼓脹變形。
• 坡面上的樹幹或電線桿出現傾斜。
• 山坡上的土壤或岩屑會局部崩離或掉落。

山崩的防治方法

• 邊坡的坡度不宜太陡。
• 不可任意削去坡腳。
• 減輕或不要增加坡頂的負荷。
• 排水工作。
• 可利用岩栓，地錨，噴漿或金屬護網等，來保護及加強穩固邊坡。
• 坡面可以栽種植物，重視水土保持工作。

山崩或塊體運動可以造成巨大財產和生命的損失，也可以破壞交通和建築，但是只能設法預防而無法去除山崩，所以如何防止山崩成為都市建設或山坡地開發一個重要項目。山崩大都和人類的活動有關，詳細的工程地質調查，適宜的工程規劃設施，和有效的土地利用規定，常常可以使山崩的發生和災難減低到最小程度。現在常用的防止山崩的方法是減小坡度到最安定的條件(就是在休止角的角度以下)，或是開挖排水道，建築擋土牆，施用岩栓和噴射灌漿劑滲入山崩的地區中。最重要的是設法開挖水溝，把岩石或土壤中的水分排出，因為水是發生山崩的一個最重要的因素。沿著公路或其他道路的兩邊山坡和擋土牆上都要放入水管或開鑿小孔以排出坡面岩層中的水，有時在面上也可以爆炸引發人工山崩以安定工程區的坡度。至於在山坡上種植樹木或植草固然可以發生水土保持的功用，但是對於巨大山崩所發生的效力似乎不大，因為有時山崩到達的深度可以超過大部份樹根的正常深度，因此大量的樹木可以隨同山崩岩塊一齊向下崩落，並沒有收到安定邊坡的完善效果。

活動斷層

定義

簡單的說，活斷層是一種現今仍然在活動，並且可能在不久的將來再次發生錯動的斷層。究竟如何去判定一條斷層是否屬於活斷層呢？關於這個問題，目前學界尚無統一標準。活斷層的定義隨不同國家與地區及不同學者而有所不同。

Slemmons and Mckinney(1977)曾蒐集世界各地共31種不同定義加以分析後指出，各家之定義儘管在細節上或年代界定上有所不同，但是基本上具有下列四項共通之原則：

1. 活斷層曾在當今之造震地體架構(seismotectonic regime)下移動過。
2. 活斷層具有將來再活動的潛能。
3. 活斷層具有近期活動的證據，例如地形上之證據。
4. 活斷層與地震活動有關聯。

上述四點也就是當年學界認定活斷層的共通原則；所以一條斷層要被認定為活斷層，必須能符合上述四個原則，而且最好能不違背其中的任何一個原則。例如一斷層曾在造山運動時期活動過，但是現在該地區的地體架構並不屬造山帶，則該斷層是否仍有可能再活動，必須受到質疑。例如臺灣北部地區，現在的大地應力是屬於伸張型架構(extensional regime)，在該區域內，一條斷層若沒有任何新期正斷層活動的證據，就很難認定它是活斷層；若一條斷層具有新期正斷層活動的現象，則又很難認定它不是活斷層。另外，一條活躍的斷層必定有地形上的表現，因此，一條在地形上毫無表現的斷層也就很難認定它是活斷層。

經濟部中央地質調查所為出版臺灣活動斷層分佈圖，將活動斷層區分為二類，並說明其分類準則如下(張徽正等人，1998)：

1. 第一類活動斷層(全新世活動斷層)：符合下列任一項者：
2. 全新世(10，000年內)以來曾經發生錯移之斷層。
3. 錯移(或潛移)現代結構物之斷層。
4. 與地震相伴生之斷層(地震斷層)。
5. 錯移現代沖積層之斷層。
6. 地形監測證實具潛移活動性之斷層。

第二類活動斷層(更新世晚期活動斷層)：未符合第一類活動斷層之分類準則，但符合下列任一項者：

1. 過去十萬年以來曾經發生錯移之斷層。
2. 錯移階地堆積物或台地堆積層之斷層。

對於一些資料尚未充足而無法歸類之活動斷層，則暫被劃分為存疑性活動斷層，包括：

1. 將第四紀地層錯移之斷層。
2. 將紅土緩起伏面錯移之斷層。
3. 具活動斷層地形特徵，但缺乏地質資料佐證者。

台灣的活斷層

台灣地區的地體構造架構

台灣位處太平洋西岸弧狀列嶼中，呂宋弧與琉球弧銜接之處。根據相關研究，台灣島是因呂宋弧與亞洲大陸碰撞後擠壓隆起的一個年輕島嶼。台灣本島的中央山脈及中央山脈以西地區代表亞洲大陸邊緣被擠壓隆起的部份，台灣東部的海岸山脈則代表呂宋弧撞上台灣主島的部份，而台東縱谷即是此種弧陸碰撞的逢合處在地面上的位置。因為弧陸踫撞的結果，台灣地區地殼變動激烈，斷層發達，且地震頻繁。圖五是台灣地區從1900至1996年地震震源的三維分佈情形，充分地表現了板塊間相互的關係。在東北部，包含呂宋弧在內之菲律賓海板塊隱沒到屬歐亞大陸板塊的琉球弧底下。在東南部，包含呂宋弧在內之菲律賓海板塊係騎跨到包括南中國海亞板塊在內的歐亞大陸板塊之上。在台灣的中心部位呂宋弧則直接與亞洲大陸發生碰撞。

目前載運呂宋弧的菲律賓海板塊約以每年7公分的速度向西北西方向前進。台灣本島及碰撞地帶在這種作用之下，不斷的發生變形及偶發的斷層活動。其中變動最激烈的地帶是弧陸碰撞的縫合處－台東縱谷。變動次激烈的地帶也就是造山帶本體。在造山帶中，則以造山前緣變動帶的變形作用較為激烈。這個地帶南北縱貫台灣西部走廊的平原及丘陵地區。

民國86年，經濟部中央地質調查所為編製比例尺五十萬分之一的臺灣活動斷層分布圖，亦進行了國內活斷層相關文獻的覆核研究，並按一定的準則將活斷層區分為第一類活動斷層、第二類活動斷層及額外的一類存疑性活動斷層(張徽正等人，1998)，其工作成果如圖七。

地震地變的類型

斷層一旦活動而發生地震，它具有多種特殊的破壞機制足以對地上結構物造成嚴重破壞。斷層錯動時除了會在鄰近斷層地區發生激烈的振動而使結構物損壞外，亦會直接造成山崩、地裂、地陷及地層液化等地變現象。如果斷層作用發生在海底，則可能引生海嘯，對近岸低窪地區帶來破壞。因此，我們談到防震，便不能忽略活斷層的存在。茲對各種不同地變的類型、破壞機制及其影響分述如下：

地面斷裂

斷層活動如果穿透地層而露出地表時，就會造成地面破裂，並沿斷層兩側發生數十公分到數公尺的錯動。圖八是1990年菲律賓地震時菲律賓斷層在北呂宋Digdig地區造成公路錯移之情形。圖九是1935年新竹—臺中地震時屯子腳斷層錯移地面之情形。如果主斷層未穿透地表，因為地盤拱起或陷落，地表亦會出現小規模斷裂。如果結構物的基礎正好跨越斷層帶，那就難免被撕扯，發生扭曲或斷裂，而使結構物倒塌。最好的對策乃是知其所在，避免把結構物建築在斷層通過的地帶上。

地層液化

在鄰近震央的地區，強地動會使地層內部的孔隙水壓上升。若某一地點地下淺部地層恰為砂質土壤且地下水水位偏高，強烈地震發生時，地層容易液化，並使結構物失去支撐而發生下沉、傾斜或倒塌，造成額外的損失。容易發生液化的地點通常出現在離震央數公里至數十公里範圍內的：

1. 河灘及海灘地。
2. 離河岸不遠的砂質沖積層基地。
3. 砂質的舊河道堆積。
4. 湖邊或其它水邊的填土新生地。

圖十三是1990年菲律賓地震在呂宋島西邊沿海某市區造成地層液化使房屋傾斜之情形。圖十四是1906年嘉義地震發生噴砂及地面斷裂之情形。

地陷

發生正斷層時，斷層的一側會下陷，其位移量隨地震規模加大而變大。發生橫移斷層時，斷層沿線亦因受力的不同，而會有壓縮或伸張的構造出現；出現伸張現象時，斷層的一側也會下陷現象。一個規模7左右的地震，其位移量約為2公尺。但是，在地面上實際見到的下陷量可能不止2公尺。因為，下列兩原因亦會造成地層下陷：

1. 地層壓密：現代沖積層，在地震振動下產生壓密作用而使地表下陷。1964年阿拉斯加大地震後，因地層壓密，使當地某一油井突出地面1.4公尺。
2. 鄰近斷層的地層向下彎摺作用：當斷層面有彎曲的情形時，斷層滑動會連帶產生地層的彎摺作用，而使地面下陷。1950年美國加州FortSage地震最大下陷量為20公分，但是若考慮地層彎摺，則最大下陷量增為60公分。

1694年4月間，台北地區發生一估計地震規模7的大地震，震後台北盆地發生嚴重下陷，形成所謂之「康熙台北湖」。林朝棨(1957)估計湖水深度不超過5公尺。

大地震發生過後，地面變形扭曲，甚至下陷，會對一個都會區的排水系統，包括：地面溝渠、地下水道、河流兩岸的堤防等，失去功能，甚致海水倒灌，對都會區造成致命的影響。

海嘯

如果斷層錯動海床，則會擾動海面而形成長周期水波，並向四周傳布。地震引起的長周期水波，其波高通常在數十公分至數公尺之間，當長波傳抵海岸時，會因地形效應而使海水向陸地方向湧高達數公尺至數十公尺，此即為海嘯。海嘯的破壞力與湧高(run-up)的高度有關，湧高愈高，破壞力愈大。

海嘯的大小多以海嘯規模表示。最常用的表示方法是今村(1942)所創而飯田(1958)增設-1之海嘯規模分級表(表五)。

表五今村與飯田海嘯規模之分級表(取自徐明同，1981)

依現有歷史紀錄來看，台灣發生最大海嘯是1867年12月18日在基隆外海地震所引起之海嘯，其地震規模約為7.0，當時並無波浪紀錄，但依據Davidson(1903)之災害描述，湧高約為3.4公尺至7.5公尺。此地震發生時，基隆市街及附近地區發生大海嘯，海水夾帶著巨大的波浪，以驚人的速度衝上市街，淹沒街道，破壞房屋，有一座山分裂為兩半，山側噴出硫磺質溫泉，人命損失沒有詳細統計，推估死者可能達到數百人。此外，在1951年10月20日，1960年5月24日，1963年10月13日及1964年3月28日，花蓮驗潮站皆有海嘯之記錄，然而其規模均甚小(0.3公尺以下)。1960年5月24日的海嘯為智利大地震所引起。同一海嘯在日本東北部太平洋沿岸造成湧高達6公尺的海嘯，造成一千多人死傷或失蹤，以及港灣設施及船舶等受損毀。

湧高的程度主要與地震規模及地形效應兩項因素有關。重要工程計畫常進行電腦數值模擬來求得湧高。圖十五是日本地區以往海嘯規模與地震規模的關係，一個規模7.5的大地震其海嘯規模約為1，規模8.0的大地震其海嘯規模約界於2至3之間，其變化因地形而異。在地形效應方面，通常在平直的海岸且海床向外海方向迅速變深的地區，湧高較小。反之，在海灣處及海床縱斷面向外海呈楔形展開者，湧高會加大。

次生災害

若山崩阻塞河道，潰堤時將造成大災害。若在水庫區造成大崩山，則崩積物擠溢水庫，亦將造成災難。民國30年嘉義大地震時，雲林縣古坑鄉草嶺地區發生大崩山，連同隔年大雨後再次崩山，共在其下方的清水溪河床堆積了170公尺高的天然壩，隨後即在上游積水，形成所謂的「草嶺潭」。此潭在民國40年颱風時因洪水溢頂而崩潰，水壩下游一百餘名工兵被衝失。國外的案例顯示，地震天然壩常在地震後數小時即發生崩潰，必須特別加以留意。

斷層活動產生的地盤變動及異常激烈的地振動，致水壩崩潰或使核能電廠失控，皆可能造成難以彌補的大災難。這也是核能電廠及大型水壩工程在規劃及設計的時候特別重視斷層調查的原因。

台灣活斷層查詢系統

資料來源：中央大學地球物理研究所和應用地質研究所

MapXtreme版活斷層查詢系統

參考書目：

• 《普通地質學》，何春蓀編著，五南圖書出版公司印行。

• 《高中物質科學地球科學篇教師手冊、上冊》，南一書局，89年8月初版。

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