水流動的感覺只有交錯層最知道

Storyteller/Ruei

順行山坡而下,兩旁的岩塊、植物越來越稀疏,取而代之的是腳下沙粒。漸厚的沙隨風刮起、隨風沉降,走在上面一不小心就陷入沙中,太陽贈予的溫度保留在內,溫暖甚至有點過於熱情地灼燒雙腳。斜坡漸陡,浪花拍打在坡的盡頭,海水的冰涼令你歡欣鼓舞。這樣的沙灘樣貌也許並不陌生,但在玩水的同時,你可曾注意在海水下方有著規律起伏的沙地(圖一)?

圖一、現生的浪成波痕,拍攝自臺南七股濱外沙洲海岸。(照片來源:Ruei)

海床表面的形貌被稱為底形(Bedforms),海床的沙會受到上方水波影響,而出現波的形狀。小型的被稱為波痕、漣痕、沙波、沙紋等(圖一),而大型、高度超過10公分以上的則稱為沙丘。這些底形的脊,有些像訓練有素的軍隊,一條條直線相互平行排列,也有些像許多蛇爬行留下的痕跡,彎曲著向兩端蔓延。地質學家透過觀察及實驗發現,底形的樣貌與交錯層大大有關係。

 

什麼是交錯層?

圖二、地層中的交錯層。位於紅框內淺棕色地層內,有著從右上往左下傾斜的深灰色紋理,為交錯層層理。地層層理大致與照片水平,因此可以發現交錯層與地層層理並不平行。拍攝自苗栗中港溪北岸卓蘭層。(照片來源:Ruei)

交錯層很容易在砂岩中找到,像是北海岸的野柳、南雅奇岩,北投的軍艦岩等等,甚至也可能出現在你家附近公園的砂岩石碑中。正常情況下,泥砂會水平地一層一層堆積成地層,而有時後卻會斜斜地堆積,形成的斜紋理有可能是弧線或直線,並且與正常的地層層理斜交,這些斜紋理稱為交錯層(圖二)。而日文中的交錯層又被稱為「偽層」,意指假的地層層理,會造成地質學家誤判。

圖三、沒有意義的圖。(素材來源:海濤法師-教您如何面對丈夫外遇

 

波痕如何形成交錯層

水槽實驗影片。(影片來源:Michael Calzi’s YouTube

海濤法師曾說過,當假的看就不會那麼執著了,但是身為科學家就是要追求這世界的真理。地質學家們透過野外觀察以及實驗尋找真理,他們發現波痕、沙丘會隨著水流遷移,而它們在移動的過程中就會產生交錯層。上面是進行水槽實驗模擬水流如何讓波痕移動的影片,在影片的15秒後,可以看到水流侵蝕波痕的迎流面(圖四),並帶著這些砂越過波峰,堆積到背流面,就這樣一層又一層的堆積,最後形成了交錯層。

圖四、波痕遷移及交錯層形成示意圖。(摘自 Boggs,1995)

這時候你要趕快關掉影片,「假的」。哎呀!我們的眼睛業障重啊,原來交錯層是沉積物側向堆積而來的,難怪它與水平堆積的地層不太一樣。所以你說這交錯層的堆積,是真的還是假的呢?暫時的,因為波痕會繼續被水流帶著往前移動,前面的波痕逐漸被侵蝕掉,後面的波痕往前遞補,一再地循環,只有在一些情況下,交錯層才會被幸運地保存在岩層中,然後被我們看到(註1),這才是真的。

圖四是交錯層形成的示意圖,水流在波峰前往波谷時,由於底下突然出現了一個空間,因此在背流面會產生水流分離的現象。上面的水流不受影響,繼續往前跑,而底下的水流會形成亂流(turbulence)(註2),這一個空間因為水流方向相反的關係,被稱為回流帶。大部分的砂會順著背流面從上往下滾落或是沉降,這些砂顆粒較粗。而少數更細小的砂從回流帶被拉回到背流面沉降堆積。這樣,兩種不同粗細的砂不停地交替堆積形成交錯層(姜在興,2003)。

 

美國地質調查所模擬交錯層形成過程的動畫影片。(影片來源:USGS

上面是美國地質調查所(USGS)做的動畫影片,隨著波痕被水流帶動往前,與水流方向平行的右側剖面形成我們一般所熟知的交錯層形貌,而與水流方向垂直的左側剖面,看起來像一個一個下凹的槽,這種侵蝕底界下凹的交錯層稱為槽狀交錯層(圖五)。

圖五、槽狀交錯層。兩條紅線是標示地層層理的輔助線,第一條紅線上方是由好幾組不同方向的交錯層所組成。地質槌與刮刀的位置可見一個兩邊往中間下凹的紋理,此為槽狀交錯層剖面與水流方向正交的樣貌,可以參考上面USGS的影片或圖七的示意圖。(照片來源:Ruei)

 

波痕的樣貌與交錯層的種類

圖六、水流強度、顆粒大小與底形樣貌關係圖。圖中的方塊是從空中往下俯瞰底形的樣貌,隨著水流強度增強,會從直線形轉為波曲形,可以參考圖七上半部的立體示意圖。而砂的波高也會增加,從波痕轉變成沙丘。(摘自 Reineck & Singh,1975)

水的流動可以塑造出底下砂子的各種形貌,科學家進行水槽實驗找出兩個造成底形產生變化的主因:水流強度、砂子顆粒大小。如圖六所示,粗顆粒的砂不會形成小波痕,而是以平行層為主,因為水流強度弱無法搬運粗顆粒的砂。但當水流強度變強後,顆粒粗細便不再有影響。大致上,隨著水流強度的增加,底形的脊會從直線形變成波曲形,再破碎成舌形或新月形,波痕是發育成舌形,而沙丘則是新月形(圖七)。波峰會逐漸加高,直到水流強度進到過渡流態(註3)時,強大的剪切力會將沙丘削矮。高流態時,會被撫平成平行層,然後形成交錯層理傾向與水流方向相反的逆行沙丘(註4)。

圖七、上半部為底形演變圖,下半部為不同種類的交錯層。A:板狀交錯層理,B:槽狀交錯層理C:浪成波痕交錯層理,D:圓丘狀交錯層理。(摘自陳景山,1994)

而與波痕相對的是剖面上的交錯層,如果是直線形波痕會形成層理呈直線的板狀交錯層理,而演化到波曲形波痕以後,都會形成層理呈弧線的槽狀交錯層理。以上都是水流從單一方向流動的情況,有時候要考慮波浪對海床的來回運動,會形成具有人字特徵的浪成波痕交錯層理(wave ripple cross lamination)(註5)。或是平常受不到風浪影響的深水環境,突然受到風暴大浪而形成低緩角度、中央上凸向四周下斜的圓丘狀交錯層理(Hummocky cross-stratification)。也有受到漲、退潮時,水流方向剛好相反,而形成上下交錯層傾向相反的魚骨狀交錯層理(Herringbone cross-stratification)。而這些交錯層的成因,皆與水動力相關(註6)。

 

交錯層的用途

在岩層中的交錯層對地質學家來說,是一項揭露這裡在過去曾經發生甚麼事情的好工具。

第一、測量古水流方向,我們已經知道交錯層是沉積物受到水流影響的側向移動,除非是逆行沙丘,不然大致上交錯層的傾向即為古水流方向。

第二、判斷地層上下,有時候受到大地構造運動的影響下,地層有可能被倒轉。槽狀交錯層的曲線弧度可以幫助地質學家判斷這裡的地層有沒有倒轉,交角陡的通常在上方,而交角緩的在下方。

第三、前面強調許多交錯層跟環境水動力能量之間的關係,可以借由交錯層的類型去判斷水動力的強弱、規律性、方向,再進一步推測當時可能的沉積環境種類(註),像是浪成波痕交錯層理就不可能是由風力堆積而成的,魚骨狀交錯層理代表著水流會有規律地變換方向等。

講了這麼多,才發現小小的交錯層內蘊含著大大的學問,我們不過只是在皮毛打轉而已。地質學家透過觀察這些沉積構造、化石、岩石的成分……一點一點去發掘過去到底發生了甚麼事情,並預測未來有可能會發生甚麼樣的事情。

 

備註

註1、一般情況下,沉積的泥砂不可能會堆超過海水面,但地層厚度往往都可以累積到好幾千公尺以上,淺海的水深也不過幾十公尺以內,也就是說海水面的高度可能持續上升,或是底下的地層持續下陷,才有辦法一直沉積新的泥砂,而形成交錯層的砂就是在這樣的情況才會被保留下來。

註2、雷諾為了瞭解流體流動的模式,曾經進行過一項流體力學實驗。他發現水流主要有兩種流動狀態,一種是流體分層流動不會互相混合的層流,另一種是流體主要部份雖然仍往前流動,但會產生許多漩渦彼此混合的亂流,有時候可以看到介於兩者之間的過渡流。為了量化、比較層流與亂流,科學家發現流動關係與流體慣性力和黏滯力的比值有關,此比值稱為雷諾數,關於雷諾數的部分請參考延伸閱讀

註3、高流態、過渡流態與低流態這三者的狀態,代表流體分別為超臨界流、臨界流與亞臨界流,可以用福祿數(Fr)大於1、等於1與小於1來區分。

註4、逆行沙丘發生於福祿數大於1的急湍水流,大自然中的急流:(看影片請點這裡)從15秒開始。水槽實驗改變水流強度產生逆行沙丘:(看影片請點這裡)

註5、水槽實驗模擬波浪如何產生浪成波痕:(看影片請點這裡)

註6、文章中所舉例的波痕與交錯層之間的關係。仍屬少數,如果想要看更完整的資訊,可以前往美國地質調查所(USGS)的網站,裡面提供不同種類交錯層的動畫模擬影片,甚至也有兩股不同方向的水流交互影響所產生的交錯層,網站位置請參考延伸閱讀

 

延伸閱讀

沉積學家的觀點》 ─ 蓋瑞王

沉積岩與沉積構造》─ 玩石碎碎念

郭家宏(2014)雷諾數,科學Online網站

Bedforms and Cross-Bedding in Animation》─ 美國地質調查所(USGS)

 

參考資料

Boggs(1995)Principles of Sedimentology and Stratigraphy, Prentice Hall.

Reineck and Singh(1975)Depositional Sedimentary Environments, Springer-Verlag, Berlin

姜在興(2003)沉積構造和顏色,沉積學:石油工業出版社,第三章第三節,第87-112頁

陳景山(1994)沉積構造,馮增昭(主編),中國沉積學:石油工業出版社,第十一章,第269-301頁。