圖1.台灣之地質分區。

I.濱海平原(沖積層);
II.西部麓山帶地質區
(新第三紀沉積岩);
III.中央山脈西翼地質區
(中新世或古第三紀板岩區):
IIIa.雪山山脈帶,
IIIb.脊樑山脈帶—畢祿山階,IIIc.脊樑山脈帶—廬山階;
IV.中央山脈東翼地質區
(先第三紀變質雜岩):
IVa.太魯閣帶,
IVb.玉里帶和V.海岸山脈地質區(新第三紀火山島弧)。
其中IIIb.脊樑山脈帶—畢祿山階板岩系含始新世—古第三紀結晶石灰岩地層,存在石灰岩洞與鐘乳石。

台灣中央山脈板岩系石灰岩洞與鐘乳石

文/莊文星˙圖/莊文星、江日升

 有關太陽系早期的形成學說很多,其中有個星雲學說認為太陽系中的行星是由於宇宙塵和氣體所生成緩慢轉動的一團星雲凝結而產生。凝結作用主要是由於重力的吸引。根據星雲學說、火星或金星的大氣組成與地球古老地層的古生物化石推測,太陽系在形成的過程中,由於塵埃凝結收縮,氫、甲烷與氨等較輕的氣體被排擠在外而形成星球的大氣圈。地球形成後不久,由於處於不穩定狀態,火山活動十分興盛,火山噴出的氣體,主要包括水汽、氫、二氧化硫與氮氣等逐漸加入。氫、氦等較輕的氣體,很容易脫離地心引力,消失到太空中。水星、金星的大氣,二氧化碳佔了九成以上,然而地球的大氣,其二氧化碳所佔的比例極低,甚至不到百分之一(320ppm)。在地球的演變過程中,到底發生了什麼巨大的變化,使二氧化碳的含量急劇降低呢?原始大氣中二氧化碳的減少與海水的形成及水生植物的形成(如藍綠菌)有著密切的關係。原始地球地面散往太空的輻射熱遠大於接受來自太陽的輻射熱,所以地表溫度逐漸下降。原始地球於降溫的過程中,火山所噴出的水蒸氣很可能冷凝而形成水滴,天空烏雲密佈,不久發生降雨。原始大氣中的二氧化碳部分會溶於水中,最後保存在海水或湖泊窪地中。地表上有了水之後,單細胞植物或生物陸續從水中誕生、演化與繁衍。這些水中植物藉由行光合作用,消耗了大氣中的二氧化碳而產生植物所需的食物——醣類(如葡萄糖)與氧氣。最早的藻類生物為發現於非洲羅德西亞約26億年前石灰質的疊層石。有些生物如珊瑚類、有孔蟲、腕足類、苔蘚蟲類及石灰藻類等,可直接吸收溶解於水中的二氧化碳,與鈣離子結合,轉換成軀殼的碳酸鈣。碳酸鈣也可經由無機的化學反應,由海水中沉澱。總之,原始大氣中的二氧化碳因光合作用、溶於海水中、被水中生物吸收或轉換成碳酸鹽類(石灰岩)蘊藏於地殼岩層中而急速減少。

 空氣中的二氧化碳和水化合成碳酸,再分解成氫離子和次碳酸根離子。這兩種離子對分解礦物具有極強的能力。碳酸與礦物間的反應在石灰岩地區特別顯著,碳酸的形成和離子間的化學反應程式為:

H2O CO2
H2CO3

H

HCO3

-

二氧化碳 碳酸 氫離子 次碳酸根

可以與石灰岩反應而形成:

CaCO3 H2CO3

Ca

2+

2HCO3

-
方解石 碳酸 鈣離子 次碳酸根
 地下水流經易於滲透及有孔隙或節理發達的石灰岩地層,將帶走滲出的鈣離子與次碳酸根離子於水溶液中,當此水溶液滲入石灰岩洞時,因所處之空間驟然變大,導致壓力減小或蒸發時,大量的二氧化碳逸出,碳酸鈣可再沉澱下來,形成鐘乳石、石筍、石柱等。流經石灰岩區之地下水,經石灰岩罅隙,達於石灰岩洞頂時,因蒸發作用,其中所含之碳酸鈣沉澱重新凝固,自上而下,結成下垂之冰柱狀,稱為鐘乳石。由鐘乳石下滴之水,落在洞底,蒸發後石灰質沉澱,屹立地面如筍狀者,即稱為石筍。鐘乳石和石筍不斷擴大,終能相接而成石柱。此外,一般的碳酸鈣在洞穴中之沉澱物,常稱為洞穴石灰華,其他因形狀不同而有石藤、石簾、滴水石、流石和石枝等種種名稱。

 台灣石灰岩的分布,依時代的新舊可分為(1)現代海岸隆起之珊瑚礁;(2)近代——上新世舊期珊瑚石灰岩;(3)台北縣、新竹縣與東部海岸山脈之中新世石灰岩;(4)始新世——第三紀早期的結晶石灰岩(圖1);與(5)中央山脈大南澳雜岩之大理岩。

 中央山脈深灰黑色板岩和千枚岩,夾雜著一些薄層到中層暗灰色至白灰色石英岩、變質砂岩和石灰質或泥灰質凸鏡體(圖2)或結晶石灰岩地層(圖3)。石灰岩地層易發育琳瑯多姿的洞穴,令人驚奇。中央山脈板岩系石灰岩多處深山進入不易,石灰岩洞鐘乳石倖得保存(圖4~14 )。

圖2.中央山脈板岩區常夾雜中等厚度灰白色結晶石灰岩(南湖陶塞峰)

圖12.石灰岩洞瓜狀鐘乳石

圖6.潺潺之流水與石灰華 圖9.石灰岩洞瓜狀與管狀石灰華

圖3.中央山脈南湖大山群彙區板岩系多石灰岩地層

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圖4.石灰岩地層裂隙節理面方解石之結晶

圖5.石灰岩洞山坡上流水攜帶的碳酸鈣沉澱在邊坡植物上,形成石灰華。

圖7.石灰岩洞鐘乳石

圖8.石灰岩洞盾狀流石或鐘乳石

圖10.管狀水流的鬚狀或管狀石灰華沉積物

圖11.石灰岩洞地下小瀑布等石灰華壩沉積物

圖13.穴珠。石灰岩洞洞底斷面發生急劇變化、水流遇著障礙物或兩股水流匯合時,經常底面流發生漩渦流現象。漩渦中心的水經迅速放出二氧化碳,包著沙和礫石而產生石灰華沉積。多次沉積的結果,便形成葡萄狀的穴珠(或稱石彈)。

圖14.鐘乳石石花與葡萄狀穴珠(石彈)