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電子報

前瞻策略與管理
農村發展及水土保持署
臺灣的地質脆弱?談地質條件與坡地災害的關聯
期數 / 第103期
發布日期 / 2024.04.11
主筆 / 李易諭
責任編輯 / 陳國威、黃奉琦

臺灣位於板塊聚合帶,在板塊彼此擠壓、碰撞之下,產生了許多斷層與地震,導致臺灣的地質脆弱,所以容易發生坡地災害(圖1)」,這段話,相信大家一定耳熟能詳,只不過我們要如何解釋「地質脆弱」呢,為什麼臺灣的地質條件特別容易引起坡地災害。是因為有許多斷層通過?或是岩石相當破碎?還是指坡地的穩定性被頻繁的地震所破壞?本期電子報將介紹農村水保署評斷坡地災害風險時所考量的幾項地質條件,參考土石流及大規模崩塌防災資訊網的風險評估說明,目前納入評估的地質因素有:坡度、地質構造距離、順向坡地形、岩性因子,以下將依序介紹這些因素。

圖1、臺灣的板塊架構示意圖(圖片來源:公視-我們的島網站)
圖1、臺灣的板塊架構示意圖(圖片來源:公視-我們的島網站)
坡度:影響邊坡穩定度的首要因素

坡度是影響邊坡穩定性最直觀的因素,受到重力的影響,坡度越大的位置,越容易導致崩塌或是土石流的發生,因此在土石流潛勢溪流大規模崩塌潛勢區的風險等級評估中,均納入了坡度這項因素。由於臺灣受到板塊擠壓而快速抬升,形成許多高山與丘陵,根據農村水保署的坡地統計資料,山坡地佔了臺灣國土73%的面積。若進一步細分,坡度30%以上的坡地占國土總面積的34%,僅有約三成的國土是坡度在10%以下的平緩地(圖2)。因此,臺灣地質脆弱的其中一環,是指活躍的地殼活動下所形塑的陡峭地形,坡度陡的高山地區,相較於坡度平緩的區域,存有更高的土石流與大規模崩塌發生潛勢。

另外,當我們在描述坡度時,要特別注意其單位為「度」還是「%」(圖3),在土石流潛勢溪流及大規模崩塌防災資訊網的風險等級評估中,評比坡度陡峭程度的單位是「度」,也就是圖3中的角度;但若依據「山坡地土地可利用限度分類標準」,一到七級坡則以「%」作為劃分的標準。透過GIS分析臺灣的地形,可以算出臺灣的平均坡度為25%,也就是14度。若我們以通往臺灣公路最高點-武嶺-的沿途道路作為比較標準,其道路的最大坡度也大約落在20%左右,可見臺灣的地形確實相當陡峭。

圖2、臺灣的坡度分級圖,資料來源:國土測繪圖資服務雲
圖2、臺灣的坡度分級圖,資料來源:國土測繪圖資服務雲
圖3、坡度單位的示意圖,修改自自行車筆記網站
圖3、坡度單位的示意圖,修改自自行車筆記網站
地質構造與坡地穩定性的關聯

在這項評比項目中,地質構造係指斷層、背斜軸、與向斜軸(圖4、圖5)。大部分的人或許不熟悉背斜與向斜,但看到「斷層」時,可能會直覺的將其與地震做連結,認為臺灣的地質破碎是因為斷層引發地震,導致山坡地變得不穩定。

不過,並非所有的斷層活動都會引起地震,首先需要考慮該斷層是否屬於「活動斷層」。根據地礦中心(前地調所)的調查臺灣地震模型(TEM)的研究,臺灣的活動斷層約30至40幾條(圖6),而其分布的位置主要位於都會區或都市周圍,和農村水保署關注的山坡地在空間上有一定的距離。

圖4、苗栗一帶的活動構造與相關地形,可以看到斷層(紅線)與變形的地層(向斜-syncline與背斜-anticline),取自Shyu et al.(2005)
圖4、苗栗一帶的活動構造與相關地形,可以看到斷層(紅線)與變形的地層(向斜-syncline與背斜-anticline),取自Shyu et al.(2005)
圖5、向斜軸與背斜軸的示意圖,圖片來源:Britannica
圖5、向斜軸與背斜軸的示意圖,圖片來源:Britannica

因此,當我們在解讀地質構造距離這項評比標準時,應理解成地質構造通過的位置,代表其曾經、或是正在經歷顯著的地殼變形,導致其岩層受到錯移或變形,岩體變得更為破碎,使該區域的地質材料強度降低。另一方面,斷層為結構上的弱面,可作為岩體的滑動面,所以當有斷層存在時,邊坡的穩定性就隨之下降。因此,離地質構造越近的區域,災害的發生度就越高。臺灣正經歷強力的造山運動,地殼變動十分劇烈,有豐富的地質構造,也是造成臺灣地質脆弱的其中一個原因。

圖6、臺灣的活動斷層分布圖,改自地調所(2021)與Shyu et al.(2020)
圖6、臺灣的活動斷層分布圖,改自地調所(2021)與Shyu et al.(2020)
順向坡地形

另外一項影響邊坡穩定的因素為順向坡地形,其廣義的定義為:「地形面與地層面的走向夾角在20度以內,且地形面的坡向和地層面的傾向一致」。由於地層面的定義為不同岩性之間的交界面,在結構上也屬於弱面,可做為其上方岩層的滑動面(圖7)。而水土保持技術規範還進一步分出危險順向坡,係指順向坡的岩層摩擦角需小於地層面傾角或地形坡角,且岩層有自由端出露。滿足上述條件的順向坡,將有更高的致災機率。

順向坡地形需同時滿足兩項以上的地質條件,除了地形面和地層面的走向不能相差過大,其傾向也須一致。此外,若有自由端露出、坡腳挖除的情形,則順向坡破壞的可能性又更大。所以在評估特定區域的地質是否脆弱時,還需考慮不同地質條件的組合,災害風險的評估才會更周全。

圖7、2010年發生在國道3號的順向坡破壞,黃色箭頭代表地形面,紅色線條示意地層面,可以發現地層面傾向與地形面的坡向一致,改自國道高速公路局北區工程處(2011)
圖7、2010年發生在國道3號的順向坡破壞,黃色箭頭代表地形面,紅色線條示意地層面,可以發現地層面傾向與地形面的坡向一致,改自國道高速公路局北區工程處(2011)
岩性因子:臺灣的岩石特別脆弱嗎?

根據土石流潛勢溪流劃設作業流程與方法(農村水保署,2023),岩性因子考量了岩石種類與地理環境。在過往的研究中發現,臺灣北部的凝灰岩(火成岩的一種)容易風化且結構脆弱,相較於以沉積岩或變質岩為主體的集水區,發生土石流的災害更高;但若參考國有林大規模崩塌潛勢區判釋及危險度評估(成功大學,2018),屬於變質岩的板岩區,發生崩塌的風險較高。

因此,當我們從岩體的角度思考臺灣的地質是否脆弱時,並非臺灣有哪些種類的岩石,導致岩體特別脆弱。而是因為臺灣處於活躍的造山帶,陡峭的地形本身不利於邊坡的穩定,加上地質構造與地震降低了岩體結構的完整度,使岩體強度下降(圖8),更提高了坡地災害的發生潛勢。環環相扣的地質條件導致了臺灣的地質脆弱,所以生活在島上的我們,需要在平時做足防災的準備,學習與坡地災害共存。

圖8、岩體強度分級圖,取自成功大學(2018)
圖8、岩體強度分級圖,取自成功大學(2018)
參考資料

文獻資料:
1. Shyu, J. B. H., Sieh, K., Chen, Y.-G., and Liu, C.-S. (2005). Neotectonic architecture of Taiwan and its implications for future large earthquakes. Journal of Geophysical Research, 110, B08402.
2. Shyu, J. B. H., Yin, Y.-H., Chen, C.-H., Chuang, Y.-R., and Liu, S.-C. (2020). Updates to the on-land seismogenic structure source database by the Taiwan Earthquake Model (TEM) project for seismic hazard analysis of Taiwan. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 31(4), 469-478.
3. 國立成功大學(2018) 。國有林大規模崩塌潛勢區判釋及危險度評估,共137頁。
4. 國道高速公路局北區工程處(2011)。國道3號 3K+100 崩塌事件動員救災與復原紀錄,共42頁。
5. 農業部農村發展及水土保持署(2023)。土石流潛勢溪流劃設作業流程與方法,共43頁。

網站資料:
1. Britannica: fold
2. 土石流及大規模崩塌防災資訊網
3. 山坡地土地可利用限度分類標準
4. 公視-我們的島:變形之島
5. 水土保持技術規範第三十一條
6. 地調所2021年新版活動斷層分布圖
7. 地礦中心-臺灣的活動斷層
8. 自行車筆記:坡度百分比
9. 國土測繪圖資服務雲
10. 單車時代:西進武嶺路段解析
11. 農村水保署-山坡地基本資料說明
12. 農村水保署-治山防災主題專區
13. 臺灣地震模型(TEM)

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