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教育部 98 年補助海洋科學及海洋生物科學教材 發展計畫-高中版海洋奧秘


高中版素材

素材名稱:海洋奧秘 計畫主持人 :王世英

館長

、 李昭興

計畫執行單位:國立教育資料館 協同主持人 :張正杰 曹瑞芸

教授

、 國立台灣海洋大學應用地球科學所

基隆市立安樂高級中學

資訊組長

基隆市立中正國中

教師

計畫期程:98 年 7 月 1 日- 99 年 6 月 30 日

教育部顧問室海洋教育先導型計畫 2


教育部顧問室海洋教育先導型計畫

目次 (頁碼)

I.

知識單元 第一單元

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海洋的誕生

壹、 學習目標(即教學目標) ………………………………………7 貳、 內文 ……………………………………………………………8 參、 學習評量,Q&A ………………………………………………16 肆、 編撰過程之參考資料…………………………………………18

第二單元

海底的擴張

………………………………19

壹、 學習目標(即教學目標)………………………………………19 貳、 內文……………………………………………………………20 參、 學習評量,Q&A ………………………………………………28 肆、 編撰過程之參考資料…………………………………………29

第三單元

生命的來源

…………………………………30

壹、 學習目標(即教學目標)………………………………………30 貳、 內文……………………………………………………………31 參、 學習評量,Q&A ………………………………………………41 肆、 編撰過程之參考資料…………………………………………42

第四單元

海底資源-重金屬與錳結核

………………………43

壹、 學習目標(即教學目標)………………………………………43 貳、 內文……………………………………………………………44 參、 學習評量,Q&A ………………………………………………53 肆、 編撰過程之參考資料…………………………………………54

第五單元

地震的由來

…………………………………55

壹、 學習目標(即教學目標)………………………………………55 3


貳、 內文 …………………………………………………………56 參、 學習評量,Q&A………………………………………………63 肆、 編撰過程之參考資料 ………………………………………64

第六單元

海嘯的產生

…………………………………66

壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………………66 貳、 內文 …………………………………………………………67 參、 學習評量,Q&A………………………………………………82 肆、 編撰過程之參考資料 ………………………………………83

第七單元

海底資源-天然氣水合物

…………………………84

壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………………84 貳、 內文 …………………………………………………………85 參、 學習評量,Q&A………………………………………………92 肆、 編撰過程之參考資料 ………………………………………93

第八單元

……………………………94

海底動脈-海底環流

壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………………94 貳、 內文 …………………………………………………………95 參、 學習評量,Q&A………………………………………………107 肆、 編撰過程之參考資料 ………………………………………109

II. 實驗單元 第一單元

金瓜石地質考察

…………………………111

壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………………111 貳、 實驗目的、材料、方法、結果與討論 ……………………112 參、 學習評量,Q&A………………………………………………115 肆、 實驗準備工作之步驟、方法 ………………………………116 伍、 編撰過程之參考資料 ………………………………………126

第二單元

……………………………127

海底漫遊體驗

壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………………127 貳、 實驗目的、材料、方法、結果與討論 ……………………128 參、 學習評量,Q&A………………………………………………133 肆、 實驗準備工作之步驟、方法 ………………………………134 伍、 編撰過程之參考資料 ………………………………………135 4


III. 素材全冊檔案光碟 ………………………………………136

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I.知識單元

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第一單元:海洋的誕生 壹、 學習目標(即教學目標) 知道海底的地形/地貌 知道海陸變遷的關係 知道水之於生命的重要性 知道海域疆土的概念

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貳、 內文

外太空中的地球 圖例出處:http://zh.wikipedia.org/zh-tw/File:The_Earth_seen_from_Apollo_17.jpg

太空中的地球 繁星點點,在浩瀚的宇宙當中,地球是最美的一顆星。她有著蔚藍的海水與天空, 朵朵白雲在廣闊的天空裡飄動著;看似不動的大地,其實充滿了蓬勃的活力。我們生活 在這個世紀,幾乎什麼都可以觀測得到,也幾乎什麼都可以測量得到。從太空我們可以 隨時可以監測著地球,看見颱風的形成和它的威力,也可看見土石流的兇猛;看得到無 8


情的森林大火,也看得到火山爆發的可怕。 我們可以利用地球物理方法中的磁力、重 力、地熱、電測、地震、和震測更深刻地瞭 解這個星球,我們也可利用海洋研究船來鑽 探岩心,做更多的海洋地質研究,以瞭解地 球環境的變遷與歷史。

海洋的誕生 海洋是如何誕生的呢?這必須從地球誕 生開始說起。大約在 46 億年前,地球與太陽 系的行星剛形成,初期的地球表面如同煉獄 太陽系的演化過程 修改自 The Dynamic Earth Fig.1.4, P.21.

般,大量的隕石受到地球引力的吸引,不斷 地以大規模撞擊著地球。地球的表面由於內

聚力轉化成熱能,於是岩漿海到

處瀰漫在地表上。由於地球物質分化的因素,輕的

物質留在表層並形成地殼,元素較重的物質形成地函與地核層圈。早期大氣裡的氫氣與 氦氣物質,因地球處於高熱狀況而逐漸散失,大量熔岩噴發出水氣、二氧化碳、氮氣等 物質,於是形成了原始的大氣。炙熱的地球隨著時間流逝而逐漸降溫。此時,蒸發的氣 體,在高空形成濃密的大氣,之後大量的降雨至地表,在地表低窪處形成海洋,這就是 海洋形成的可能過程。 然而,我們無法乘坐時光機回到過去,如何能得知原始的大氣成分呢?其實科學家 9


主要是依據火山噴發時所噴發的物質來推測大氣的原始成分。地質學之父赫登曾說過: 「現在是通往過去的一把鑰匙」,瞭解與觀測現在的地質作用,我們就可以回推從前的 地質環境。地質學家如同偵探一般,解謎著地球曾經發生過的事件,這同時也正是均變 說的理論含意。

海底地形介紹 從外太空看地球,最顯眼的就是那片廣大的海洋,因為地球的海洋面積佔了全部的 71%,陸地部分佔了 29%,海洋的面積顯然比陸地大了許多。我們從海陸分布圖可以 發現,陸地大部分集中在北半球,南半球主要是海洋。而由海岸線往深海走去就可以發 現大陸棚、大陸斜坡、大陸隆起、中洋脊與深海平原。大陸地殼主要由花崗岩質構成, 海洋地殼主要由玄武岩質構成。一般而言,大陸地殼平均厚度約 35 公里,海洋地殼平 均約 7 公里左右。 地球上最高的山脈為喜馬拉雅山,高度約 8844 公尺;最深的海溝在馬里亞納海溝, 深度約 10911 公尺深。前者是歐亞大陸板塊與印澳板塊碰撞所致,後者是太平洋板塊隱 沒菲律賓海板塊之處,兩者都是板塊碰撞所產生的構造現象。

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地球上海陸占地表的比率 修改自 The Dynamic Earth Fig.1.12, P.28.

我們如何得知海底地形的深度呢?主要是依靠船舶上的聲納系統來瞭解。聲波在海 底速度約每秒 1500 公尺,我們利用回波的往返時間就可以算出海底深度,一般可利用 底下公式換算: D=1/2 TX1500

T 為往返的時間

D 為深度

聲速每秒為 1500 公尺

隨著時代的進步,聲納系統從早期單波速測深,進步到多波速測深,現今的調頻式 多波束測深系統可得到更快更高解析度的海底地形,使我們能更真實地窺見海底面貌。 藉由多年的水深資料結果,我們可以發現全球的海底狀況。全球海底地形顯示出太 平洋邊緣的海大多為海溝環繞,所以大部份都是超過 5000 公尺以上的深海;這裡是板 塊與板塊之間的交會,也是主要火山分佈的地帶與地震的起源區。板塊交界的分布似乎

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和地震帶、火山帶有著密切的關連,前人的研究指出大地震大多來自海溝的附近,這同 時也是海嘯發生的起源,譬如 2004 年印尼爪哇大海嘯就是在這種地形下發生的。 由亞洲附近的海底地形圖可知,西太平洋有二個主要的邊緣海:西菲律海和南中國 海。西菲律賓海向北隱沒,造成琉球海溝(隱沒帶);而南中國海向東隱沒,造成馬尼拉 海溝(隱沒帶)。西菲律海和南中國海的海底地形都受到以上兩個隱沒帶的影響,造成許 多奇特的地形。這二個隱沒帶的交會,造成今日台灣陸上山脈的抬升與下降。我們再由 台灣附近的海底地形得知台灣南邊主要受馬尼拉隱沒帶的影響成為縱走的方向,北部則 主要受琉球隱沒帶的影響成為橫向的構造。台灣西部水淺,東部為深水地區,這些都受 到台灣造山運動的控制。附帶一提的是,澎湖水道就是先人渡海俗稱的「黑水溝」。台 灣西南部海底峽並列的地形構造,與天然氣水合物的生成有密切的關係。台灣東部海岸 陡峭,海底峽谷密佈,是沉積物和海底濁流的主要通道。

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台灣海峽水深圖 圖例出處:海科中心

海陸的變遷 十八世紀德國氣象學家韋格納提出大陸漂移學說。大陸漂移學說與中國成語所說 滄海桑田的觀念如出一轍,係以古生物、古氣候、地質岩層與海陸地形分布為證據, 說明遠古大陸聚合在一起,後經分裂散成數塊,形成現今的海陸分布。但因科學家無 法提出更具說服力的動力來源,使得這種說法後來消聲匿跡了許久,直到 1962 年時才 13


再次復活。1962 年時科學家提出海底擴張學說,並以海底地形、地球物理、沉積物當 做最主要的證據,在綜合以上兩個學說後,新的板塊構造學說被提出來,這就是現在 地質學奉為圭臬的新理論。 由地球物理和地質鑽井的證據,顯示大陸板塊曾經在 250 百萬年前是結合在一起 的,之後陸地逐漸漂移,而形成今天的板塊分佈。在大陸漂移的過程中,有新的海/板 塊出現,也有老的海/板塊消失(例如 Tethys Sea 和 Kula Plate)。這種山與海的聚 合/分散,即是板塊運動。板塊運動的主要作用有:(-)海底擴張;(二)隱沒作用; (三)弧陸碰撞; (四)轉型斷層。詳細的板塊邊界介紹將在後面的單元分別說明之。

水對地球系統的重要性 科學家在探測外星球是否有生命的存在時,都會先探測這個星球上是否有水的存 在,因為有水的地方,才會有生命存在的可能性。地球上的水扮演著很重要的角色, 在大氣循環上,地球系統裡的各層圈,例如水圈、生物圈、地圈與氣圈,彼此間巧妙 的互動關係,使得地球上生命得以蓬勃發展。板塊間相互的移動、聚合、錯動等作用, 也是因為水的存在才有這些現象。但是自詡為萬物之靈的人類總是肆意地浪費地球資 源,排放大量的溫室氣體,逐漸改變著地球氣候系統的平衡狀態,使得天災人禍不斷。 這正是所謂的「牽一髮動全身」 ,如此下去,地球系統的層圈終會有瓦解的一天,於是 如何去落實保護地球的政策,讓地球環境得以永續發展的議題將是未來人類必然要面 對的重要課題。

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海域彊土的概念 地球的陸上資源終有用完的一天,因此近年來各國在海洋的探測與研究不遺餘 力;能夠對海洋環境瞭解得愈多,未來的國力才能夠愈強大。因此各國從以往專屬的 兩百海里經濟海域(簡稱 EEZ),擴展到大陸礁岩地區,劃分更大的區域來探勘、開發與 養護海洋資源。 台灣位於西太平洋要衝區域,四面環海的台灣專屬經濟海域與周圍各國交互重 疊。對於這些海域的礁岩調查,有其必要性與重要性。進而瞭解台灣區域有用的海底 資源,將有助於未來台灣的經濟發展。海洋科學將是未來各國所必須投入的研究方向。

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參、 學習評量,Q&A 一、選擇題 (C)1.測量海底地形的方式主要是下列哪種儀器?(A)鹽溫深儀(B)浮球(C)聲納系 統(D)衛星測高儀器 (B)2.要瞭解地球層圈的分布主要是靠下列哪種儀器呢?(A)鑽井(B)地震波(C)空 中磁測(D)聲納 (B)3.造成南亞大海嘯的區域是位於何種板塊間界呢?(A)熱點火山(B)聚合型(C) 錯動型(D)張裂型 (C)4.喜馬拉雅山主要是哪兩個板塊碰撞所形成的呢?(A)歐亞板塊與太平洋板塊(B) 歐亞與菲律賓海板塊(C)歐亞板塊與印澳板塊(D)太平洋板塊與菲律賓海板塊 (D)5.國際法上規定,各國的經濟海域為多少海里呢?(A)20(B)50(C)100(D)200 (C)6.下列何者並非在板塊邊界的區域?(A)台灣(B)日本(C)夏威夷(D)喜馬拉 雅山 (B)7.下圖為多波束測得的水深資料,請問 A 點為何種海底地質構造呢?(A)大陸棚(B) 火山(C)海溝(D)大陸斜坡

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A

(A)8.地表最多的岩石為何?(A)沉積岩(B)火成岩(C)深成岩(D)變質岩 (B)9.地殼最多的岩石為何?(A)沉積岩(B)火成岩(C)深成岩(D)變質岩 (B)10.地球上最多的元素為何?(A)鐵(B)氧(C)矽(D)鋁

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肆、 編撰過程之參考資料(請按 APA 格式第五版撰寫) 教育部教育研究委員會 (2007) :海洋政策白皮書。台北:教育部。 高雄市政府海洋局(2009) :海洋新世紀-21 世紀藍色革命新時代。高雄:高雄市政府。 王執明、劉聰桂、陳培源、吳清吉、施學銘、陳明德、蔡文祥、馬麟驤、曾世彬、吳 育雅、謝莉芬(2003) :高級中學基礎地球科學全冊。台北:龍騰。 陳鎮東(1994):海洋化學。台北:國立編譯館。 陳汝勤、林斐然(1995):台灣附近之海洋地質。台北:經濟部中央地質調查所。 劉康克、劉家軒、方力行等(2002):二十一世界海洋台灣。台北:國家海洋科學研 究中心。

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第二單元:海底的擴張 壹、 學習目標(即教學目標) 知道全球板塊運動 知道中洋脊擴張中心的概念 知道轉型斷層的概念 知道隱沒帶的概念

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貳、 內文 地球的層圈 我們居住的地球半徑約為 6400 公里,赤道地區的直徑略大於南北極軸長。地表下 的岩石與物質一直是科學人想徹底探究的議題,但我們有辦法直接挖取到地表下的物質 嗎?答案是否定的,目前全世界最深的鑽井大概只能到地下約十五公里左右。隨著鑽探 深度的增加,其溫度與壓力亦會隨之逐漸增加,使得鑽探工作更加困難。因此,科學家 無法直接瞭解地球的層圈,只能利用地震波進行探測,間接得到地球的層圈分布。 地震學家利用震波在地表傳遞的速度變化不同,將地球分成三層,依序為地殼、地 函與地核。依照地震波傳播路徑的不同,可分為體波與表面波。體波可區分為 P 波與 S 波。P 波為縱波,可通過固態、液態與氣態。S 波為橫波,只能通過固態。地殼與地函 的交界地帶稱為莫氏不連續面,地函與地核的交界地帶稱為古氏不連續面。依據地震波 的速度變化,可區分出岩石圈與低速帶(軟流圈)。岩石圈就是我們通稱的板塊,包含 了大陸地殼、海洋地殼以及地函上部的區域。

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地震波在地球內部的速度變化。 高中基礎地球科學教科書龍騰出版社授權圖例

全球板塊運動 岩石圈浮在軟流圈上面,熱對流在中洋脊上升,在海溝處隱沒,因此造成板塊間的 相對移動。全球板塊可以區分出七大板塊與數個小板塊,不同的板塊界線可區分出三種 板塊邊界。台灣位於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊的交界處。 由上圖可得知海陸分的分布與板塊分布並不相同,一般而言,板塊包含了陸地與海 洋的區域,除了太平洋板塊之外,大部分的板塊都在海洋區域。 對照著板塊附近的地震情況,歷史上的大地震似乎與板塊運動有著顯著的關係。大 地震發生的位置似乎都在板塊邊界附近。比對板塊界線、地震帶與火山帶,我們發現當 中呈現著一定的關連性。由圖例中顯示板塊在隱沒的過程當中,一般而言,比重較大的 海洋板塊會隱沒到大陸板塊底下。當板塊在隱沒的過程當中,地震會呈現淺源、中源與 21


深源地震,就是所謂的斑尼奧夫帶,簡稱斑氏帶。因此,板塊邊界常是地震的易發區。

板塊隱沒的過程示意圖 修改自 The Dynamic Earth Fig.1.23, P.36.

張裂型板塊邊界 首先,我們先瞭解板塊的運動動力來源,由下圖 A 中得知,板塊的熱對流就如同裝 水的鍋子般,下面有熱源加熱,中央火力較為旺盛,鍋內熱源的熱對流上升,鍋旁兩側 的熱對流下降。在實際的海洋例子裡,地函的熱對流由大洋中洋脊上升,產生新的海洋 地殼,而中洋脊兩側厚重的海洋地殼隱沒到大陸板塊板塊之下。海洋地殼在中洋脊生 成,在海溝位置消逝,這樣的過程週而復始,最老的海洋板塊不超過兩億年,足以證明 板塊活動的運動歷程。 22


海底擴張的原理 修改自 The Dynamic Earth Fig.1.5, P.7.

岩漿在中洋脊上升的過程當中逐漸冷卻,溫度降到居里溫度後,新產生之岩石會記 錄當時的磁極方向。由於地球磁場每隔一定時間後就會反轉(這就是所謂的地磁倒轉), 於是地磁倒轉都會如實地記錄在海洋地殼當中。海洋科學家利用磁力偵測就可了解整個 地磁方向,再經過放射性定年後就可以當作一個地磁朝代。 利用海底潛水艇深入深海進入中洋脊地區後,可以看到地球化學的熱液循環,其中 底下稱為黑煙囪,噴著高溫的氣體,上面有些熱液群動物附著活動著。 底下中洋脊流出的岩流,受到低溫的海水影響,形成如流枕狀的熔岩流,一圈一圈 的如同薑岩一般。以往人們認為深海都是靜止不動的,其實深海是地球最活躍的區域之 一,這些熔岩也會記錄當時的磁極方向。利用 3D 技術模擬後,整個大洋的中洋脊就如 同一座世界最大的山脈,綿延著整個地球海底表面,上面的火山也可以很清楚的看出來。 張裂型板塊邊界在陸地與海洋都有例子,海洋的例子就是我們熟知的中洋脊,而非 23


洲紅海地區就是陸地上的例子。海底的板塊正在張裂當中,一般而言,張裂型板塊邊界 產生的斷層以正斷層為主,地震震源深度也較淺。

轉型斷層的概念 在兩個中洋脊的張裂系統中,可以發現一個線性斷層帶。在這兩個移動的塊體當中 唯一不變的斷層,稱為轉型斷層。轉型斷層在張裂型邊界中隨處可見。如下圖中可知, 轉型斷層在兩個磐面中間。左邊磐向南運動,右邊盤面向北運動;這兩個盤面主要受到 剪力影響,錯動的斷層線上會有地震帶產生。美國舊金山與洛杉磯地區就是受到轉型斷 層所切開,這個斷層名為聖安得列斯斷層,經常使得舊金山發生大地震,譬如 1906 年 曾發生芮氏地震規模 7.8 的地震,造成慘重的災情。 根據科學家近期研究得知,全世界 90%的石油來自於轉型斷層區的板塊運動,因此 利用地球物理的方法來探勘轉型斷層區域刻不容緩。

聚合型板塊邊界介紹 在人類歷史中,聚合型板塊邊界常常引發大地震,造成人員傷亡慘重。但全世界 90% 以上的板塊動力能源是來自於隱沒帶。由下圖的圖例中可知,海洋板塊隱沒到大陸板塊 底下,隨著地函熱對流從中洋脊開始,板塊在海溝處隱沒消失。但在隱沒的過程中常常 造成淺源、中源與深源的地震。兩個板塊擠壓聚合時,常有斷層帶產生,通常以逆斷層 為主。逆斷層主要受到壓力所致,其地震時,釋放出來的地震能量也較大。聚合型板塊 在海洋的例子以海溝為代表,陸地上的板塊聚合可以用造山帶運動為例。 24


聚合型板塊邊界示意圖 修改自 The Dynamic Earth Fig.1.18, P.32.

當兩個板塊聚合時,密度較大的海洋板塊會隱沒到陸板塊之下,隨著作用時間的持 續,海板塊會逐漸消逝在隱沒帶當中。當兩個陸板塊碰撞時,大陸板塊本身的厚度較厚, 因此常形成大規模的造山帶,例如喜馬拉雅山就是一個鮮明的例子。

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兩個板塊聚合示意圖 修改自 The Dynamic Earth Fig.1.23, P.36.

綜觀全球板塊界線的地震震源分布圖中可知,全球主要地震帶包含環太平洋地震 帶、歐亞南緣地震帶與中洋脊地震帶。圖中顯示環太平洋地震帶,地震發生的次數多且 地震呈現斑氏帶。地震震源按照地震深度可分為淺源地震(地震深度 0-70 公里),中源 地震(地震深度 70-300 公里),以及深源地震(地震深度 300 公里以上)。

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板塊隱沒時,地震震源分布圖 修改自 The Dynamic Earth Fig.15.17, P.447.

環太平洋的國家常發生地震,例如日本與台灣地區,經常造成一定程度的危害。由 台灣 1991 至 1997 年的地震震源分布圖可知,台灣的地震帶主要在東北部、東部及西部 地區。東部與東北部地震的深度呈現淺源、中源與深源地震。台灣的西部地區地震震源 深度都比較淺,深度大都在 15 公里以內。 我們由震源分布圖也可判斷出板塊的邊界。菲律賓海板塊向北隱沒到歐亞大陸板塊 之下,而東側的區域乃歐亞大陸板塊隱沒至菲律賓海板塊之下。其中板塊的交界以花東 縱谷為界,花東縱谷以西的海岸山脈為菲律賓海板塊,花東縱谷以東的中央山脈為歐亞 大陸板塊。

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參、 學習評量,Q&A 選擇題 (B)1.台灣位於哪兩個板塊交界地帶呢?(A)歐亞板塊與太平洋板塊(B)歐亞板塊與 菲律賓海板塊(C)歐亞板塊與印澳板塊(D)印澳板塊與太平洋板塊 (A)2.下列何者板塊邊界較容易找到熱液噴泉生物群?(A)張裂型板塊(B)聚合型板 塊(C)錯動型板塊 (A)3.造成台灣地震傷亡慘重的地震帶主要位於(A)西部地震帶(B)東部地震帶(C) 東北部地震帶 (B)4.下列何者地震震源深度呈現斑尼奧夫帶呢?(A)張裂型板塊(B)聚合型板塊(C) 錯動型板塊 (C)5.地球的的分層當中,可者厚度最厚?(A)地殼(B)地函(C)地核(D)岩石圈 (A)6.下列何種地震波速度最快?(A)P 波(B)S 波(C)表面波 (C)7.關於地球的層圈與主要岩石配對,下列何者正確?(A)大陸地殼-安山岩(B)海 洋地殼-花崗岩(C)地函-橄欖岩(D)地核-流紋岩 (C)8.下列何者並非在板塊的邊界地帶?(A)台灣(B)喜馬拉雅山(C)夏威夷(D) 冰島 (D)9.台灣附近的離島大都是火山島,請問下列何者並非火山島?(A)龜山島(B)基 隆嶼(C)綠島(D)小琉球 (B)10.台灣地區板塊的交界地帶在哪個地區呢?(A)中央山脈(B)花東縱谷(C)海 岸山脈(D)花東海岸線 28


肆、編撰過程之參考資料(請按 APA 格式第五版撰寫) 教育部教育研究委員會 (2007) :海洋政策白皮書。台北:教育部。 高雄市政府海洋局(2009) :海洋新世紀-21 世紀藍色革命新時代。高雄:高雄市政府。 王執明、劉聰桂、陳培源、吳清吉、施學銘、陳明德、蔡文祥、馬麟驤、曾世彬、吳 育雅、謝莉芬(2003) :高級中學基礎地球科學全冊。台北:龍騰。 陳鎮東(1994):海洋化學。台北:國立編譯館。 陳汝勤、林斐然(1995):台灣附近之海洋地質。台北:經濟部中央地質調查所。 劉康克、劉家軒、方力行等(2002) :二十一世界海洋台灣。台北:國家海洋科學研 究中心。

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第三單元:生命的來源 壹、 學習目標(即教學目標) 知道最古老的化石來自海洋 知道海水與動物血液的成分最為接近 知道海底耐酸、耐熱、又耐高壓的生物 知道海底火山及其海洋生態

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貳、 內文 生命的起源 在 45 億年前,地球誕生後,很可能混濁不清,火山林立、是一個很惡劣的生活環 境。經過一段大約 10 億年長時期的冷卻,這時候的海洋逐漸適合生物的成長。一種微 小的單細胞或多細胞,便在海洋開始成長。再經過 10-15 億年的演化,海洋就出現大型 且構造複雜的生物,這便是地球上最古老的海洋生物化石。科學家利用放射性定年方 式,將地層的絕對年代訂定出來,並且比對當時的化石記錄,得到了地質年代表。地質 年代表中可讓我們瞭解時間的順序與生物出現的年代記錄。

各種生命來源的理論 生物學家為了探索生命的來源,並瞭解古今生物間的關係,經過長時間的討論和證 據蒐集後,便提出各種不同的演化學說。其中以達爾文的「進化論」最為人接收。達爾 文在其出版的「物種原始」書裡,指出生物的演化,是以持續且極其緩慢的速度在進行。 主張「物競天擇,適者生存」的理論。中國人認為是女媧造人與盤古開天地的概念。而 西方的創造論者任微生物是由上帝所創造。兩者,似乎觀念與概念是壘同。於是科學家 藉由對生活事物的觀察,提出了「自生論」 、 「生源論」 、 「地球生命論」 、 「宇宙胚胎種源 論」和「化學進化論」等假說,來試著闡述生命的起源。

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達爾文照片與物種原始一書 The Origin of Species

物種原始一書

物種原始一書

自生論 古代的人們看到腐屍上、糞便裡長出了蛆蟲或是糧食放久了生出蛀蟲,便以為生 物是直接由無生命物質產生出來的。中國著名的思想家荀子在勸學篇中提到:「萬物各 得其和以生,各得其養以成」 、 「肉腐出蟲,魚枯生蠹」 、 「積水成淵,蛟龍生焉」 ,意味 著萬物順應天理,在協調的發展下,便能促使生命誕生。 32


希臘哲學家亞里斯多德曾認為:「魚由淤泥及沙礫發育而成」; 另一位希臘哲學家 德謨克利特則認為:「萬物是由原子和虛空組成的,原子在虛空中以不同的秩序和位置 結合,產生各種物體」。後來他們的學說被歸結為「非生源說」或「自然發生說」,簡 稱「自生論」 。

生源論 1668 年,義大利一位醫生雷迪對「自生論」產生懷疑,決心親自做一個實驗,看 看腐肉到底是怎樣生出蛀蟲的。他把肉分為兩份,分別放進兩組容器中,其中一組容 器是敞開的,另一組容器則蓋上了紗布。實驗結果,蓋了紗布容器內的肉,沒有一塊 是長蛆蟲的;而不蓋紗布、有蒼蠅叮過的肉,則長出蛆蟲。因此雷迪用實驗證明了: 腐肉不可能自然地長出蛆蟲來,蛆蟲是由於蒼蠅在腐肉上產卵後孵化而生的。 1860 年,法國為生物學家巴斯德,決定再做次實驗,以判定微生物的來源。他發 現酒和醋的釀造是因為微生物產生的發酵作用而完成,一些物質的腐敗也是微生物活 動引起的發酵過程,並不是發酵或腐敗產生了微生物,於是巴斯德創立了發酵原理, 指出發酵是微生物在沒有空氣情況下的一種特殊的呼吸作用。並證明:無論結構簡單 或複雜的生物都不可能由非生物物質自然地直接生成。 接著,巴斯德提出生物只能由其親代或孢子產生,以及「一切生物來自生物」的 結論,這理論被稱為「生源論」 。從此在學術界,自然發生說退出了歷史舞臺,生源論 佔據領導地位。然而,生源論並沒有解答出最早的生命是如何誕生的問題。

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地球生命論 「地球生命論」認為生命是在地球上自然形成的。1953 年美國大學生米勒的實驗 證明,生命的單位-胺基酸能從幾種簡單的無機物化合物中得到。之後「地球生命論」 又分裂成「泥土說」和「去氧核糖核酸說」兩派。 「泥土說」是指原始的泥土礦物能自發地進行化學反應產生胺基酸,而胺基酸是 組成生命的基本單位。也因此在大約 40 億年前,地球上才第一次出現生命。從 70 年 代起,美國太空總署的科學家為了證實這個理論,進行了一系列試驗,他們發現普通 黏土確實有儲存和傳遞能量的功能,而這兩種功能對形成生命是不可或缺的。 「去氧核糖核酸說」是美國史丹福大學的斯坦利科林博士與哈佛大學的沃爾塔吉 伯特博士在日本東京召開的國際會議上所發表的新見解。根據這種假說,地球上最早 出現的生物遺傳因子以去氧核糖核酸形式出現,使下一代能夠從上一代那裡繼承這種 遺傳物質,進而形成生命。 兩種說法不同但也一致性的看法是:無論第一批生命以什麼形式出現,都必須具 有自我複製和攜帶遺傳訊息的能力。

宇宙胚胎種源論 「宇宙胚種源論」認為,地球上的生命是從天而降的,藉著隕石、彗星等載體而 降落到地球上,並認為宇宙空間普遍存在著生命物質。地球上最初的生命可能來自宇 宙間的「胚種」 ,生命的「胚種」可以從一個天體遷移到另一個天體;只要到達適合於 生命「胚種」生長發育的天體, 「胚種」就能繼續生長,並成為該天體所有生物的祖先。 34


美國太空總署的空間物理學家穆馬及德國來頓大學的天體物理學家格林伯格便主 張,地球生命之源可能來自 40 億年前墜入海洋的一顆或數顆彗星。他們認為,星際空 間中含有大量的塵埃,這些塵埃經過恆星等發出的紫外光照射後可以轉變為有機物 質,其中包括生物不可缺少的胺基酸等。

化學進化論 科學家恩格斯主張:生命是地球上的自然物質經運動變化,由簡單的無機物,逐 步形成複雜的有機物;再從複雜的有機物中,逐漸形成能與外界進行物質和能量交換 「活」的物質,這就是最初的生命。科學家們推斷,地球誕生之初是一顆熾熱的火球。 地球上的一切元素都呈現氣體狀態,那時候地球上絕不可能有生命存在。而隨著地球 溫度慢慢降低,在地球中心逐漸形成固體的行星胚胎,外層則是地球的第一代大氣。 對於第一代大氣,人們所知不多,但科學界公認它的主要成份是氫和氧。不過第一代 大氣壽命不長,只存在了幾千萬年,就在太陽風威力巨大的掃蕩下,掙脫了地球的引 力,遨遊太空而去。 由於地球形成過程中內部劇烈的變化,火山活動頻繁。地球內部物質分解產生的 大量氣體,隨火山噴發而衝破地殼,逐漸形成第二代大氣,也就是原始大氣。原始大 氣的成份眾說紛紜,但較多的人認為其主要成份為甲烷(CH4) 、氨(NH3) 、水蒸氣(H2O) 、 一氧化碳(CO) 、二氧化碳(CO2) 、硫化氫(H2S)等。它和現在大氣成份完全不同,不 是以游離氧、氮的分子狀態出現,而是以化合物的形式存在。這些化合物會使生命窒 息或中毒,但卻是地球上產生生命物質最原始的材料。 35


動物血液的成分 科學家利用化學的分析方法,得知生物體當中水的含量是最多。生物體由海洋環 境當中逐漸演化至陸上動物。然而我們去分析海水的成份與動物體中的血液成份是相 近,海洋是一個孕育生物的良好環境。因此,科學都認為有水的地方,才有生命的概 念,深植在科學家的頭腦當中。故在探測星外星球的時候,水就是一個 生命的指標之一。

嗜極生命的挑戰 1970 年代末期,在達爾文進化論的催生地-加拉巴哥群島(Galapagos Island)和東 太平洋海脊(East Pacific Ridge)的海底火山,探勘到噴出攝氏 350 度超高溫熱水和 大型海底熱液噴泉。之後,相繼在大西洋的中洋脊和島弧後方的弧後擴張中心,甚至 海溝深度地體活躍的地方,都能發現這種熱液噴泉及其特殊海洋生物密集的生態系 統。這種海底耐酸、耐熱、又耐高壓的生物,稱為嗜極生命。 地球是人類目前所知唯一具有生命的星球。生命具有高度的複雜結構,這種複雜 度建立在生命體獨具的特殊化學物質。由這些化學物質的模擬實驗中,知道生命因組 成是可以在非生物的條件下合成。因此,科學家認為原始海洋中應包括墜落於地表的 隕石、慧星攜帶的物質、以及蛋白質的單元體-胺基酸。透過相互聚集或吸附在黏土表 面,加上反覆隨機性聚合,慢慢生長而形成具有自我複製功能的 RNA。在 DNA 和 RNA 的合作下,除了原有繁殖和代謝功能,增加了催化功能。這種「共生」的關係,是生 命誕生的最重要事件。 36


台灣附近的熱液噴泉 由台灣附近的水深圖可知,位於東北角海 域的沖繩海槽區域,似乎有一連串的海底火山 地形。為了探究海底火山的分布與噴發狀況, 台灣與日本合作探究台灣附近的海底火山。台 灣首位進入日本深海 6500 的潛水艇科學家-李 昭興教授(如左圖),研究團隊發現火山的熱液 噴泉。台灣的東北角海域,龜山島唯一個活火 山島,旁邊就可以看到熱液噴泉,旁的裂口到 處都是黃色的硫磺物質。南沖繩海槽的區域, 可以看到一連串火山口,藉由深海潛水艇可看 到一些苔貝類的熱液生物,密密麻麻的附著在 噴泉的附近,並且活躍的到處爬行,在這高溫、 李昭興教授與日本深海 6500 合照

高壓、高酸性的附近,到處有生命的存在。

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沖繩海槽的海底地形

海底噴泉的蟹類

多音速聲納海底測繪儀所位置出的詳細南沖繩海槽海底形貌

海底火山及其海洋生態環境 在海底的熱谷當中的裂隙冒出高溫的海水,在高溫的水中硫酸鹽被還原成硫化 氫。而細菌利用硫化氫進行代謝作用,並寄生在蛤蚌和管蟲的體內,並且生長在熱液 38


噴泉的周圍。這些生物不是進行光合作用,而是化學合成作用(chemosysnthesis), 與多數的生物進行的方式截然不同,在這黑暗、高壓、環境高溫之下存活下來,似乎 是生存在深海的綠洲一般。管蟲沒有眼睛、嘴巴與消化道,主要依靠身體內的細菌生 存,透過管口的紅色噴口,吸收水中的氧與其他無機化合物。管蟲不能移動,但有雌 雄之分,但可有可能是藉著水中的散播精子與卵子繁殖。熱液溫泉旁也常見簡單的貝 類(Archaeogastropoda) ,除了發現的化石與這些種類相似,這些生物可能已經滅絕。 在這些環境之下,還可以發現各種海葵(Actinarians)、甲殼蟹類( Bythograea

thermydron)、甲蝦類(Munidopsis)以及一種腸鰓動物(enteropneust),類似義大 利麵條一般群聚在一起。

海底黑煙囪

熱液噴泉發現的蟹類

Hashimoto et al.,1995; Bada Williams, 1998 found in Bismarck and Mid-Okinawa Trough.

Hashimoto et al., 1995; Baba and Williams, 1998 found in Bismarck and Mid-Okinawa Trough

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熱液噴泉發現的蟹類 Lee and Chung, 1999;Chen et al., 2000 collected from a dredge hull in South Okinawa.

熱液噴泉旁的蟹類 Matsumoto et al., 2002 - Shinkia-6500 dives around No. 5 Seamount.

傳統的海洋生物科學認為生物集中在淺於 200 公尺的陽光照射區,依賴「光合作 用」的運作,生命得以繁衍和生存。但新興的海洋生物科學卻發現許多生物能夠在極 端惡劣的生活環境中生活。他們嗜熱、嗜酸、耐壓的特性,被相信是生命的起源。海 底火山及其相伴隨的熱液循環,可能是未來人類新資源的標地。因此,深入海洋是未 來的趨勢,也是未來陸上資源缺乏後,所要依賴的地方。深入海洋去開發更多的新興 科學。

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參、 學習評量,Q&A 一、選擇題 (D)1.下列台灣附近的離島是活火山呢?(A)基隆嶼(B)小琉球(C)澎湖群島(D) 龜山島 (D)2.下列何者並非熱液噴泉的環境?(A)高溫(B)高壓(C)高酸性(D)陽光充足 (D)3.下面哪些區域並非是嗜極地區呢?(A)深海(B)火山溫泉(C)鹽分地帶(D) 潮間帶 (B)4.熱液噴泉中的生物與細菌進行何者化學反應呢?(A)光合作用(B)化學合成作 用(C)成岩作用(D)氧化作用 (D)5.最初地球的生命可能源自於何處?(A)潮間帶(B)植物群集(C)原始的大氣中 (D)火山噴泉

二、思考題 1.請問熱液噴泉的生物與光帶中的生態環境有何不同? 區域

環境

光帶

低溫、低壓、浮游生物群集多

熱液噴泉

高溫、高壓、特殊的熱液生物

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肆、 編撰過程之參考資料(請按 APA 格式第五版撰寫) 教育部教育研究委員會 (2007) :海洋政策白皮書。台北:教育部。 高雄市政府海洋局(2009) :海洋新世紀-21 世紀藍色革命新時代。高雄:高雄市政府。 王執明、劉聰桂、陳培源、吳清吉、施學銘、陳明德、蔡文祥、馬麟驤、曾世彬、吳 育雅、謝莉芬(2003) :高級中學基礎地球科學全冊。台北:龍騰。 陳鎮東(1994):海洋化學。台北:國立編譯館。 陳汝勤、林斐然(1995):台灣附近之海洋地質。台北:經濟部中央地質調查所。 劉康克、劉家軒、方力行等(2002) :二十一世界海洋台灣。台北:國家海洋科學研 究中心。

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第四單元:海底資源-重金屬與錳結核 壹、 學習目標(即教學目標) 知道海底熱液循環與重金屬的富集 知道錳結核的海底資源 知道深海探勘的科學工具

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貳、 內文 深海熱液循環 1977 年美國潛水艇「Alvin」在東太平洋海洋山脊探測到水溫高達 350°C 的熱液噴 泉,並且有大批的生物群集在「黑煙囪」狀的噴水口後,幾乎把人類對於深海環境的觀 念完全改變了。緊接著,法國潛水艇「Nautile」在大西洋的中洋脊上,以及日本「深 海 2000」/「深海 6500」在日本火山島弧、馬里亞納海槽、沖繩海槽和印度洋中洋脊上 也都相繼發現熱液噴泉。海底熱液噴口周圍「黑煙囪」湧出大量的鐵、錳、銅和鋅等金 屬離子。它是海水與岩漿交換離子的重要管道。世界上百分之八十以上的金屬礦產(包 括金和銀)都是經過這種熱水作用產生的。日本人曾在沖繩海槽中部的一熱液噴泉口發 現可觀的金子成分。金瓜石位處於基隆火山的週圍,它也是熱液循環系統的一部份,所 以它曾經是台灣最重要的金礦。這些年來,金礦存量並沒有減少(大約是 3 百萬分之一, 也就是每一噸的岩石,可以冲刷出 3 克的金子)。但因為觀光產業的發展,如果要開採 這些金子,必須要浪費很大的輻地來處理這些 99%以上的廢石,所以以經濟的觀點來看 今天的金瓜石金鑛,它並不值得開採。

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聲納探測出海底火山

聲納探測出海底火山

李易隆,2004

李易隆,2004

深海的礦產資源 吳季莊,個人通訊

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到目前為止,全世界海底熱液噴泉周圍發現的生物,有些相同,但也有很多不同的 生物種類。不過這些生物都是依靠熱液供給的硫化氫和碳氫化合物為主要食物。科學家 認為地球上的生命大約在三十億年前就誕生在海洋。海水中的物質和生物細胞的組成非 常相近;加上四億年前的生物都是海洋古生物,這些都是印證生命起源於海洋的說法。 海底熱液噴口周圍出現一個與太陽「光合作用」完全不相干的生態系統。它被許多科學 家認為是地球最初的生命起源地。這個學科可能是這個世紀最受矚目的生命科學。

沖繩海槽海底火山的蟹類(水深 1347 米)

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沖繩海槽海底火山的扇貝類

錳結核的海底資源 台灣東部的深海海床(5000 公尺)之上,在 45 百萬年以前,可能因為快速的海底擴 張(8-10 公分/每年),便得海床之上火山林立。因為火山的熱液循環作用,使得重金屬 礦物得以自深層地殼洄游上來,而得以覆蓋在岩床或岩石之上, 這些都變成今日富錳 鎳、鈷和銅的錳岩礦和錳結核。目前還沒有達到開採的經濟效益,但當陸上的資源枯竭 以後,它們將是明日的主要礦產資源。

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台灣與日本地區海底地形 許樹坤,個人通訊

深海探勘的科學工具 一般深海探勘工具分成兩種,一種為無載人的(簡稱 ROV, AUV, Glider) ,另一種 為有載人的(Submercible) 。

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無載人的遙控潛器 Remote Operated Vehichle (ROV) http://www.uchinome.jp/event/otherevent/event17_2.html

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無載人的遙控潛器 http://www.uchinome.jp/event/otherevent/event17_2.html

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http://nippon.zaidan.info/seikabutsu/2001/00859/contents/00014.htm

ShinKai 6500 深海潛艇

ShinKai 6500 深海潛艇透視圖 http://nippon.zaidan.info/seikabutsu/2001/00859/contents/00014.htm 51


李昭興教授與 ShinKai 6500 深海潛艇合照

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參、 學習評量,Q&A 一、單選題 (A)1.第一台發現熱液噴泉的深海潛水艇為何?(A)Alvin(B)Nautile(C)ShinKai 6500 (D)核子潛艇 (C)2.海底可發現一些重金屬富集,主要原因為何?(A)沈積作用(B)沈澱作用(C) 熱液作用(D)風化作用 (D)3.經過探勘後,金瓜石的黃金產生量,每噸可以大概產生多少黃金呢?(A)3000 克(B)300 克(C)30 克(D)3 克 (D)4.台灣地區哪些為活火山島呢?(A)金門(B)基隆嶼(C)小琉球(D)龜山島 (D)5.下列何者並非是熱液作用下產生的資源?(A)金(B)錳礦(C)銅礦(D)玻璃

二、開放題 地球上的陸上資源逐漸用磬,請問海洋有哪些資源可以開採呢?需要考量到哪些面向 呢? (1)常見的有鋅鉛銀金銅鈷鎳錳礦產。 (2)考慮海洋環境的維護以及永續發展,避免開採時污染了海洋環境,進而影響到海 洋生態

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肆、 編撰過程之參考資料 教育部教育研究委員會 (2007) :海洋政策白皮書。台北:教育部。 高雄市政府海洋局(2009) :海洋新世紀-21 世紀藍色革命新時代。高雄:高雄市政府。 王執明、劉聰桂、陳培源、吳清吉、施學銘、陳明德、蔡文祥、馬麟驤、曾世彬、吳 育雅、謝莉芬(2003) :高級中學基礎地球科學全冊。台北:龍騰。 陳鎮東(1994):海洋化學。台北:國立編譯館。 陳汝勤、林斐然(1995):台灣附近之海洋地質。台北:經濟部中央地質調查所。 劉康克、劉家軒、方力行等(2002) :二十一世界海洋台灣。台北:國家海洋科學研 究中心。

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第五單元:地震的由來 壹、 學習目標(即教學目標) 知道全球地震分布 知道太平洋地震帶 知道台灣地震的特性 知道地震防災的要點

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貳、 內文 當地殼無法承受來自板塊所產生的壓力,而地殼自然的斷裂,是謂地震。地震發生 的地方,稱為震源。震源的垂直投影到地表,稱為震央。震源與震央的距離稱為地震深 度。一般斷層的形式可分為平移斷層(左移、右移)、逆斷層與正斷層。然而地震帶的 分布情況為何呢?請看底下全球地震帶分布圖。

地震發生的原因地殼擠壓。 修改自 The Dynamic Earth Fig.15.1, P.433

統計 1963 年至 1998 年約有 35 萬次有感地震,每天平均有 27 次地震,地震帶的分 布似乎集中在一些地區,與火山帶分布、分布似乎有一定的關係。板塊邊界可分為張裂 型板塊邊界、聚合型板塊邊界與錯動型板塊邊界,全世界地震帶可分為環太平洋地震 帶、中洋脊地震帶與歐亞地震帶。其中台灣位於環太平洋地震帶,地震次數多且造成的 災害也大。大平洋火圈主要是隱沒帶的板塊所致,板塊隱沒的過程中,地震震源呈現淺、 56


中、深的分布,一般稱為斑尼奧夫帶。由近五十年來的大地震分布可知,全球的大地震 大都分布在環太平洋隱沒地帶,這顯示出 90%以上的板塊動力來源,主要來自於隱沒帶 地區。台灣位於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界隱沒地區,因此發生地震的機率也 大。台灣地區的地震帶可區分成西部地震帶、東部地震帶與東北部地震帶。其中西部地 震帶震源淺,人口居住的密度高,因此,造成的傷亡也慘重。由地震的震源分布圖可知, 台灣大部分的地震來自海洋,大的地震也大部分來自於海洋。

台灣的地震與地體構造(1900-1996) 中央大學應用地質研究所

我們由台灣附近的地震帶分布可知,台灣東部的地震分布,由南向北變深,台灣南 部則是由東向西變深,形成雙隱沒帶。板塊邊界的分界以花東縱谷為界,以西的海岸山 脈為菲律賓海板塊,以東的中央山脈為歐亞大陸板塊。 57


台灣附近的地震,雙隱沒帶 Sibuet, J.-C., Hsu, S.-K. How was Taiwan created?

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Tectonophysics, (2003)


而東北部地震帶,主要是菲律賓海板塊向北隱沒時,所造成。並且由於弧後擴張, 地震的次數也較多。因此,台灣地震最多的地方在那邊呢?正是在東經 120 度,北緯 30 度左右的位置。 我們由台灣的地體構造來看南部地區,向東隱沒帶的分布。就可清楚看到歐亞大陸 板塊隱沒到菲律賓海板塊的位置。

台灣向東的隱沒帶 修改自 Lallemand et al., 2001 S. Lallemand, Y. Font, H. Bijwaard and H. Kao, New insights on 3-D plates interaction near Taiwan from tomography and tectonic implications, Tectonophysics 335 (2001), pp. 229–253.

菲律賓海板塊以東北方向擠壓擠壓歐亞大陸板塊,形成了台灣的造山運動,就如同 推土機模式一般,有西向東擠壓,因此形成一連串的造山運動與山脈。然而,在擠壓的 過程當中,形成了一連斷層帶,主要以逆衝方式擠壓而成。這些活動斷層常是造成西部 麓山帶地區的主要因素。因此,台灣的十大地震災害,主要都是發生在西部地區。

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台灣十大災害性的地震 黃雯苓,個人通訊

台灣位在歐亞板塊與菲律賓海板塊碰撞帶上,全島約有 51 條活動斷層,斷層活動 常造成災害性地震(張徽正、林啟文、陳勉銘、盧詩丁,1998) 。相較於其他自然災害, 地震所造成的傷亡最大。台灣島上的人民對於地震活動現象,一點也不陌生。根據中央 氣象局所公布的台灣百年來地震資料,顯示台灣地震災害與規模大於 6 的地震次數,總 共發生了 89 次,死傷人數估計約 5000 多人,房屋倒塌約 11 萬間。近十年來,地震傷 亡以九二一大地震最慘重,震後的經濟損失難以估計。此次大地震後,行政機關與教育 體系才察覺到地震防災的不足,也體認到地震防災的重要性。以同樣位於環太平洋地震 帶的日本為例,日本的各級學校,從幼稚園至中學都相當重視地震的避難演習,所有行 政人員與教師都需參加地震相關的研習課程。例如日本阪神地區的幼稚園,幼稚園每月 都有防災相關的演習活動,包含地震、火災演練及地震逃生的演練,足見日本教育中對 60


於地震防災減災的重視程度(趙芳兒,1999) 。在日本的小學與中學地震防災教育方面, 不僅課程中有提及地震防災資訊,也結合了家庭與社區的互動模式,防災訓練也更為落 實,當發生地震時,學生與居民能夠從容應付與避難,以達到防災與減災之目的。 國內在地震防災研究上,多偏重於地震科學理論研究,在地震防災教育上討論篇幅 少。在地震防災課程研究上,林秀梅(2000)指出國中課程在地理、地球科學、健康教 育、童軍等課程被提及,但主要的地震相關概念內容在國、高中地球科學科。張鈺梅 (2004)指出在國小高年級學童地震相關板塊概念之研究中,東部地區花蓮縣國小高年 級學童在「板塊構造與運動」 、 「台灣板塊概念」和「板塊構造造成的地質現象」概念分 數上均低於北區的桃園縣與中區南投縣學童的分數。研究顯示國小不同區的學生在地震 相關概念上有區域性的差異性。洪淑琳(2003)研究顯示台北市國小高年級學童的地震 相關概念研究中,孩童的地震相關概念主要來自電視新聞、爸爸媽媽或家人、電視宣導 短片、網際網路、學校師長、百科全書、地震博物館和報紙。吳佳蓉(2004)研究台北 市國小中低年級學童對於地震相關概念上,學童獲取地震相關消息的主要來源為老師、 父母、電視、課外讀物及防災科學教育館。以上研究可知國小階段的地震防災概念上, 正式課程所教導的課程內容有限。黃明豐(2002)研究指出國小學生對於地震相關概念 普遍存有迷思概念,內容包含地震的形成原因、地震規模與強度、預測地震與減少地震 災害。分析國中階段地球科學課本僅中提到「地震成因」 、 「地震觀測」及「地震造成的 災害」等,課程內容並無教導學生相關的地震防災概念及防災技能。高中階段地震防災 課程主要概念內容為全球地震帶分佈、地震規模與震度、中央氣象局地震強度分級表、 地震災害、九二一地震、台灣的歷史地震、活動斷層(現象)、地震預測、防災技巧等 61


內容,整體內容偏重於地震的知識層面上,防減災仍嫌不足。且國、高中階段地震防災 內容連貫性不夠,也過於分散未能統整。綜觀中外關於地震防災國高中教育研究文獻相 當稀少,然而對台灣而言,加強地震防災教育研究有其必要性、重要性與急迫性。在國 外地震的迷思概念研究文獻上,針對大學生對於火山與地震的相關概念,以開放式問卷 測驗,主要探討大學生對於火山及地震相關議題上,大學生對於火山活動與地震現象產 生原因,存有不少迷思概念(Barrow & Haskins, 1996)。在針對國小學生地震概念之 迷思情況,學童主要在地震發生的原因與預測地震存有迷思概念(Ross & Shuell, 1993)。國內研究上,國小學童地震迷思概念上,研究指出國小高年級學生對「地震形 成原因」 、「地震強度與規模」 、「預測地震」 、「減少地震災害」存有迷思概念(黃明豐, 2002)。針對高中生對於地震發生常見的迷思概念有「震央與震源」、「地震震度與地震 規模」 、 「斷層的形式」 、 「台灣的板塊位置」 、 「板塊交界的地質現象」及「現階段地震預 測之限制」 (葉婉儀,2003) 。在國高中地震防災教育概念大規模的調查研究上較為缺少。 因此,我們要瞭解地震的由來,並且加強全民地震與防災的教育/演練,除此之外,還 要加強公共設施的安全。科學界也要加強地震預警與地震預報。以達到減災防災的需求。

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參、 學習評量,Q&A 一、選擇題 (D)1.台灣地區地震次數最多的地方在個區域呢?(A)北部(B)西部(C)東部(D) 東北部區域 (A)2.台灣東部的地震主要是什麼板塊隱沒呢?(A)歐亞板塊(B)太平洋板塊(C)菲 律賓海板塊(D)印澳板塊 (C)3.台灣的板塊邊界的交界處在哪個區域呢?(A)海岸山脈(B)中央山脈(C)花東 縱谷(D)雪山山脈 (C)4.下面何者與板塊邊界並無關係?(A)地震(B)中洋脊(C)熱點火山(D)隱沒 帶 (B)5.全世界五十年來的大地震主要都是發生在哪個區域呢?(A)張裂性板塊邊界(B) 聚合性板塊邊界(C)錯動性板塊邊界(D)熱點火山 (C)6.中央氣象局的地震震度分級,現在分為幾級呢?(A)五級(B)六級(C)七級(D) 八級 (B)7.台灣地區歷史地震當中,發生傷亡慘重的區域主要是在那邊呢?(A)東部(B) 西部(C)東北部(D)中央山脈 二、思考題 1.當發生地震時,你可以做哪些應變措施呢? 如有時間跑到空曠地,如沒有時間到空曠地,打開門窗,關閉瓦斯,到堅固物體旁臥低。

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肆、 編撰過程之參考資料(請按 APA 格式第五版撰寫) 王文科(2003):教育研究法。台北:五南。 王執明、劉聰桂、陳培源、吳清吉、施學銘、陳明德、蔡文祥、馬麟驤、曾世彬、吳育 雅、謝莉芬(2003):高級中學基礎地球科學全冊。台北:龍騰。 毛松霖、李通藝、陳泰然、范光龍、許瑞榮(2003) : 高級中學基礎地球科學全冊。台 北:康熙。 余民寧(2005):有意義的學習-概念構圖之研究。台北:商鼎。 林秀梅(2000):國民中學防震教育課程概念分析。國立台灣大學地理環境資源學研究 所未出版碩士論文。 吳佳蓉(2004):國小低、中年級學童地震相關概念之研究。臺北市立師範學院科學教 育研究所未出版碩士論文。 洪淑琳(2003):台北市國小高年級學童地震相關概念調查研究。臺北市立師範學院科 學教育研究所未出版碩士論文。 黃明豐(2002) :探究國小學童科學的迷思概念-以「地震」為例。南縣國教, 7,16-19。 郭生玉(1985):心理與教育測驗。台北:精華。 張鈺梅(2004):國小高年級學童地震相關板塊概念之研究。臺北市立師範學院科學教 育研究所未出版碩士論文。 張徽正、林啟文、陳勉銘、盧詩丁(1998)台灣活動斷層概論。經濟部中央地質調查所 特刊,10,103。 簡順永(2000):高二學生力概念的運用調查分析。國立臺灣師範大學物理研究所未出 版碩士論文。 64


趙芳兒(1999) :日本幼兒園的防震教育— 防災演習計畫。成長幼教季刊,40, 25-29。 葉婉儀(2003):探討社會性科學議題地震教學模組對高一學生地震相關科學概念學習 之成效分析。國立台灣師範大學地球科學所未出版碩士論文。 鄭麗玉(1998):如何改變學生的迷思概念。教師之友,39,28-36。 劉德慶、洪志誠、陳文屏、莊文星、江玉燕(2003):高級中學基礎地球科學全冊。台 南:南一。

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第六單元:海嘯的產生 壹、 學習目標(即教學目標) 知道海嘯與地震的關係 知道海嘯的傳播 知道海嘯的災害 知道如何預防海嘯 知道 2004 年印尼大海嘯和 2006 年屏東 70 公分的小海嘯

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貳、 內文 近年來發生的海嘯事件 近年來全世界發生的災害性海嘯如下:2009 年南太平洋薩摩亞海嘯、2006 年台灣 屏東海嘯,造成了中華電信海底電纜斷裂、2006 年西太平洋庫頁島海嘯,造成了東太平 洋美國加州 Crescent City 的災難與 2004 年印尼大海嘯,造成了三十萬人民傷亡。底 下介紹 2009 年九月三十日南太平洋薩摩亞海嘯,南太平洋島國附近,發生芮氏規模 8.0 地震,並引發海嘯,西薩摩亞跟附近的美屬薩摩亞以及,受到海嘯侵襲,至少造成上百 人死亡,幾百人受傷。 這次地震發生在台北時間今天凌晨 1 點 48 分,並且引發海嘯, 西薩摩亞至少 63 人死亡,數千人無家可歸;美屬薩摩亞 20 多人死亡;東加十人死亡。 由於海浪把一些人沖走,真正死亡人數可能還要增加。 地震發生後,美國、紐西蘭、 和日本,都發佈海嘯警報。海嘯造成西薩摩亞、美屬薩摩亞和東加發生 4 到 6 公尺高巨 浪,一些房屋被沖垮,轎車和船隻被沖到樹上。

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利用 Google earth 薩摩亞的地理位置圖 南太平洋地震震央位置圖 http://www.etaiwannews.com/gallery.php?highlight_ id=3110569&category=34

什麼是海嘯呢? 「海嘯」通常是指近岸或深海的海水突然間受到劇烈擾動,所引發一系列波長及週 期極長的浪。這些浪由源區傳播開來,當它們到達岸邊可能造成嚴重的災害。海嘯一詞 的由來, 「Tsunami」一詞是音譯自日文「津波」 ,日文「津」 (音 tsu)的意思是「港灣」, 而「波」 (音 nami)的意思是「波浪」。tidal sea wave「潮波」 seismic wave「地震 水波」雖然「Tsunami」一詞的意思也不完美,但世人都是這樣用也就約定成俗了。 68


海嘯傳播速度 海嘯之速度 : 海嘯之波傳速度因海之深淺而有不同,愈深速度愈快;於海中時,速 度約與噴射機之速度相當,接近陸面時速度仍可維持高鐵之速度。一般來講,水深 5000m,波浪的速度約與噴射機相同之時速 800km(秒速 220m )。當水深 500m,波浪的 速度約和高鐵相同之時速 250km ( 秒速 70m。當水深 100m,波浪的速度約高速道路行駛 汽車之時速約 100km(秒速 30m)。當水深 10m,波浪的速度約和短跑選手相近的時速 36km (秒速 10m ) 。一般海嘯之波長,約 10-100 公里,因此於海上時完全感受不到海嘯之威 力。海嘯之波高,因港灣地形有所差異 (相較平均水位之高度)。海嘯也會有反覆現象, 因此必須持續 12 小時以上警戒 (1 波-2 波-3 波…)。海嘯有共振效應,就是港灣週期與 海嘯週期。

知道海嘯的災害 印尼亞齊省位於蘇門答臘島的北端,2004 年 12 月 26 日海嘯,亞齊受災最重,尤其 是亞齊省首府班達亞齊。該鎮除了市中心的一所清真寺,完全被海嘯所摧毀。圖中有一 200 公尺的比例尺,可用已瞭解海嘯侵襲的範圍。

大洋上空或海上是否看得到海嘯? 在深海海嘯的波高通常小於 1 公尺,海嘯的波峰間的距離則超過 100 公里。因此在 深海,船上的船員或乘客,無法看到高速從船底通過的海嘯。船上的人對於海嘯通過時 所造成緩緩上升又緩緩落下的水面毫無感覺。但壓力計可以量得到。 69


1896 年 6 月 15 日侵襲日本的大海嘯,離岸 20 海哩的漁民完全不知道。因為此一海 嘯在深海的波高大約只有 40 公分,但是海嘯到達邊時已變成大浪,侵襲 275 公里的海 岸線,奪走 28,000 條人命。同理在深海的上空,我們無法區分海嘯與一般波浪,就像 我們無法在海上感覺到潮汐的起落一樣。

海嘯的破壞力 海嘯的破壞可分為三類:溢淹、波浪打在結構物上以及沖刷。海嘯引起的強流會沖 刷橋樑及海堤的基礎,造成橋樑及海堤的倒塌。浮力與拖曳力會移動房屋,把火車車廂 推翻。漂浮的殘骸,包括船及車輛等,可能衝入房屋,沖毀電線桿甚至因發火災。港內 受損的船舶、岸邊破裂的儲油槽以及煉油設施所引起的大火,所造成的災害可能比海嘯 本身所造成的災害嚴重。海嘯對核能或火力發電廠也有潛在威脅,在大退潮時電廠的取 水口可能取不到水,當第二波或第三波海嘯侵襲時,可能將泥沙或垃圾帶到取水口而堵 塞取水口。對於近海產生的海嘯危險性最高,近海海嘯到達岸邊的時間可能少於 10 分 鐘。太平洋海嘯中心以及地方機構沒有足夠的時間發佈海嘯警報。對於住在海邊的居 民,地震就是海嘯有可能發生的警告。對於遠地海嘯而言,由於海嘯速度可以準確推算, 因此海嘯到達的時間是可以準確預估的。

海嘯發生的原因 海嘯發生的主要原因是地震所引起,板塊運動的海底地震,海底山崩與隕石撞擊。

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影響台灣地區的歷史海嘯事件 雖然環太平洋地震帶頻傳海嘯事件,但根據歷史文獻與近年來的觀測,影響台灣 的海嘯次數並不多,造成的災害也有限,但我們卻不可輕忽這種破壞力強的天然災害。 底下分別說明這些影響台灣的歷史海嘯事件。 1986 花蓮海嘯: 1986 年 11 月 15 日 5 點 20 分花蓮外海 20 公里規模 6.8 的地震,在花蓮港造成約 1.5 公尺的海嘯,其到達時間約在地震後 13 分鐘,震央所在地的海水深度約 2500 公尺, 向陸地急升到海平面,略低於理論的海嘯波速。而在屏東的蟳廣嘴(位於台灣最南端)的 潮位站在 6 點 5 分記錄到約 20 公分的海嘯,宜蘭的梗枋潮位站也在 5 點 46 分記錄到約 115 公分的海嘯,由此看來,宜蘭地區水深較淺,雖然較遠,但其海嘯潮高與較花蓮相 當,可能因這方向來的能量較不易發散(劉啟清,2005)。

1986 年 11 月 15 日的花蓮港內記錄到的海嘯波形(中央氣象局) ,這是 有實測紀錄以來,發生在台灣附近最大的海嘯

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1964 阿拉斯加海嘯: 徐明同(1981)謂「阿拉斯加海嘯,地震規模為 8.4,震央在 Prince William 海 灣,在花蓮驗潮站有最大波高 15 公分之海嘯痕跡震央在西經 147.5 度北緯 61 度。此一 海嘯並沒有對台灣造成災害,因為各報均無災害之報導。

1960 智利海嘯: 1960 年 5 月 24 日智利海嘯徐明同(1981)謂「此次為智利海嘯,傳播至台灣,波 高在基隆為 66 公分花蓮為 30 公分。基隆田寮港運河之橋墩(日式木造橋)被浮木衝毀, 而海水呈污濁。民國 49 年 5 月 25 日聯合報:「基隆測候所的記錄,24 日上午 6 時 30 分,基隆港內海潮高出海平面 1.9 公尺,為基隆海潮的最高記錄,上一次的最高記錄是 1.5 公尺。」 ; 「基隆市區內田寮港運河的尚志橋於上午 5 時許,被來自淺水碼頭附近港 內的漂浮的巨枝柳安木所沖垮,另有崇仁、平等、自由三橋亦被沖壞。......。據昨日 目擊當時的市民稱:有一艘小舢舨,被旋轉的海潮捲得直立達數分鐘之久,然後再傾覆。 另有三艘舢舨亦被捲覆沒。」

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聯合報民國 49 年 5 月 25 日海嘯記錄

1867 基隆海嘯:

徐明同文獻資料 73


基隆海洋大學位置圖

台灣東北海域海底地形圖 國科會海洋科學研究中心,海洋資料庫 74


1771 石桓島海嘯: 海嘯淹沒區分佈在石桓島的東南方,因此,相信海嘯來自琉球隱沒帶。浪高達 85 公尺 (相信可能是大浪衝擊海岸的結果),席捲 11,741 條人命。(大約石桓島的半數居 民),是日本史上最大的海嘯。但是此次的大海嘯記錄,並沒在台灣的文獻記錄中找到, 故對台灣的傷亡人數,並無法得知。

如何預防海嘯 美國夏威夷的太平洋海嘯中心(PTWC),其主要接收美國地質調查所之地震消息,當 收獲太平洋地區有大地震發生時,就進行海嘯發生之研判,再由其驗潮站在大洋中實際 觀測到的波高變化,正確的預測海嘯波速及波高,更以數值模擬方法模擬出海嘯初波到 達時間與可能波高,對於各國遠地海嘯將可提早在海嘯波到達前數小時發出預警。日本 發展出很完善的獨立海嘯警報系統,將全部海岸劃分為 18 個海嘯警報區,配置在全國 74 所的地震觀測站,自動將地震記錄送至海嘯預報中心。由預報中心研判海嘯發生之 潛能,進而發布海嘯警報。對應此區分的海嘯預報文會送達 NHK、NTT、關係各縣的警 察本部、海上保安廳等傳達中心。預報也會直接送往沿岸各市町村,採取對居民提出警 告和避難勸導等處置方法。 台灣地區海嘯警報的發布由交通部中央氣象局所負責,為了防範海嘯的侵襲,中央 氣象局除了密切監測台灣地區鄰近之海域地震活動外,並與位於美國夏威夷的太平洋海 嘯中心連線,若有收到海嘯警報,則聯絡相關單位,並透過傳播媒體發布海嘯消息。

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圖 6-37:DART 海嘯預警浮標系統 Deep sea Assessment and Report of Tsunamis

圖 6-38:海域中的監測浮球 Noaa, Tsunameter mooring system 網站

Noaa, Tsunameter mooring system 網站

全球監測海嘯扶球位置圖 Noaa, Tsunameter mooring system 網站 76


台灣的浮標(海嘯+颱風預警)系統(紅色十字為位置)

海嘯災害防救因應對策 台灣四面環海並且在環太平洋地震區,遭受海嘯的機會也不低,因此我國應該要有 底下措施來應映: 1. 積極參與國際救援及勘災調查 由他國的海嘯事件中得到救援與勘災調查方法,以利日後做為參考之用。 2. 海嘯潛勢地區研究 積極研究台灣附近海嘯危險區域,劃分疏散位置,以及規劃防災減災的措施計畫。 3.加強海嘯預警之國際合作 對於遠地的海嘯地震防範,將可藉由加強國際的海嘯預警合作加以防範。 77


4.加強台灣地區海嘯預警相關研究 若地震發生在台灣外海不遠處,當收到國際的警報時,海嘯很可能已經侵襲台灣沿 海地帶。因此台灣必須發展完善的海嘯預警系統。因此台灣要建立預警通報系統,以及 沿海地區廣設警報系統及廣播設備,在媒體電視及廣播新聞發布。建立在台灣附近的海 上船隻通報系統,沿海地區的警告及指示標誌。最後,在教育上落實教育宣導。平時對 海岸地區的居民實施教育訓練,定期實施避難訓練,藉由講習會等使防災知識普及。

台灣的預防措施 南亞海嘯之後,中央氣象局與學界提出台灣東部海域電纜式海底地震儀及海洋物理 觀測系統建置計畫 MArine Cable Hosted Observatory (MACHO,「媽祖」計畫) ,主是 是認為電纜傳遞速度 1,000,000,000,000,000 公里/小時,地震震波速度為 30,000 公 里/小時,而海嘯傳遞速度 1,000 公里/小時,因此,我們可以利用這個時間差來發佈 海嘯預警措施。沿海地區可以在地震發生後,發佈海嘯警報,疏散沿海地區的民眾,都 會區也可以做好地震防災措施。

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台灣東部海域電纜式海底地震儀及

台灣東部海域電纜式海底地震儀及海洋

海洋物理觀測系統建置計畫

物理觀測系統建置佈線位置

許樹坤,MACHO 計畫

許樹坤,MACHO 計畫

台灣位處在活動板塊的聚合帶上,地 震頻繁,中央氣象局現有的地震監測 圖 6-47:地震多是台灣地區的特色,地 震的危害不容忽視,尤其海域部分的地 網可以提供災害發生預警或防災的 震佔約 70%,同時也可能帶來海嘯的災

功用。 Angelier et al., 1986

害 79


圖 6-48:台灣所處的環境與 2004 年蘇門達臘外海所產生的大地震及大海嘯環 境相似,都屬於板塊隱沒帶,都受到地震威脅,同時也受近海海底山崩產生海 嘯的威脅。加強東部外海地震及海嘯監測刻不容緩。 Hsu S. K. and J. C. Sibuet Earthquake Off Japan Could Generate Strong Tsunami. EOS. p.169-170

近幾年日本、加拿大、歐盟、美國、韓國和中國等相繼延伸陸上觀測至外海,加強 各項地球科學研究及天然災害監測的能力。歐洲:聯繫歐盟各國海域的 ESONET 觀測計 畫。有關於世界各國的預防警報如下: 美國:有 H2O 計畫及與加拿大合作的 NEPTUNE 計畫。 日本:已有 7 條海底觀測纜線,更有新的 DONET 網絡式計畫。 歐盟 ESONET 十個子計畫:ESONET 子計畫中挪威外海的海底山崩監測計畫。

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台灣東北部的 MACHO system 中央氣象局網站

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參、學習評量,Q&A 一、選擇題: ( D )1.請問海嘯的產生的主要原因是什麼呢?(A)陸上火山爆發(B)土石流(C)颱 風(D)海底地震 ( D )2.請問對於海嘯的概念,下面何者錯誤?(A)海嘯的速度大概跟噴射機差不多(B) 海嘯常造成沿岸的重大破壞(C)利用海底壓力計,可以測量到海嘯(D)藉由衛 星觀測,可以在深海看到海嘯的波高 ( B )3.我們可利用下列何種儀器來發佈海嘯警報?(A)CTD(B)海底地震儀(C)氣 象雷雷回波(D)溫濕度計 ( A )4.下面哪個地區最常受到海嘯的威脅?(A)夏威夷(B)澳洲(C)紐西蘭(D) 新加坡 (

D)5.台灣所處的環境與 2004 年蘇門達臘外海所產生的大地震及大海嘯環境相似,都屬 於板塊隱沒帶,都受到地震威脅,同時也受近海海底山崩產生海嘯的威脅,因此 我們需要監測台灣附近海底狀況呢?(A)台灣北部海域(B)台灣西北部海域(C) 台灣東南部海域(D)台灣東北部海域

二、開放題: 台灣位於環太平洋地震帶區域,周圍國家常會發生大地震,海嘯事件常造成重大傷 亡,請問台灣哪些區域容易發生海嘯呢?台灣如何預防海嘯災害呢? (1)由歷史文獻資料,台灣基隆、金山區域都曾經有海嘯紀錄。台灣東部受到地形 因素較不易有海嘯,但仍不能排除; (2)中央氣象局與學界正發展海底地震及海嘯監 82


測系統,日後將可提供地震與海嘯預警系統。

肆、 編撰過程之參考資料 教育部教育研究委員會 (2007) :海洋政策白皮書。台北:教育部。 高雄市政府海洋局(2009) :海洋新世紀-21 世紀藍色革命新時代。高雄:高雄市政府。 王執明、劉聰桂、陳培源、吳清吉、施學銘、陳明德、蔡文祥、馬麟驤、曾世彬、吳 育雅、謝莉芬(2003) :高級中學基礎地球科學全冊。台北:龍騰。 陳鎮東(1994):海洋化學。台北:國立編譯館。 陳汝勤、林斐然(1995):台灣附近之海洋地質。台北:經濟部中央地質調查所。 劉康克、劉家軒、方力行等(2002) :二十一世界海洋台灣。台北:國家海洋科學研 究中心。

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第七單元:海底資源-天然氣水合物 壹、

學習目標 知道可燃冰 知道天然氣水合物在台灣海域的分佈 知道未來資源的開發 知道不當開發的危險性 知道氣候變遷對於天然氣水合物的影響

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貳、 內文 介紹可燃冰 天然氣水合物是如同乾冰一樣的固體,但不是所有的物理性質都相同。大部份的 天然氣水合物是來自低溫生物分解的有機沉積物。另一種是熱化氣體 (thermal gas) , 內含大量的碳水化合物,所含的能量密度較低,每單位體積在標準狀態下可產生 164 單位體積的氣體。天然氣水合物常發生在沉積物中,偶爾會在深的裂縫或晶體狀構造 中被發現。通常在沙質高孔隙及高滲透性的沉積環境中,深海的天燃氣水合物發生在 非固結或半固結的沉積物中,一般為泥質,約有 50%的孔隙率但其滲透性較低。

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燃燒的天然氣水合物

天然氣水合物;可燃冰

燃燒後的樣子 http://www.jamstec.go.jp/jamstec-e/30th/part6/index.html

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天然氣水合物的解離或溶化與壓力有相大大的關係,相對於冰而言,它的壓力系數 較小。極區的平均表面溫度非常的低。天然氣水合物穩定的區域在大陸斜坡的海床下數 百米,不穩定態位於 600-800m 。如果天然氣水合物解離的話,海水表面可能會有氣泡 產生且海水表面溫度會上升。

偵測甲烷水合化合物的方法 利用天然氣水合物的物理特性探測其所在與評估其含量,並研究鑽井所得的資料。 1.震測速度:一般而言,當地層中含有天然氣水合物時速度會增加很快,當含有低濃度 的游離氣體,可增加其穩定性。 2.電阻率:因其結構中未包括鹽,故會增加沉積物中的電阻率,小量的氣體對電阻率的 影響很小。BSR 是很明顯的指標,其下方為游離氣體,其等溫線(isotherms)大致上平 行於海床,是一個很強烈的反射訊號,會切過地層的反射訊號,高速沉積層中包括天 然氣水合物,低速沉積層中包括游離氣體。

知道天然氣水合物在台灣海域的分佈 台灣西南部沿海地區有豐富的張裂構造活動,因此,經由初步的探測發現台灣西 南部有豐富的天然氣水合物。天然氣水合物經常沿著地層裂縫延伸到陸地地區,故在 南部有發現泥火山以及台南地區的水火同源。根據研究因是從西南沿海的富集區,延 伸到陸地區。雖然有豐富的天然氣水合物,但現今的開採技術與經濟成本仍是最大考 量。日後或許有更經濟簡便的方式來抽取,作為日後台灣能源之用。 87


震波的 BSR 反射層 蔡宏睿,個人通訊

台灣地區在歐亞板塊與菲律賓海擠壓時,廣大的大陸棚區域有豐富的有機物質,隨 著構造活動的趨勢,將保留不少天然氣水合物,最近的探勘也顯示豐富的含量。

知道未來資源的開發 世界對於天然氣水合物發現高緯度地區中-永凍區有豐富的含量,先前加拿大的 Mackenzie Delta 的鑽井資料也顯示出不少的含量。但在極區開採有相當的危險性,主 要是在全球暖化日益嚴重的情形下,暖化將使原來冰凍的天然氣水合物將會大量的釋放 到大氣當中,這樣將加速暖化全球的溫度。再者,利用地球物理的方法來鑽探,大型海 洋鑽探 ODP 鑽井,顯示出在鑽探出天然氣水合物,會有相當的危險性,日後開始安全性 88


將是一大考量。但是雖有相對的危險性,但是這個未來的能源仍舊相當令人關注,主要 的因素有底下幾個: 1.天然氣水合物是一種乾淨的能源 天然氣水合物的蘊藏量相當大,主要以天然氣(甲烷)為主,燃燒之後沒有排放二 氧化碳的問題。 2.扮演改變氣候的重要角色 甲烷是溫室氣體,甲烷的溫室效應比二氧化碳強 72 倍,將使全球溫暖化更加嚴重。 萬一這些氣體隨著海床不穩定而被釋放將造成全球性的大災難。

因此,大量開採天然氣水合物為一危險的行為,並且現今的科技而言,尚不知如何 去採集天然氣水合物中的甲烷氣體,儘管氣體的量很大,但表示其能量密度相當的低。 一些的研究指出潛在的熱可能對解離很有影響,故常產生在粒狀非固結且低孔隙率的泥 中。現今的主要有四種採集的可能方法: 1.提供熱源使其脫離穩定態。 2.使用幫浦加壓使天然氣水合物分離進入低壓氣體層。 3.添加防凍劑,但可能會收集到含有甲醇的氣體。 4.利用 CO2 取代天然氣水合物中的甲烷。

知道不當開發的危險性 先前已經介紹大量開發的方法將可能釋放出大量的天然氣水合物,而台灣地區西南 89


沿海的區域富集大量的天然氣水合物,但直接的開採方式,將可能鑽探時造成海底山 崩,適時將難以收拾這種狀況。

大量天然氣水合物的釋放造成海底山崩 海科中心圖例 使海底床下天然氣水合物趨於不穩定進而解離的方法有兩種:海床的溫壓條件、以 及熱液的侵入方式(Pecher, 2002) 。 現今地球上的有機碳大多儲存在天然氣水合物中,對經濟有很大助益,但是主要的 90


問題在於是否已有良好的採集技術發展,再者,甲烷是一種比 CO2 還要厲害的溫室效應 氣體,在大氣中氧化的非常快速。如釋放出天然氣水合物過量,將使使全球溫度上升, 會造成甲烷在大氣中的含量持續的在增加。這將是開發這種能源面臨到的重大議題。

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參、 學習評量,Q&A 一、選擇題 (C)1.對於天然氣水合物的形容下列何者正確?(A)它的主要成分跟乾冰一樣,就是二 氧化碳(B)主要埋藏在海底,環境高溫低壓所形成(C)室溫下可燃燒(D)儲存 量並不高,利用價值少(E)在海底時,當含有低濃度的氣體時會減低速度 (B)2.利用地球物理的震波方法來探測天然氣水合物,會有哪些現象呢?(A)地震波速 度降低(B)地震波速度增加(C)地震波速度沒有改變 (B)3. 利用地球物理的電阻率方法來探測天然氣水合物,會有哪些現象呢?(A)電阻 降低(B)電阻增加(C)電阻不變(D)當地層中有含有鹽礦時,電阻會降低 (B)4.由能源的角度來看天然氣水合物,為何是未來的能源代表呢?(A)燃燒後常造成 污染(B)蘊藏量很大(C)會增強溫室效應(D)很容易開採 (A)5.假如天然氣水合物大量釋放到大氣當中,將會造成哪個現象呢?(A)全球暖化(B) 海平面下降(C)陸上地震(D)地磁倒轉

二、開放思考題 由台灣區域海底地情哪些區域可能含有天然氣水合物呢? 台灣西南沿海地區。

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肆、 編撰過程之參考資料(請按 APA 格式第五版撰寫) 教育部教育研究委員會 (2007) :海洋政策白皮書。台北:教育部。 高雄市政府海洋局(2009) :海洋新世紀-21 世紀藍色革命新時代。高雄:高雄市政府。 王執明、劉聰桂、陳培源、吳清吉、施學銘、陳明德、蔡文祥、馬麟驤、曾世彬、吳 育雅、謝莉芬(2003) :高級中學基礎地球科學全冊。台北:龍騰。 陳鎮東(1994):海洋化學。台北:國立編譯館。 陳汝勤、林斐然(1995):台灣附近之海洋地質。台北:經濟部中央地質調查所。 劉康克、劉家軒、方力行等(2002) :二十一世界海洋台灣。台北:國家海洋科學研 究中心。

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第八單元:海洋動脈-海底環流 壹、 學習目標(即教學目標) 知道海洋表面洋流(黑潮) 知道全球海底環流 知道海洋深層水 知道海洋深層水的開發 海洋環境保護

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貳、 內文 地球上海陸分布與地軸傾斜 23.5 度,日照量的不同,熱能的輸送靠著大氣環流與 海洋環流。地球上的行星風系長期的吹佛著海洋的表面,風的帶動著海水大規模的流 動,這種稱為海流,又稱為洋流。 地球上的洋流主要受到盛行風係、海水密度的不均勻、地球自轉的偏向力、海底地 形與島嶼的影響。

海洋表面洋流 世界大洋中的海洋表面洋流主要受到盛行風系所影響,環流的運動型態與行星風係 和氣壓器統相似。底下分別介紹世界各大洋的洋流分布:

赤道流 由於東北信封和東南信封驅動下形成強大的洋流,它包含了北赤道洋流和南赤道 流。 北大西洋與北太平洋洋流 受到西風帶的影響下,這個區域的洋流主要都向東運動的洋流。 環南極洋流 在極地東風帶的影響之下,環南極洋流是唯一圍繞地球一周的洋流。

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台灣附近的洋流(黑潮及其支流) NCOR 國家海洋科學研究中心,海洋資料庫

台灣附近的洋流 最主要的洋流為黑潮,黑潮的前身為北赤道洋流,黑潮有一百多公里寬,水深約七 八百公尺深,流速每秒一至兩公尺。黑潮是一個暖流,將赤道的熱能帶到高緯度地區, 經過日本後,受到西風帶影響稱為北赤道洋流,一直流到加拿大地區。 黑潮帶來豐富的海洋生態環境,多樣性的海洋生物族群,豐富的台灣附近的海洋生 態環境。 96


氣候變遷之下,聖嬰與反聖嬰現象反覆的出現,氣候的改變造成了地球上人民的生 命財產損失,對於氣候的監測將是科學家重視的議題。由衛星的觀測資料可知全球的平 平均降雨量並不一致,集中在少數區域,對於水資源的利用,將是未來人面所需要去面 臨的議題。

全球平均雨量分布圖 龍騰地球與環境(下)。資料來源:GPCP

由於海陸分布的不同,隨著季節性改變的風向稱為季風。著名的季風區有印度半 島和東非之間,而是涵蓋了亞洲、非洲和澳洲,以及鄰近海洋的熱帶、副熱帶地區。 這些位置相對都是人口密集的區域,因此,季風帶來的雨量以及水資源,更是這些區 域的首要問題。而台灣地區位於西太洋區域,深受颱風的影響,颱風的強風豪雨,常 造成台灣人民的傷亡,一些地質敏感區也容易受到土石流以及山崩的影響。對於颱風 的監測與雨量的估算都是氣象學家所關注的議題。颱風的中心,氣壓低且周圍的眼牆 風力強,外加遇到大潮時間,暴潮常會造成沿海地區的海水倒灌。 97


颱風的衛星雲圖

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中央氣象局


颱風時的爆潮情況

知道全球海底環流 海水主要受到三大物理量所影響,分別是溫度、鹽度與壓力。溫鹽的改變會影響到 海水密度的變化。密度的改變就會牽扯到整個海水的流動。由全球海水表面溫度可知 道,海水表面的溫度主要受到緯度增加而降低的趨勢。南北兩極海水表面溫度最低,大 概是-1.9 度左右。再由海水表面鹽度可知,鹽度主要受到蒸發量、降雨量與大河淡水的 影響。海水表面鹽度最高的地方除了邊緣海域外,在開放性的大洋主要在副熱帶區域, 其主要原因是蒸發量大於降雨量。赤道地區蒸發量雖然大,但是降雨量也多,鹽度自然 就稀釋了。綜合溫度與鹽度的關係中可知,深海中海水密度的水平變化趨勢小,垂直的 變化較大。高緯度地區的海洋表面受到大氣的低溫影響,海水結冰析出鹽分,當地的密 度大增,海水還慢慢下沉到深海。溫鹽環流從北大西洋高緯度地區拉不拉多海下沉到洋 99


底,往南的流動過程中,逐漸混合,一直到南大西洋附近與難及底層水混合,匯入環南 極洋流。這時候的溫鹽環流分支在印度洋與北太平洋區域逐漸上升到表層,再帶到大洋 之中。最後,表層洋流帶回到北大西洋完成整個環流系統,根據估算整個循環大概需要 1600 左右。

溫鹽環流 龍騰出版社

知道海洋深層水 根據經濟部水利署定義海洋深層水為,海平面 200 公尺以下的海水才稱得上是海洋 深層水,因為陽光照射不到,且未與大氣接觸,光合作用無法進行,植物性浮游生物因 而無法繁殖, 幾乎呈現無菌狀態,是最不受地表環境污染的純淨水源,並且含有豐富 的營養鹽與礦物質。台灣東部海域區域位於板塊擠壓區,離岸後水深快速增加,因此是 100


一個良好的海洋深層水開採地帶。所以台灣有很多廠商正積極的開發這種產品,充滿了 商機。

台灣附近的海底地形圖 海科中心圖例

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0

D e p th (m )

-300 -600 -900

T (oC) Winter, 2003

-1200 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Relative distance from shore (m) 台灣東部的海水溫度分布圖

海洋深層水的比較圖

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3500

4000


海洋深層水的特性

海洋深層水的應用 海洋深層水水溫約在 6°至 14°C 之間,東部的海洋深層水將可以用來溫差發電,過 濾鹽分後可以冷房水耕,並且利用在高冷農業/養殖,提供一些冷藏/冷氣設施。日本與 美國的夏威夷區域都有開發海洋深層水產品,也銷售到市面上,台灣也逐步在開發當 中。由於能源政策的發展,未來台灣也要嘗試海洋溫差發電,逐步邁向無碳發電之列。 在 14°- 20°C 的海洋深層水,可利用來養殖海藻牧場、海馬養殖、龍蝦、魚/九孔養殖, 內銷與外銷皆可。 在水溫 20°- 26°C 的海水,我們可以用來製作生理食鹽水、化粧水與滷水。因此, 多元的發展台灣東部外海的深層水,未來將可以帶來農業與漁牧、食品與醫療保健、 觀光與休閒、溫差發電與海洋工程、基礎研究與教育推廣,多面向的益處。 103


台灣東部海洋深層水的發展方向 海科中心圖例

除了開發海洋深層水外,在發展的過程也要保護海洋環境,過渡的使用海洋資源, 恣意的破壞海洋生態將無法挽回。

海洋環境保護 台灣的海岸,是一塊充滿珍貴的地質景觀與海洋生物的地方,東北角海岸擁有豐富 的地質景觀,包括綿延的山嶺、谷地、斷崖、台地、盆地,以及峰巒相疊的火山彙。主 要的地形分成陸地地形與海岸地形。陸地地形屬丘陵地形,以澳底為界,可分為阿玉粘 板岩山地與三貂嶺山地,區內主要的山峰有:和美山、福隆山、荖蘭山以及桶盤堀尖山 等。 台灣的海域裡至少有 60 種以上的大型海藻、290 種以上的貝類、70 種以上的甲殼 類、40 種以上的棘皮類、120 種以上的珊瑚類、100 種以上的礁岩性魚類,以及其他種 104


類繁多的海綿、水母、海葵等。蘊含著生物與地形寶藏的地方,卻常常發生破壞自然環 境的事件。 綠色陣線的 2001 年打造海洋新故鄉研討會指出,由於海岸地區是陸地、大氣與海 洋接觸之所,故有極高之物理能量與生物活動及生物歧異度,加上海岸地區亦承受極大 的人為開發壓力,包括: (一)核電廠的興建與溫排水之排放。 (二)海岸和河口水域的遊憩區開發。 (三)沿岸之經濟活動影響。 (四)各事業單位抽取溪流水和岸邊工程廢棄土對河域及海域之影響。 (五)河川治理工程對河川生態保育之衝擊等。

台灣海域有著豐富且珍貴的地質景觀與各式各樣的生物,要如何將遊憩活動與當地 之生態資源、甚至與地方產業與文化結合,達到地方繁榮與生態保育雙贏的局面,這將 是推廣生態旅遊時最重要的課題。此外,同時兼顧生態觀念的推廣與生態負荷的管理, 亦是推廣生態旅遊的重點之一,因為維持健康的生態系統乃是發展生態旅遊的根基。 另外海岸地區的功能發展,使得淺海養殖的面積大幅縮減,或是沿岸地區的養殖業 者大量抽取地下水,造成地層下陷,而較為普遍性的問題如非法捕魚、潛水、漁業大肆 捕捉蝦貝類等。生物性資源的最大特性,是具有「再生」功能,迥異於其他一般資源, 有取之不盡、用之不竭的可能,但是人為的干擾很容易導致生物間鍵結關係的破壞,而 使資源量下降。 在台灣的沿海附近,有為數甚多的珊瑚礁群,雖然有些已受到污染,若加以整治, 可能發展成潛力盛大的浮淺事業。還有這幾年才開放的龜山島,以往是軍事重地的它, 現在在軍方的同意下已經開放,許多人都有興趣想一探它的神秘面紗,再加上島上有硫 氣孔與溫泉等豐富的觀光資源,如果能在妥善維護景觀生態的配套條件之下好好規劃、 開發,相信一定會為附近的觀光事業帶來蓬勃的商機,進而對逐漸老化與人口外流的漁 村,帶來新的生命力。 105


最後,我們也建議政府相關單位可以有計畫地培訓海岸環境解說員,並規畫海洋教 育探索,充份使學生了解維護自然資源的重要。教育與學習結合,才能培養愛護土地的 下一代,讓這些珍貴的海岸景觀,能夠長久地順著自然演化下去。

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參、 學習評量,Q&A 一、選擇題 (C)1.下列哪個洋流經過台灣東岸呢?(A)赤道潛流(B)北大西洋洋流(C)黑潮(D) 灣流 (B)2.深海的溫鹽環流環繞依圈大概需要多少時間呢?(A)160 年(B)1,600 年(C) 16,000 年(D)160,000 年 (A)3.關於聖嬰現象的敘述下列何者正確?(A)週期約 2-7 年(B)聖嬰現象每次都發 生的災害都一樣(C)聖嬰現象後,立刻就會有反聖嬰的現象(D)最早發現的這 個地方是在大西洋西岸地區 (B)4 有關於海洋深層水的敘述下列何者正確?(A)主要是採取光帶的海水(B)水中 營養鹽濃度較表層高(C)深層水的細菌數較表層多(D)深層水的鹼度較一般河 水高 (D)5.台灣的哪些區域海域可以嘗試溫差發電呢?(A)西北部沿海(B)西南部海域(C) 金馬地區外海(D)東部海域

二、開放思考題

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海洋深層水的優點有哪些呢?台灣地區哪些地區適合去開採這種資源呢?請由下圖台灣 附近的海底地形圖來判斷。 (1)

無污染、富營養鹽、具穩定性、低溫、豐富的礦物質

(2)

台灣東部沿海

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肆、 編撰過程之參考資料(請按 APA 格式第五版撰寫) 教育部教育研究委員會 (2007) :海洋政策白皮書。台北:教育部。 高雄市政府海洋局(2009) :海洋新世紀-21 世紀藍色革命新時代。高雄:高雄市政府。 王執明、劉聰桂、陳培源、吳清吉、施學銘、陳明德、蔡文祥、馬麟驤、曾世彬、吳 育雅、謝莉芬(2003) :高級中學基礎地球科學全冊。台北:龍騰。 陳鎮東(1994):海洋化學。台北:國立編譯館。 陳汝勤、林斐然(1995):台灣附近之海洋地質。台北:經濟部中央地質調查所。 劉康克、劉家軒、方力行等(2002) :二十一世界海洋台灣。台北:國家海洋科學研 究中心。

網站 http://www.ecaa.ntu.edu.tw/.../日本海洋深層水產業的發展經驗.pdf

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II.實驗單元

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第一單元:金瓜石地質考察 壹、 學習目標(即教學目標) 一、知道陰陽海的成因。 二、知道金瓜石盛產黃金礦產。 三、瞭解陰陽海無法擴散的因素。 四、實地考察陰陽海區域。 五、評估金瓜石再次開採的優缺點。 六、調查台金工廠與陰陽海是否有關連。 七、瞭解開採後陰陽海可能的狀況。 八、保護海洋地質區域與避免海洋環境污染。

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貳、 實驗目的、材料、方法、結果與討論 一、 實驗目的 每當經過東北角海岸,就會看到一片黃澄澄的海域,這片區域稱為陰陽海。在海邊 也矗立著一間廢棄的台金工廠,山坡旁有著碩大的煙囪,如同黑蛇一般,蜿蜒且順著山 坡至天頂上。這些荒廢的排煙管,就是要提煉黃金時,排放廢氣的管線。但現在管內存 在著劇毒物-砷。旁邊的警告牌述說著請勿進入管內,內有毒物。金瓜石在日據時代曾 經是全球產金量最多的地方,當時金瓜石地區人口曾經達到三萬人,車水馬龍,有著小 上海的稱呼。隨著國際黃金價格大跌,開採難度大增,這些礦坑與工廠,逐漸沒落,人 們大量移出金九地區,掩沒在荒山野嶺當中,人們逐漸淡忘這些區域。近年來,國際黃 金屢創歷史新高點,澳洲礦產公司與台糖公司接洽探勘事宜。初步探勘金價約有兩千六 百億台幣的價值,金量約還有六十噸以上。這宣布著金瓜石再次風華的契機,然而如何 在觀光與生計之下,孰輕孰重。本活動藉由考察金瓜石、黃金瀑布與參觀黃金博物館。 來瞭解以前開採金礦的歷程,與認識黃金瀑布,最後了瞭解重金屬礦產的未來願景。

目的: 實地的地質考察活動,將可讓學生更加瞭解金瓜石地區的地質地貌,並且知道金瓜 石地區黃金礦產的來由。

研究工具與方法: 112


1.電腦。 2.Google earth 軟體操作。 3.GPS 定位。 4.瑞芳區域地圖。 5.數位相機。

步驟 1.規劃金瓜石考察路線:藉由 Google earth 找出考察的地方與定點。 2.考察陰陽海區域、九份溪、黃金瀑布地區、黃金博物館與礦坑裡面。 3.知道金瓜石礦產的成因與地質條件。 4.知道陰陽海、黃金瀑布與金礦的提煉過程。 5.完成並記錄下來,回答問題討論議題。

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1

2

3

考察地點路線規劃(1.陰陽海 2.黃金瀑布 3.黃金博物館)

討論議題: 一、金瓜石礦產成因為何? 二、陰陽海的成因為何呢?與台金廢棄工廠是否有關連? 三、黃金瀑布為何呈現黃澄色,造成的原因為何?

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參、 學習評量,Q&A 1.陰陽海黃澄澄的原因為何呢? 2.金瓜石盛產黃金的地質活動為何呢? 3.金瓜石的金礦常常與什麼礦產伴生呢? 4.對於金瓜石的重新開採議題,請從環境的角度討論你是否贊成呢?該注意哪些問題 呢? 答:

(1)金瓜石所在的基隆山本是座火山,具有許多黃鐵礦等硫化礦或硫化銅的礦物, 在自然風化的過程中分解成酸性的物質和鐵與銅等離子,鐵離子在酸性或地下還 原環境之下,易形成二價鐵離子,而溶於地下水中。地下水滲出地表後,在溪流 中翻滾,整個轉為較氧化的環境,二價鐵離子會變成較不易溶解的三價鐵離子, 而自水中析出,造成河川岩石變為黃褐色,則當略酸性的酸銅水流入海中,與海 水相混,降低鐵等陽離子的溶解度,產生氫氧化鐵等懸浮物,加上淡水密度較小 於海水,所以漂浮在海面上,而因為水濂洞附近海灣內海流擴散能力不足,就形 成陰陽海的特殊景象。 (2)金瓜石熱液系統的發育,開始於深成岩的侵入中新世沉積岩,岩漿來源的氣體沿 著斷層和裂理上升至淺處,並融入地下水和天水中,而產生強酸和高氧化態的熱 液,這些熱液跟圍岩交互作用,而產生多孔矽化和高階黏土化,隨後並產生礦化作 用。 (3) 主要產在石英脈中,共生礦物有褐鐵礦、黃鐵礦、輝銻礦、閃鋅礦和砷黃鐵礦等, 亦散佈於石英安山岩、花崗岩、砂岩和礫岩中。

(4)環境的角度不贊成,需要考量再次的環境污染議題,再者,從永續發展的角度來 出發,找尋替代或在利用的礦產。 115


肆、 實驗準備工作之步驟、方法 考察前的準備議題:附錄資料,事前閱讀的背景資料,考察時解釋。 陰陽海的介紹

一、陰陽海與黃金瀑布的位置及特色 在台灣東北海岸基隆山河金瓜石間的凹口,位於水濂洞邊的陰陽海,是台灣東北角 濱海的一大特殊景觀。他的特殊在於那一帶海域的海水顏色呈現黃褐色和海藍色相間的 奇觀,形成了北部聞名的「陰陽海」,此現象與一旁的金瓜石黃金瀑布則被認為與陰陽 海的形成有著直接關係。黃金瀑布為本山六坑及長仁五番坑坑口流出的礦水匯集而成的 景象。從自強橋旁往上看,可以看到從山上傾洩而下,再順著山勢分成數道狀似瀑布的 水流,金黃色的泉水將流經的土石染成金黃、金紅色,形成黃金瀑布的特殊像。

二、陰陽海的成因 「陰陽海」這一名詞相信沒有人沒聽過,但大家是否知道為何此帶海域海水會是黃 澄澄的一片?曾經有人認為是河岸邊的泥沙注入到陰陽海所造成的現象,也有迷信的說 法,認為陰陽海是陽間與陰間的交界處,才會如此的混濁,更多的人相信這與昔日的台 金公司水湳洞選煉廠所排放的含銅離子廢水造成的汙染有關,但再怎麼說,那些都只是 「認為」,根據學者研究表示此現象和陰陽海源頭之一的黃金瀑布有著絕對的關係。在 那之前,台金公司一直背負著排放廢水導致出海口遭汙染的責任,但台金公司已於民國 116


69 年停止開採金礦了,停產至今已將近三十年,陰陽海的現象依然存在著,水中的重金 屬離子仍然偏高。其實真正造成陰陽海的現象的原兇是因為金瓜石所在的基隆山本是座 火山,具有許多黃鐵礦等硫化礦或硫化銅的礦物,在自然風化的過程中分解成酸性的物 質和鐵與銅等離子,鐵離子在酸性或地下還原環境之下,易形成二價鐵離子,而溶於地 下水中。地下水滲出地表後,在溪流中翻滾,整個轉為較氧化的環境,二價鐵離子會變 成較不易溶解的三價鐵離子,而自水中析出,造成河川岩石變為黃褐色,則當略酸性的 酸銅水流入海中,與海水相混,降低鐵等陽離子的溶解度,產生氫氧化鐵等懸浮物,加 上淡水密度較小於海水,所以漂浮在海面上,而因為水濂洞附近海灣內海流擴散能力不 足,就形成陰陽海的特殊景象,可是陰陽海現象並非深入至海底,海平面三公尺以下的 海水還是呈現原本的顏色。

三、台金公司和廢水汙染 民國 34 年日本戰敗,「日本礦業株式會社」的金瓜石採礦權交由「台灣金銅礦籌 備處」(台金公司的前身)來接管,直至民國 64 年停止開採,民國 69 年台金禮樂煉銅廠 與水湳洞選煉廠也正式結束營業。早期的人都認為陰陽海是早期開採金瓜石礦區及台金 禮樂煉銅廠排放廢水污染所造成的,但台金公司直至民國 69 年,停產至今已將近三十 年,但此處海水重金屬離子至今仍然偏高,陰陽海的現象也依然存在著。其實台金公司 確實因為長期排放未經處理過的污水含有重金屬而造成汙染,不過其實被污染的海灣位 置,並不是目前呈現在陰陽海的海域,而是鄰近的另一個海灣,所以被大眾、媒體誤以 為是陰陽海的元凶,而大作文章、人云亦云。現今台金公司雖然已經洗清背負三十年的 117


冤屈,但是排放廢水造成汙染也同樣不應該,何況是否因為開採礦石加劇陰陽海的現 象,沒有人說的清楚。

四、陰陽海帶來的影響 陰陽海中除了重金屬離子另外還有氫氧化鐵膠羽內含銅、鋅,淤積海底底泥中,含 銅量高,對附近生物有影響,附近水域 pH 值低,不適合生物生長,生物都屬過客,不 會長期生活在其中。所含有的金屬鐵離子偏高,當人們接觸是否可能危及健康?是的, 但有學者強調,就如同大屯山區的土壤中含有大量的銅、鋅污泥,其標準早已超過環保 署的規定,但它卻是「大自然異現象的產物」 ,而陰陽海的情況也是如此。 過去也曾有 人提議,在水湳洞灣旁蓋一座沈澱池,將所有溪水導入,先行沈澱再放流,但事實證明, 對解決陰陽海現象,不但沒有幫助,更可能會因此破壞生態。陰陽海,天生就該與眾不 同。陰陽海為大海洋自淨的可能性仍很大。只是,受制於陰陽海一帶海域的地形有如漏 斗般的淺海灘因素或人為持續污染等原因,在時間上可能會拖延得相當長。

金瓜石的興衰歷程 一、前言 位於台北縣瑞芳鎮的金瓜石,原來和九份共稱九份地區。但因為金瓜石產金礦,於 是就得到了「金瓜石」這一個名字。金瓜石是東亞第一金都,黃金產量在昔日可以說是 名列前茅,但在歷經清朝、日據時期到國民政府三個不同時期的開發後,金脈已經枯竭。 民國 69 年,台金公司決定結束採礦,金瓜石的人口開始外移,經濟逐漸走下坡,又逢 118


祝融之災,破壞了精華的銅山里,也燒毀了許多珍貴的礦脈資料,再經山洪、琳恩颱風 的無情侵襲,現在留在金瓜石的居民不過數千人,曾經繁華於當時的景象早已不復見了。

二、過去 早在清光緒 16 年(1890 年),當時正在進行基隆七堵的基隆河河段修築縱貫鐵路鐵 橋時,就已經有工人發現了河道中有沙金,在眾人口耳相傳之下,不久後基隆河就帶來 了一股淘金的風潮,而淘洗沙金的範圍更往上流延伸至基隆山山腳下的龍潭堵(今日的 瑞芳市區) 。之後有不少人為了找尋金礦的源頭而逆流而上,在 1893 年,果然被一位李 姓農民在九份山區附近發現了小金瓜金脈露頭,而金礦源頭被發現的不久後,淘金客也 在附近發現了大金瓜露頭。 「金瓜石」 ,這個地名源自於它的地形外貌看起來像是南瓜, 就是閩南語的「金瓜」而得此名。本來寂寥的基隆山,卻因為金礦源頭的發現而漸漸的 繁榮了起來,也間接引發了人們日後對九份金瓜石礦業的大量開發。中日甲午戰爭後, 台灣因為馬關條約而在 1895 年割讓給日本,原本的日本在礦業發展上就已經有一定了 水準了,在 1955 年,日軍在擁有金瓜石的採礦權後,從日本國內引進先進的採礦的技 術、器具和大量的技術人員,並建立了從採礦到冶煉的一貫體系,也因此奠定了金瓜石 礦山日後的發展基礎,除了在大金瓜露頭進行開採外,也開始向下延伸開挖礦坑,由於 礦坑的位置位於金瓜石本山,所以去名為「本山礦坑」 (總共開挖九坑) ,成為金瓜石礦 區的重要採礦來源。1904 年,本山三號坑挖掘到硫砷銅礦(Enargite),隨著礦坑的逐 漸向下挖掘,礦床開鑿出來的銅礦產量逐漸增加,金瓜石也從金銀礦山轉變為一座金銀 銅礦山。隨著日後新礦脈的一一發現,金瓜石更被冠上了「日本首要金礦山」的盛名。 119


三、現在 台灣金銅礦物局改組為「台灣金屬礦業公司」 (簡稱台金公司) ,引進國外大量的技 術及設備,在銅礦產量逐年上升的情況下,台灣金屬礦業公司曾維持不錯的營運狀況。 但是好景不常,在 1973 年之後,可能是因為先前的大量開發,而導致金瓜石的金銅礦 產量逐漸枯竭,為了提高產量,台金公司從 1978 年開始嘗試大規模露天開採的方式, 並將營運的重心轉向以礦物冶煉、加工為主;台金公司為了提升礦產加工能力,於 1981 年向銀行貸款,在水湳洞附近興建禮樂煉銅廠。但時機不對,當時國際的銅價不斷下跌, 台金公司雖然已於 1985 年進行部門縮編,並將禮樂煉銅廠交給台灣電力公司管理,但 在無力償還銀行貸款的情況下,台金公司終於在 1987 年宣告歇業,而金瓜石礦山的土 地則由台灣糖業公司接收,結束了金瓜石百年的產金歲月。 雖然如此,隨著鄰近的九份於 1990 年後隨著觀光產業的發展而再度的繁榮了起來, 在官方及當地居民的推動下,金瓜石目前也朝著發展文化觀光的方向前進。近年來,由 於金瓜石的人煙較為稀少,與鄰近的九份相比,較沒有過度開發及商業化的影響,因此 吸引了不少藝術家及民宿在此落腳;而其中又以民宿的進駐較為興盛,沿著金水公路及 浪漫公路兩條連外幹道由山下的水湳洞往金瓜石街區的路上,可見大大小小的民宿散落 一旁。 2004 年,由台北縣政府主導、台電與台糖共同開發,以介紹金瓜石礦業發展歷 程為主軸的黃金博物園區正式開園,更象徵著金瓜石重振昔日風華的重要一步。雖然台 金公司的採礦事業已經停止了,但實際上,金瓜石的礦產可能還擁有相當可觀的蘊藏 量,如今,又有澳洲的礦產公司對金瓜石做了評估企圖想來開發這塊土地,無疑的,它 可以為當地帶來更多的工作機會以及商機,但他可能也會對環境帶來更大的衝擊,所帶 120


來的傷害可能將會是所得利益的好幾倍,而且美麗的環境將再也不復見,所以再次開發 一事值得我們認真研究、探討和省思。

金瓜石的礦坑與礦產成因 一、金瓜石金礦表層的認識 台灣東北部的金瓜石礦床,位於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊聚合所形成的琉球 弧溝系統。更新世時沖繩海槽的張裂引起的正斷層和岩漿活動,是形成此一淺溫金礦床 的主要原因。組成區內的岩石主要為中新世地層,部分則為火成岩體。其的層順序由老 至新是:木山層、大寮層、石底層、南港層及南莊層,厚度總計約為四千公尺。岩層由 砂岩、頁岩與少數煤層構成,厚度可至數公分至十公尺以上。這個區域層歷經上新世或 更新世時代之地殼運動,並形成許多東北-西南走向的摺皺與逆衝斷層。

二、金瓜石金礦成礦的化學作用 金瓜石的地貌景觀是摸得著也看的到的,但我們不能僅看表面,既然想認識金瓜 石,那就一定要深入的了解金礦的成因。地殼內部如何生成礦床?對於形成礦床又扮演 著什麼樣的角色?現在我們就要揭開它神秘的面紗,來一窺究竟。金瓜石熱液系統的發 育,開始於深成岩的侵入中新世沉積岩,岩漿來源的氣體沿著斷層和裂理上升至淺處, 並融入地下水和天水中,而產生強酸和高氧化態的熱液,這些熱液跟圍岩交互作用,而 產生多孔矽化和高階黏土化,隨後並產生礦化作用(由於火成作用本身會帶來一些熱 液,而炙熱的火成岩也會加熱地下水,這些熱水在高溫高壓下容有較多的礦物成分,他 121


們會順著火成岩體或沉積岩內的斷層或破碎帶上升。當熱水礦液上升到較淺處時,其溫 度及所受的溫度降低,於是,過飽和的礦物成分便在適當環境下沉澱下來,產生所謂的 礦化作用。如果礦物成分沉澱累積的量夠多而能夠符合開採價值則變形成礦體。)而有 淺溫高硫化形同金礦床的形成。隨後深部的岩漿雖漸漸冷卻,但熱液活動並未停止,酸 性熱液隨著斷層和裂理循環至外圍及深處,並在跟圍顏的交互作用中,漸被中和而形成 較為中性的熱液。淺溫低硫化型金礦床的形成,便跟此較為中性的熱液有關。 金瓜石 地區的淺溫高硫化型銅金礦床,包括本山銅金脈及粗石山-長仁角礫岩同金礦筒,主要 成礦於矽化帶,其化石和脈石礦物主要有:硫砷銅礦、呂宋礦、自然金、含金黃鐵礦、 石英、明礬石、重金石和高嶺石等,產狀為裂隙填充、浸染和網脈狀。

三、與九份礦坑的比較 九份-武丹山金礦床,則屬於淺溫低硫化型金礦床,缺乏硫砷銅礦、明礬實 、重晶 石等高硫化型的特徵礦物,卻普遍有綠泥石、碳酸鹽類礦物、碳酸鹽類礦物。礦石礦物 主要為自然金和銀金礦,產狀為脈狀填充。定年的結果顯示,金瓜石地區的礦化作用, 以本山銅金脈最早發生,繼而是粗石山-常仁角礫岩筒,最後形成的為九份-武丹山金礦 床。但是上述各礦床的礦化年代,非常接近且互有重疊,可視為在同一時期連續進行。 金瓜石淺溫高硫化型銅金礦床的石英和重晶石所含之液包體,可代表某一時期的成礦熱 液。這些液包體的軍容溫度和鹽度,大致為 190℃-280℃,並帶有少量的 CO2,、CH4、 N2、SO2 或 H2S。液包體研究顯示,該熱液在演化過程中曾有沸騰、混合和冷卻作用, 而深部的岩漿熱液也曾上升至淺處,混入這些以天水為主,但帶有海水的熱液中。緊鄰 122


金瓜石的九份-武丹山金礦床,其含礦石英脈內之液包體均融溫度和岩度,分別為 210 ℃-290℃。液包體研究顯示,型成該石英脈的熱液,仍以天水為主但帶有海水成分,沸 騰、混合和冷卻作用是其重要的演化機制

四、礦坑現在的發展 現在,由於注重永續發展、水土保持......等等的議題,所以金瓜石漸漸朝觀光業 邁進,但近來金瓜石金礦是否重新開挖的傳聞時有耳聞,有了觀光業這樣一個永續發展 的產業,那是否還需要重新開發製造短期的經濟利益,而破壞當地的環境造成汙染? 金 瓜石獲選為台灣十一世界遺產潛力點之一,源於該地區特殊的地質礦床與礦業人文景 觀。金瓜石地區的地質地形相當獨特,侵入式石英安山岩帶來的熱水礦化作用,使金瓜 石地區成為台灣產金及銅密度最高的地方,堅硬岩石所形塑出特殊的自然地景,如:基 隆山、無耳茶壺山及本山等,成為當地重要的地標。 礦石種類豐富,可說是一座大自 然的地質教室。礦體歷經近一世紀的經營,地下坑道縱橫交錯長六百餘公里,部分坑道 並達海平面 132 公尺之下。百年來的採金時期的建物、廢礦坑、坑道、器具與紀念碑, 紀錄了上世紀前半業的東亞礦業經濟活動與殖民歷史。歷經近一世紀的礦產工業歲月, 在當地留下許多值得珍藏的人文地景。

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成果照片

九份溪的河道(黃澄澄一片)

李教授在車上解說金瓜石九份的由來

黃金博物館內的大黃金

礦坑內的狀況

礦坑內的黃金礦脈

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圖片說明:李昭興教授與全體高中生在黃金博物館前拍照

圖片說明:李昭興教授與全體高中生在涼亭外解說

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伍、 編撰過程之參考資料 教育部教育研究委員會 (2007) :海洋政策白皮書。台北:教育部。 高雄市政府海洋局(2009) :海洋新世紀-21 世紀藍色革命新時代。高雄:高雄市政府。 王執明、劉聰桂、陳培源、吳清吉、施學銘、陳明德、蔡文祥、馬麟驤、曾世彬、吳 育雅、謝莉芬(2003) :高級中學基礎地球科學全冊。台北:龍騰。 陳鎮東(1994):海洋化學。台北:國立編譯館。 陳汝勤、林斐然(1995):台灣附近之海洋地質。台北:經濟部中央地質調查所。 劉康克、劉家軒、方力行等(2002) :二十一世界海洋台灣。台北:國家海洋科學研 究中心。

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第二單元:海底漫遊體驗 壹、 學習目標 台灣島距今約六百萬前年經由板塊運動所形成。當時歐亞大陸板塊東側的大陸邊緣 上沈積著厚重的大陸沉積物,東南方的菲律賓海板塊西邊的呂宋島弧,隨著板塊向西北 方移動,逐漸靠近與擠壓歐亞板塊。隨著碰撞激烈,台灣的山脈逐漸形成,類似推土機 的作用堆疊著山脈。強大的碰撞,也使得台灣島上地殼變動劇烈,斷層密佈,地震頻傳。 藉由這次的海底地形圖,配合著 3D 的動畫,讓學生可以清楚知道台灣附近的板塊運動 與板塊邊界區域。

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貳、 實驗目的、材料、方法、結果與討論 一、 實驗目的 1.知道台灣地區海底地形與地貌。 2.利用 3D 軟體模擬漫遊台灣東部的海溝,讓學生瞭解最深的地方在海溝,地震最多的 地方在隱沒帶區域。 3.利用 3D 軟體模擬漫遊台灣東北部的海底火山,並且瞭解今日的冰島火山的不同點。 4.利用 3D 軟體模擬漫遊台灣西南部的海底峽谷,並且知道可燃冰的儲存的地方。

二、 實驗材料 1.投影機 2.電腦 3.播放影片軟體。 4.台灣地體構造模型或掛圖

三、 實驗方法 1.第一段主題為海底的地形與地貌,首先由老師簡介今天的主題“海床的誕生"再配 合投影片進行口頭介紹,如何在深不可測的深海得知海床的高低起伏、海底的地形 地貌。 2.第二段主題為漫遊台灣東部的海溝 (最深的地方、地震最多的地方),先配合投影 128


片說明台灣東部海域的基本地形地貌,在說明大綱後配合特殊 3D 影像軟體,營造 出搭乘潛水艇在深海漫遊的氛圍,並解釋此區域如何因板塊的擠壓而造成地震的頻 繁及海脊、峽谷、海溝等特殊地貌。 3.第三段主要在介紹台灣東北部的海底火山,先配合投影片說明台灣東北部海域的基 本地形地貌,特別指出琉球島弧附近的火山地形及海面底下林立的海底火山並說明 有許多火山仍然是很活躍(不斷有熱氣、熱液冒出),大致說明後也進行 3D 動畫模 擬進入深海海底火山群地區,及探訪古代河道與峽谷地形。 4.第四段特別提出台灣新發現的特殊能源“可燃冰",配合投影片先說明可燃冰的成 分即為廣大家庭所使用的天然氣,因為壓力及溫度的不同,形成固體狀態儲存於海 床之下,由於台灣西南部的海域的地層環境正好適合可燃冰的形成,因此目前發現 的可燃冰富集區就在此地。說明成因之後同樣的進行海底漫遊的動態地圖,一同觀 看台灣西南部複雜的增積岩體地形及壯麗的黑水溝(澎湖峽谷)。

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圖說:台灣東部及東北部海底地形圖

圖說:台灣西南沿海海底地形圖

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四、 實驗結果與討論 1.請問台灣的板塊邊界位於何處? 2.請問台灣地區的海底火山位於何處?請在 3D 動畫圖上指出來。 131


3.請問台灣附近甲烷水合化合物的產生地方在那邊?請在 3D 動畫圖上指出來。 4.請問台灣地震最多的地方在何處?為何有這種現象呢?

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參、 學習評量,Q&A 1.台灣位於兩哪個板塊交界呢?歐亞大陸板塊、菲律賓海板塊。 2.台灣附近的海域,哪些地區容易發現活火山呢?台灣東北部海域。 3.台灣西南部沿海海底富含有什麼能源呢?甲烷水合物。 4.天然氣水合物大量的開發會造成氣候哪些問題呢? 大量的甲烷釋放到大氣當中,將會增強溫室效應,全球暖化會增強。

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肆、 實驗準備工作之步驟、方法 依序播放 PPS 檔案。 1.第一段主題為海底的地形與地貌,首先由老師簡介今天的主題“海床的誕生"再配 合投影片進行口頭介紹,如何在深不可測的深海得知海床的高低起伏、海底的地形 地貌。 2.第二段主題為漫遊台灣東部的海溝 (最深的地方、地震最多的地方),先配合投影 片說明台灣東部海域的基本地形地貌,在說明大綱後配合特殊 3D 影像軟體,營造 出搭乘潛水艇在深海漫遊的氛圍,並解釋此區域如何因板塊的擠壓而造成地震的頻 繁及海脊、峽谷、海溝等特殊地貌。 3.第三段主要在介紹台灣東北部的海底火山,先配合投影片說明台灣東北部海域的基 本地形地貌,特別指出琉球島弧附近的火山地形及海面底下林立的海底火山並說明 有許多火山仍然是很活躍(不斷有熱氣、熱液冒出),大致說明後也進行 3D 動畫模 擬進入深海海底火山群地區,及探訪古代河道與峽谷地形。 4.第四段特別提出台灣新發現的特殊能源“可燃冰",配合投影片先說明可燃冰的成 分即為廣大家庭所使用的天然氣,因為壓力及溫度的不同,形成固體狀態儲存於海 床之下,由於台灣西南部的海域的地層環境正好適合可燃冰的形成,因此目前發現 的可燃冰富集區就在此地。說明成因之後同樣的進行海底漫遊的動態地圖,一同觀 看台灣西南部複雜的增積岩體地形及壯麗的黑水溝(澎湖峽谷)。

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伍、 編撰過程之參考資料 教育部教育研究委員會 (2007) :海洋政策白皮書。台北:教育部。 高雄市政府海洋局(2009) :海洋新世紀-21 世紀藍色革命新時代。高雄:高雄市政府。 王執明、劉聰桂、陳培源、吳清吉、施學銘、陳明德、蔡文祥、馬麟驤、曾世彬、吳 育雅、謝莉芬(2003) :高級中學基礎地球科學全冊。台北:龍騰。 陳鎮東(1994):海洋化學。台北:國立編譯館。 陳汝勤、林斐然(1995):台灣附近之海洋地質。台北:經濟部中央地質調查所。 劉康克、劉家軒、方力行等(2002) :二十一世界海洋台灣。台北:國家海洋科學研 究中心。

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III. 素材全冊檔案光碟 光碟內容須含下述四個資料夾,統一名稱如下: Š 資料夾一 名稱:素材內容 內容:素材全冊內容 WORD 檔。 Š 資料夾二 名稱:知識單元照片/圖片原檔 內容:知識單元所使用之照片或圖片電子原檔,並請 註記對應之章節與頁碼。 圖片規定以下三項條件至少需達到其一: 解析度 300dpi 以上、容量 3M 以上、 像素其中一邊達 2048 以上。 Š 資料夾三 名稱:實驗操作 PPS 檔(PPS=PowerPoint 播放檔) 內容:各級素材之實驗單元(請依序個別存檔)實驗操作 毋須錄影,請依各步驟拍攝數張照片製成 PPS 檔

Š 資料夾四 名稱:實驗單元照片原檔 內容:實驗單元之實驗操作 PPS 檔所使用之照片原檔, 並請註記對應實驗單元名稱。

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