中華民國106年3月 Mar. 2017

國道4號臺中環線豐原潭子段工程三義活動斷層調查簡介

國工局規劃組田正智/撰稿及圖片提供

一、前言
  國道4號臺中環線豐原潭子段工程(以下簡稱本計畫)自國道4號豐原端西側1.4公里起高架跨台3線後,往南以隧道穿過豐原東南側山區,跨越烏牛欄溪後經新田營區西北緣轉往南,終點銜接台74線,全長約10.9公里,如圖1所示。沿線於起點設置豐勢交流道並以連絡道連接台3線;另於潭子新田地區設置潭子交流道並以連絡道東西向分別連接豐興路(中89區道)及福林路(潭子外環道),北向布設豐原連絡道銜接豐原大道。因規劃路線於豐原區南側與潭子區交界之原軍方舊有新田靶場處可能通過三義活動斷層,為評估該斷層對工程影響故需辦理相關調查工作。

圖1 本計畫路線示意圖
圖1 本計畫路線示意圖

二、工程地質概述
  本計畫範圍涵蓋臺中盆地及其東側的丘陵區,在臺灣地質分區上分屬西部濱海平原地質區及西部麓山帶地質區。臺中盆地所容納之現代沖積層係由未固結之礫石、砂、粉砂、黏土所組成,東側丘陵區則出露由砂岩、粉砂岩、頁岩及砂、頁岩所組成之第三紀中新世及上新世地層。本計畫路廊及周邊地區無區域性褶皺構造通過,主要地質構造為伴隨集集大地震發生之921地表破裂線(車籠埔斷層)及三義斷層,皆屬斷層面向東傾斜之逆移斷層,大致沿臺中盆地與丘陵區之交界附近呈近南北向延伸,此兩條斷層目前均歸類為第一類活動斷層,本計畫沿線區域地質如圖2所示。

圖2 本計畫路廊區域地質圖
圖2 本計畫路廊區域地質圖

  三義斷層線自北而南大致沿臺中盆地東緣之平原區分布,約略平行車籠埔主斷層線且縱貫本計畫區,其大致於潭子交流道東北側約1公里處與計畫路線交會。斷層可分為南、北兩段,北段略呈東西走向,由苗栗縣大湖鄉大窩,向西延伸經雙連潭、重河至三義,長約8公里;南段呈南北走向,由三義向南延伸經鯉魚口、中城至大甲溪,並可能繼續往南延伸至豐原、潭子地區,長約25公里。
  由921集集大地震後豐原深井鑽井岩心資料及震測結果顯示,在車籠埔主斷層帶下方有另一斷層帶,其可能為桂竹林層或更老之地層逆衝至頭嵙山層之上,該斷層帶可能即為三義斷層。
三、三義活動斷層調查
  本計畫路線於豐原區南側與潭子區交界處原軍方舊有之新田靶場可能通過三義斷層,於工程規劃階段即針對三義斷層採地表地質調查、地球物理探測與地質鑽探等方式,瞭解三義斷層對路線之影響,並於初步設計階段進一步辦理地質鑽探與槽溝開挖調查,以掌握斷層帶特性、斷層活動性並推估斷層參數,相關工作說明如後。
1. 地表地質調查
  新田靶場長約400公尺,約略呈東西向配置如圖3所示,區內業經整地而未發現任何斷層露頭及斷層地形特徵。

圖3 本計畫三義活動斷層調查相關位置圖
圖3 本計畫三義活動斷層調查相關位置圖

  文獻記載於靶場之南、北兩側可能為斷層位置,而於現地可見有一地形高差,約略呈南、北向延伸。靶場之東側緊鄰一階地崖,高差達40至50公尺,現地調查於坡趾附近發現一斷層露頭,如圖4所示,可見風化砂岩層逆衝覆蓋於礫石層之上,初步推測有可能為三義斷層之分支斷層。

圖4 新田靶場東側階地崖坡趾處之斷層露頭
圖4 新田靶場東側階地崖坡趾處之斷層露頭

2. 地球物理探測
  為能初步掌握調查區及鄰近地區可能之地質構造狀況,本計畫採用地球物理探測方法進行調查。經檢討該區域之地層特性與分布,因地表覆蓋有厚層之沖積礫石層,若採用震波探測方法,震波遭遇礫石層之干擾較大,探測效果恐不理想。同時考量礫石層與岩層之地電阻值有較顯著之差異,使用地電阻影像剖面探查方式應可獲得較具參考性之成果。測線配置起自新田靶場端,沿靶場往東延伸至階地上方如圖3所示,測線編號RIP-02,總長度850公尺。其探測結果,顯示在剖面里程220公尺及410公尺處,兩側地層有較大之地電阻率差異,推測此兩處可能有斷層不連續面存在,如圖5所示。剖面中較高電阻率之地層應為礫石層,在新田靶場部分,礫石層之厚度較大,約有70至80公尺厚,階地上方之礫石層厚度較薄,約20至30公尺厚。

圖5 RIP-02測線地電阻影像剖面探查成果
圖5 RIP-02測線地電阻影像剖面探查成果

3. 地質鑽探調查
  本計畫於規劃階段,依據相關文獻、現地調查之地形特徵、及地電阻影像剖面探查結果,在推估可能之斷層位置兩側進行地質鑽探,以二分逼近之方式調查斷層較明確之位置,於新田靶場內可能斷層位置兩側共施鑽4處地質鑽孔,自西而東分別為PH-24(100公尺垂直孔)、PH-27(12公尺垂直孔)、PH-26(150公尺斜孔,70度西傾)及PH-25(100公尺垂直孔),如圖3所示。第一階段於斷層下盤與上盤分別施鑽PH-24與PH-25兩鑽孔,兩孔間距約150公尺。PH-24鑽孔鑽至100公尺深均為礫石層,PH-25鑽孔則於74.93公尺深鑽遇岩盤,岩盤具發達之剪裂構造,剪切紋理角度約20至40度。依據此兩孔鑽探結果,可將斷層可能位置侷限於兩鑽孔之間,如圖6所示。

圖6 新田靶場三義斷層地質剖面圖
圖6 新田靶場三義斷層地質剖面圖

  第二階段於PH-25鑽孔之西側約25公尺處施鑽向西傾斜70度之PH-26斜孔,惟該鑽孔並未如預期鑽遇岩盤,表示斷層位置尚在PH-26斜孔之東側,位於PH-25與PH-26兩鑽孔間之狹小範圍內。施鑽PH-26鑽孔之同時,於PH-24鑽孔東側約50公尺處施鑽深度12公尺之PH-27鑽孔,以調查該區表層土層之延伸與是否受到斷層活動之影響,鑽探結果顯示該處之表層土層並未受到斷層活動之影響。
  本計畫後於初步設計階段,為再進一步確認三義斷層之界面位置,於PH-25與PH-26鑽孔之間,補充施鑽深度200公尺之BB-25-03垂直孔。BB-25-03鑽孔於深度75.5公尺處鑽遇岩層,而於深度106.1公尺處再度鑽遇礫石層,並至孔底均為礫石層。本鑽孔於深度75.5公尺至106.1公尺之間應係貫穿斷層之上盤岩層,因此確認三義斷層之分布位置。另於靶場東側三義斷層分支斷層之上盤分別施鑽深度150公尺及80公尺之BB-25-01及BB-25-02兩垂直孔,以探查分支斷層。BB-25-01鑽孔於深度84.5公尺處鑽遇下盤礫石層,至深度121.45公尺再次鑽進岩盤。BB-25-02鑽孔於深度23.1公尺以下至孔底,鑽遇下盤之砂土礫石層。依據地球物理探測與地質鑽探結果所繪製之新田靶場區三義斷層地質剖面圖如圖6所示。三義斷層之斷層面約為20至40度,依據PH-27鑽孔表層土壤未受到斷層活動之擾動推測,斷層面於近地表處可能呈現較陡之傾角約60度。三義分支斷層之斷層面約成40度傾角。三義斷層及其支斷層之斷層帶影響範圍之水平寬度約300~320公尺,影響路線範圍約里程25k+065至25k+405之間。
4. 槽溝開挖調查
  槽溝開挖調查係利用判釋與測定槽溝剖面中之岩土層(layer)年代,以及估算過去斷層活動事件中岩層的錯移量(displacement),藉以了解斷層的活動性與古地震活動歷史。為了要提供過去岩層錯移與其發生錯移年代的詳細記錄,透過槽溝開挖可對於斷層活動性與古地震發生具有更深入的解析。利用槽溝開挖方法可以直接觀察地表下淺層沉積層受到斷層或構造活動的影響,並由沉積層與錯動面之截切關係來研判斷層的走向、傾角、位移方向、斷層活動事件次數,配合碳十四定年資料來推估該斷層發生地震之再現週期及長期滑移速率等,並獲得地震相關參數,以供後續斷層危害度及工程設計使用。
  依據前述相關地質調查成果,同時考量用地取得之因素,選擇於新田靶場內PH-26及PH-27兩鑽孔之間進行槽溝開挖調查(圖3)。槽溝形貌為地表下四階式開挖,其長度約40公尺,寬度約15公尺,四階總深度約8公尺,如圖7所示。

圖7 槽溝開挖作業
圖7 槽溝開挖作業

  槽溝開挖與調查作業程序包含槽溝分階開挖、溝壁清理、參考格線標示、及地面以光達(LiDar)進行掃描測量。槽溝開挖完成後即針對南、北兩側剖面進行地質測繪與碳十四定年樣本採樣。相關調查、記錄與採樣完成後將場地恢復原地形,如圖7所示。
  由本槽溝剖南、北側剖面調查結果,可區分出3次古地震事件,如圖8所示。

圖8 槽溝開挖碳十四定年及斷層活動事件解釋成果圖
圖8 槽溝開挖碳十四定年及斷層活動事件解釋成果圖

  最早一次為4,490~5,710 BP(BP表距現在之年數)之後,第二次事件在3,400~3,720 BP之後,第三次事件則在1,860BP之後,其中前二次造成沈積層傾斜,第三次則造成沈積層錯移約30公分,然斷層未露出地表,僅造成礫石層變形或沉積層局部錯移。由本槽溝開挖之三次古地震事件,推估其再現週期約為1,620年,由於各次事件時間間隔大,故實際之再現週期可能小於1,620年。進一步依據本槽溝剖面中分層之最大位移落差與可能活動年代來估算,其垂直抬升速率約0.78公釐/年,配合本案推估淺層處斷層角度約60度,則沿斷層面之長期滑移速率約0.9公釐/年。該滑移速率係依據本槽溝開挖調查結果推估,其值可能因槽溝開挖調查資料之增加與累積,或發現更早期斷層活動事件之地層位移落差及間隔年代等再進一步調整,故長期滑移速率有可能大於0.9公釐/年。綜合槽溝及相關地質鑽孔資料,推算三義斷層活動性相關參數如表1所示。

▼ 表1 三義斷層活動性相關參數表
斷層名稱 斷層角度 斷層性質 最近可能發生年代(BP) 垂直變動速(mm/yr) 長期滑移速率(mm/yr) 再現週期(年)
三義斷層 近地表處約為60度;以下推估約40度。 逆衝 1,860BP之後 0.78 0.9 小於1,620年

四、結語
  本計畫對於三義活動斷層之調查,考量現地地形特徵與地層特性,選用適當有效之地球物理探測方法,獲取地下地質構造具體之初步模式,並據以規劃地質鑽探之位置與方位,以進一步確認斷層位置與斷層帶特性。根據相關地球物理探測與地質鑽探之成果,配合斷層地形特徵與表土層擾動情況,合理選擇適當之槽溝開挖調查位置,進而獲得斷層之活動性與古地震史,並求得斷層相關參數,為後續相關分析與設計之重要參考依據。