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地質12卷,l期,l0l~105頁,民國8l年 Ti-Chih, Vol.l2, No.l, P.101~l05, l992

簡介「應用地質學」

李錫堤
國立中央大學地球物理研究所

應用地質學及其重要性

地質學基本上可分為物理地質學(physical geology)、歷史地質學(historical geology)及應用地質學(applied geology)三大部門。應用地質學係地質學各個不同學科(例如:礦物學、岩石學、礦床學、古生物學、地層學、構造學、地形學、地球物理學及地球化學等)在資源、工程、水及軍事問題上的應用(Glossary of Geology, 1972)。近年來,由於資源及土地利用而引起的地質災害及水質污染等問題逐漸受到重視,環境問題亦成為應用上的另一項重點。

人類賴以維持生活的自然資源幾乎都直接或間接地來自組成地球外殼的物質。例如:製造器具與機器的金屬原料,製造水泥、陶瓷及耐火材料的礦石,用做建築及裝飾的石材,供給能源的煤、石油、天然氣及核燃料等。甚至一切生命所需的空氣和水,大多數是當岩漿凝結成地殼的時侯,從岩石中釋放出來的;糧食亦由岩石風化後所生成的土壤提供植物生長及繁殖而得以供應不絕。凡此皆須應用地質學的知識與技術,從事探測及開發利用。

吾人為改善生活環境所做的土木工程建設不外「雕」與「塑」兩個基本動作。「雕」即開挖土石,例如:隧道及基礎開挖等。「塑」則利用砂石、鋼筋及水泥等自然材料建造結構物,例如:水壩、房舍及橋樑等。如何有計畫及有效率地雕塑地表與淺部地殼,以適合人類的居住及活動,自然須要地質學及各相關學科的有效應用。

地下水方面須瞭解含水層的地質與水質特性、水源補助及滲漏問題等。凡此皆有待水文地質專家及構造地質、地球物理與地球化學專家的投入工作,方能做到有效的開發與利用。

軍事方面,自然資源常成為戰略上所必須掌握的一項重點。例如:第二次世界大戰中日本發動太平洋戰爭,其主要目的之一即為取得東南亞各國的資源;後來軸心國戰敗也導因於資源的掌握不如以美國為主的同盟國。區域地質及礦床的瞭解,能幫助軍事家做成戰略上的正確決定。

自然資源基本上可分為再生資源,例如:農產及林產品等,及消耗性或非再生資源,例如:礦產及化石燃料等。土壤及水一旦受到污染短時間內甚難重新使用,故亦屬非再生資源。由於人類生活品質不斷提高,對於非再生資源的需求也與日俱增,若干年後終會有用罄的時侯。據Pehrson(1972)統計,全世界石油蘊藏量還可供應未來三十八年的使用,天然氣則為四十年。1972年後雖然陸續有若干大油田發現(尤其是海域石油),但是數十年後的展望仍不樂觀。核燃料方面,雖可提供為替代能源,但其儲量仍為有限,且其廢料處理問題,至今仍未完全解決。土木工程建設常導致地質災害,例如:山崩、地陷等;天然地質災害亦常使工程建設未能達成預期目標。工業開發則常帶來水及環境的污染。凡此皆有待從環境地質學的角度,在資源開發、土地利用及人類活動間取得一平衡點,對人類未來的環境品質做出最大的貢獻。

綜觀上述各點可知,應用地質學是一門與人類生活息息相關而不可忽視的學科。從事地球科學研究者,雖不一定人人皆走應用路線,但是,在追求真理之餘,也不仿瞭解一下所習學科,或所從事的研究,是否尚有附帶的應用價值,而對社會有所回饋。

應用地質學與其他學科間的關係

應用地質學與其他學科間的關係可以圖一表示。此圖的外圍(粗線以外)部份,包括:物理學、化學及生物學等是地質學的相關學科;地質學的研究常常要借重此等相關的科學,而精益求精。此圖的內部(粗線以內)則就是地質學本身了。由此圖我們可明顯看出,地質學的中心就在於研究地球歷史的「歷史地質學」,及造福全人類的「應用地質學」。舉凡礦物學、岩石學、古生物學、地層學、構造學、地球物理學及地球化學等,其方法及研究過程雖皆屬「物理」,但其最終目標均在於探求「歷史」及「應用」。

應用地質學的研究範圍及應用現況

應用地質學基本上可區分為:工程地質學、水文地質學、經濟地質學(或稱資源地質學)、環境地質學及測勘學五大部份。

(一)工程地質學(Engineering Geology)為地質學在土木、水利、建築及採礦工程上的應用。其研究範圍包括:地質材料(土壤、岩石及水)的特性描述(characterization),地質構造的測繪與分析,土體及岩體受自然環境(地質應力、地下水及風化等因素)的影響及特性的變化,及其與工程因素(開挖、荷重及排水等)間的相互影響。

(二)水文地質學(Hydrogeology)是地質學在地下水資源及相關地表水問題的應用。其研究範圍包括:地層的水文及水質的特性描述,地下水產狀(occurrence)與分佈、及地下水資源開發與利用等。

(三)經濟地質學(Economic Geology)是地質學在礦產及能源開發上的應用(部份學者亦將地下水方面涵蓋在內)。其研究範圍包括:金屬、非金屬礦、化石燃料及核燃料的產狀與分佈,礦床成因,礦業經濟及礦產開發利用等。

(四)環境地質學(Environmental Geology)是地質學在自然環境、資源利用及地質災害防治上的應用。其研究範圍包括:地質災害分析與防治,工程建設、土地利用、資源開發與自然環境的協調,及環境管理等。

(五)測勘學基本上是上述四個學科的支援,本身無法單獨存在。測勘方法包括:遙測與航照判釋、地表踏勘與地質圖測繪、鑽井方法、開挖方法、地球物理方法及地球化學方法等。其研究範圍主要在於既有方法的改進,新方法的開發,及在所支援學科中的應用研究。

早年的地質應用可說是集中在與人類生活最直接相關的資源部份)包括:資源探勘及開發利用等。累積了近百年的經驗,資源方面的應用研究已甚為成熟。相對之下,工程、水文及環境方面的應用則起步稍晚,直到近十餘年來,基於實際需要,此三方面才逐漸受到重視。各大學中逐漸有工程地質及相近科系的成立,致力於工程、水文及環境地質研究。例如:英國的德倫大學、奧地利的格拉次大學、美國的密蘇里州立大學及柯羅拉多礦山大學等。學會內開始有工程組的設立,例如:倫敦的地質學會。社會上也建立了工程地質及水文地質的專業技師制度,例如:美國加州地區。最近,我國與英國合辦的兩屆中英地質會議及與比利時合辦的第一屆中比地質會議均可看出,其會議的重點皆在工程地質及地質災害問題。

國內的地質應用研究也是從經濟地質方面開始。早在台灣光復前,金礦、煤田及石油方面的探勘研究已具有基礎,而更在光復後發揚光大,使金瓜石的金礦曾在世界礦業界名噪一時。深入地下一千公尺以下去開採三十公分左右的薄煤層,也堪稱一絕,而足以留存礦史。近二、三十年來西部的石灰岩與粘土礦,東部的大理石、白雲石、蛇紋石及台灣玉等石礦開發,雖不若金礦等須要較深入的地質應用,但亦有地質學者參與探勘及開採工作。

工程方面最早係應用在水壩及相關隧道建設上。民國四十年左右迄今一系列的大型水庫建設,包括:霧社、谷關、德基、石門、曾文及翡翠等工程,皆有多位地質學者與專業人員投入工作,應用其地質智識與經驗參與工程規劃、設計及施工中的地質調查及工程地質處理工作。近年來,許多大型水力發電計畫,例如:明湖、明潭及新天輪等工程,因大量的隧道及地下電廠工作,有更多的地質人員及礦冶科系的畢業生深入地下,在工作面做地質觀查、記錄及評估,並在現場決定燧道支撐的方法。許多公路及鐵路工程也開始有多位地質人員參與工作,例如:北二高、北宜、南迴鐵路及高速鐵路等工程計畫。此外,在坡地開發方面,較大型者,例加:萬芳社區、大臺北華城等亦有地質人員直接參與。

地下水方面過去主要是台糖及自來水公司在從事地下水開發及水資源委員會從事規劃、研究及管理工作。近年來由於環境污染及地層下陷問題受到重視,有許多學者投入地下水探測、水質分析及滲流分析等工作上。另溫泉及地熱田方面早期是由當時的礦業研究所(現在改稱為能源與資源研究所)主辦,後來中國石油公司繼續了土場、金崙等地熱區的探測與開發工作。目前,溫泉及地熱田方面的研究似暫時有減少或中斷。

環境地質研究因起步較晚,除了與工程地質相關的地質災害部份在工程界有較廣泛的調查與討論,及與水文地質重疊的地下水污染方面剛剛開始外,在資源利用及環境管理上則較少研究。數年前,爭論一時的立霧溪水力發電計畫及太魯閣國家公園門口的水泥廠建廠問題皆為標準的環境地質問題,很可惜,參與的學者除了極少數外,多未能從此一觀點來做客觀的分析及整體性的評估。

測勘方面,過去已在煤田、石油及工程地質等調查上多所應用,尤其是震測方面早已在石油探勘上扮演極重要的角色。最近,國內在淺層反射震測法的技術發展上已頗有成就,將來可能被廣泛地應用在工程地質上甚受重視的斷層調查及崩塌地調查等問題上。同時,電測及電磁測目前也已發展得頗為成功,並應用於地下水及斷層調查等諸問題上。

應用地質學的未來發展

由於世界人口的不斷增加,(現在約為55億,2025年可能增加為85億),資源的逐漸耗盡,工程建設的日益大型化與複雜化,水及環境的污染問題增加,人為及自然地質災害的影響,以及核廢料的最終處置的遙遙無期,應用地質學的各部門,無論是工程、水文、環境或資源的應用研究將愈來愈形重要。在未來的發展方向上,首先,由於應用上牽涉的知識範圍甚廣,科技整合及不同領域的學者的攜手合作將甚為重要。其次,測勘方法的改進及新技術的開發應為方法上的一項極重要的課題。再者,由於應用問題極須要經驗及基本資料的支援,因此資料庫及案例庫的建立,專家系統及地理資訊系統的應用將使成果更加豐碩。研究方向上有如:全球自然環境變化問題的參與、核廢料地質處置的相關問題研究、國科會大型防災計畫中有關地震防災及坡地防災等問題的研究、地下水污染、超抽、地層下陷問題的分析與防治研究,以及大型隧道及地下結搆工程的工程地質研究等。

在未來的十年左右,國內將陸續有若干大型工程計畫執行,包括:(1)交通建設,例如:高速鐵路、北宜(或北花)高速公路、南部第二高速公路、南部橫貫高速公路及花東高速公路等,(2)水庫建設,例如:坪林、美濃、瑪家等大型水庫,(3)水力建設,例如:馬鞍、濁水溪、和平等大型水力發電計畫,以及(4)核能四廠及核廢料處理等大型計畫。此等計畫將須要許多工程地質、水文地質及環境地質人員參與。有興趣的同學可考慮朝此等方向選課,或做更進一步的進修,以便將來能帶著較完備的學識與訓練投入建設行列,而學以致用。

最後,在此給有興趣從事應用地質的同學們三個建議。第一、「從事應用也是要講究實力的」。因此,如何在大學及研究所期間打好基礎,至關重要。具有良好的基礎,將來實際從事應用工作接觸新的事務時必能舉一反三,否則可能做到某一程度就無法突破瓶頸。第二、「切莫揠苗助長」。在未打好基礎前不要急著學習應用課程,否則基礎不紮實,其應用也不實在。第三、「必須重視野外實地地質」。因為,「應用」也就是要「兌現」的意思,例如:工程地質師所繪的一幅工程地質圖,工程師將以它為依據來做設計及施工,若所繪者僅為理論推測而缺少野外實證時,其後果堪虞。所以,「應用」也就是要「做得踏實」的意思,欲做得踏實,絕對必要「野外實證」。

引用文獻

魏國彥(1979)地質學的性格初探。演化,第6期,第25~28頁。

Bemmelen, R. W. Van. (1961) The scientific character of geology. J. Geology, vol. 69, no. 4, p. 453-563.

Pehrson, Elmer (1962) Mineral Supply. International science and technology, no. 2.

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