2013年2月16日 星期六

藏於九地之下:軍事工程地質專業


應用地質學的原理以及技術於軍事領域,已有悠久的歷史。唐代的杜佑(西元735-812),曾經在通典-兵典中說過:善守備者,務因其山川之阻,丘陵之固,使不知所攻;言其深密,藏於九地之下。翻成白話文的意思,就是善於守備的人,最在意的是利用山川的險阻地形,丘陵的堅固構築防禦陣地,使攻擊方無法知道弱點攻擊,並利用地形的深藏隱蔽,將人員、物資、陣地隱藏於深厚的地形掩蔽之下。地質條件影響戰役的結果甚多,例如在美國南北戰爭期間的蓋茲堡(Gettysburg)戰役,北軍聯邦軍隊據守為輝綠岩岩脈侵入造成的小圓頂(Little Round Top)與墳墓嶺(Cemetery Ridge),受到較佳的保護。而南軍邦聯部隊則在無保護的砂頁岩侵蝕地形攻擊前進,因此遭受較大的損失。而在台灣,清法戰爭期間,清軍與法軍爭奪的山脊和建在山脊的砲台,都是位在大寮層中的一段厚砂岩中。這是因為海相的大寮層主要是由砂頁岩組成,而大寮層中的砂岩與頁岩軟弱程度差異很大,因此常因侵蝕作用造成陡峭的砂岩嶺脊,而基隆港又是處在一個被大寮層圍繞的向斜軸部中,所以東西俯瞰基隆港的山脊均是大寮層裏的厚砂岩段,也不難想像為何成為兵家必爭之地。

圗一、建在砂岩嶺脊上的基隆東岸白米甕砲台

1798年拿破崙率軍遠征埃及時,曾經有兩位地質學家隨行左右,提供軍事上的專業意見。而諷刺的是,第一次運用地質學的山岳地形分析學理在軍事上而打敗敵人的,卻是在1813年卡茲巴赫戰爭,普魯士將軍馮布呂歇爾運用馮勞莫教授對於賽列西亞(今天的波蘭、捷克、德國交界地區)的山岳地形研究地圖,打敗了拿破崙。第一次世界大戰期間, 歐洲參戰的各國都徵召地質學家,擔負提供構築軍事工程所需的工程與水文地質資料和諮詢意見,以及尋找地下水和建築材料等後勤參謀工作。僅僅在1917年,在德軍西線工作的地質小組就有27個,總計約200名地質學家參與德軍的攻勢與守備作業。第二次世界大戰期間,隨著軍事技術的發展,運動戰成為主流,因此隨著新的戰術思想與新武器的出現,防禦陣地體系和工事構築的結構都發生了變化。因此也更迫切需要軍事工程地質和軍事水文地質的詳盡調查。許多參戰國軍隊中都設有地質勤務部門。而最注重運動戰的德軍更使用了特種地質圖,上面標有地區岩土分佈,及評定各季節坦克、摩托化部隊通行的可能性等情況的圗資。蘇聯在二次大戰中,也運用地質學家,提供構築水工建築物和軍用道路的工程地質、水文地質資料、地形的可通行性、土壤性質以及其他自然條件的資料。

圗二、二次世界大戰美軍所用的特種地圖(附有軍用地質地形分區)

二次世界大戰以後,由於飛彈、核武器的出現,和軍隊機動能力的提高,防禦性的碉堡工事更加深入地下,軍事工程構築速度加快,野戰給水任務繁重,因而增加了地質後勤任務艱鉅性和複雜性。費雪當年有個女同學,官拜美軍備役少校,911後突然消失,過了 一年多回到學校已經是中校了,一問起才知道去了阿富汗修築跑道去了,原來修築跑道,也需要對岩土地質狀況有一定瞭解,才不會因為土壤膨縮或不均勻沉陷,造成跑到破壞不平。一些國家,更將新的科學技術與地質學理論運用於軍事工程地質學中。如美軍在越戰時研製透地雷達技術,當時主要是用來探測越共的地道系統。另外也發展出像工兵圓錐儀和空投圓錐儀等攜行儀器,可以快速測定土壤的通行能力;另外也發展出利用遙測等空中地球物理探測技術,協助野戰供給水源的水文地質調查。 另外,對於碉堡的構築材料,仰賴於對區域內各種岩石抗爆與防彈能力的工程地質性質瞭解。而要攻擊嚴密構築的工事,則更是要了解哪一種彈藥與攻擊方式,可以洞穿特定岩石的厚度。因此,軍事工程地質,已經成為很專業的一們學問。
圗三、越戰中發展出來偵測坑道的電磁儀器(透地雷達前身)

圗四、美軍戰鬥工兵正使用透地雷達

費雪寫這篇文章,其實是要告訴很多後輩,我們常常被問到學地質可以做甚麼?”其實在很多大家都想不到的地方,地質起了一個很重要的作用,也往往需要懂地質的專家參與,只可惜在過去的體制下,大家都往學術路看齊,認為只有寫文章才是所謂的正統。卻忘記了還有這麼多的空白領域可以貢獻我們的所學,其實費雪一向認為,我們不需要追求成為地質的主流,但是卻要追求讓地質成為各領域不可或缺的一項專業,扮演關鍵的角色才是正途。

  

2013年2月6日 星期三

風水地質學(二):災兇格局-水篇


風水裏頭對於水非常重視,認為:”氣乘風而散,界水而至。於是在傳統的中國風水裡,對於江、河、湖、海、溪流、池塘、水溝、低窪積水等看得到水的地方,都會特別注意。甚至注意到所謂的乾流水,也就是在一般的日子裡看不到水下雨時才會有水的的旱溝水路地形。水有什麼重要?古人認為「山管人丁,水管財」。由於生命脫離不了水,因此在農牧時代無論是居住、農耕、畜牧都需要選擇盡量接近水源之地。到了工商發達之後,水路是最佳的運輸途徑,可以藉由船隻載運大量貨品來往不同區域,因此當然「遇水則發」。
 
圖一、依水發展的都市(圖為台北新店碧潭)
 

當然,水能載舟,亦能覆舟。居住在看似平靜河流的附近,固然能夠提供便捷的交通,以及生活必須的資源。但一旦遇到暴雨,急漲的湍流,甚或是夾帶大量土石的土石流,往往以摧枯拉朽之勢摧毀擋在流經途徑上的任何生命與財產。因此居住在水邊的古人,很早就發展出了一套相地的方式,以避凶趨吉。古人擇吉地,首推選擇有曲流的地方,認為在河流環抱處,也就是曲流的地方,會止息結穴,聚集一股蓬勃的生氣;尤其流水呈「玉帶環腰狀」,則該處氣場將更為興旺蓬勃。所以風水也重視地域河流的形貌,「源宜朝抱有情,不宜直射關閉,去口宜關閉緊密,最怕直去無處」。也就是要有曲流,不宜直來直往
 
圖二、蜿蜒曲折的基隆河
 

從地質上來說,處於較上游的河流,由於坡度較陡,以侵蝕和搬運作用為主,因此河流形狀以直流河為主。居住於此處,很容易遭受土石流與暴雨溢流的侵蝕影響,造成極大的災害。位於中游的河川,因為坡度減緩,侵蝕與搬運作用兼具,大致達到平衡,於是形成曲流。居住於此,由於侵蝕與搬運作用兼具且平衡,因此大致上為河流搬運沉積物的通過區,相對屬於較安全的居住區域。到了下游出海口,坡度幾乎已接近水平,以堆積作用為主,因此河流多分枝形成許多水淺的辮狀河系統。此一區域,由於位於下游堆積區域,河道多又淺,因此很易改道並且往往夾帶許多中細粒沉積物堆積於此,居住在這種地方,常常要提防河流在一場暴雨後急漲改道的洪水災害。所以,相對而言,河流的中游曲流地區是一個居住較為安全的位置。
 

圖三、從直流到曲流的河川演育

    不過,即便是曲流,也有相對安全與不安全的區位。這點古人也早有見解,例如在《尚書、召誥篇》:庶殷,攻位於洛汭。這裏的「汭」,指的是內邊的意思,當河流曲繞時,凸岸屬於環繞的內邊,而凹岸屬於環繞的外邊,因此上面翻成白話文就是「殷商人民在洛水凸岸的地方建立都城」 。當河水在轉彎時,由於水流的「物理慣性」及「向心力」,在內灣的凸岸,河水流速變慢,造成水中搬運泥沙的能力大減,於是泥沙逐漸屯積,以致凸岸土壤增加,可用的土地愈來愈多,因此難怪早自殷商時代,人們就已知道凸岸是相對安全的區位。相對的,由於河流在轉彎時,離心力加大,促使水流速度加快,造成水中搬運砂土的能力大增,不僅水中泥砂不易沈積該處,而且對沿岸地質,還有侵蝕與沖刷的物理力,因此凹岸河床較深。居住於凹岸,就是俗稱的「反弓水」,由於存在侵蝕作用,當然是不利與災兇的格局囉。
 
圖二、凹岸與凸岸的相對位置
   
   反弓與否或是凸岸與凹岸的位置,其實很容易從對於現在河流形貌的觀察決定。但是費雪要提醒大家的是,還有一種隱藏的反弓水格局,費雪稱之藏弓格局。主要是來自於河流彎曲到一個程度之後,會從曲流的頸部直接改道通過。留下的舊河道曲,學術上稱之為牛軛湖。有時藏弓格局也會因為人為刻意將河道截彎取直產生(例如基隆河)而留下填土後的舊河道。這種牛軛湖/舊河道中往往堆積泥質沉積物或者是不均勻的人工填土,加上地形低窪近河道,往往含有大量地下水形成沼澤或泥地,在這種地方建築房屋,由於地基是軟弱的粘土或是不均勻的廢棄土石組成,常常造成不均勻沉陷而產生建築物的破壞,所以要特別注意。例如台北士林,有一條基河路,其實就是在基隆河截彎取直前的曲流舊河道上,民國81年力霸百老匯工地,就因為深開挖造成附近百齡國中與附近民房傾斜。另外2002年內湖重劃區某建設工地,也有類似案例。所以這種舊河道的藏弓格局,在建築上需要特別注意,或者需要進行適當的地質改良工程。



圖四、大直至內湖的基隆河舊河道的分佈

2013年2月1日 星期五

教授他偏頭痛之暴龍它跌倒了~~


作曲:周杰倫,作詞:席克費雪

教授:喔喔喔喔~~你這個理論,有夠難懂,來人啊~把他給我直接當掉啦!

學生:教授~教授~教授~~~

教授他偏頭痛 教授他偏頭痛 說暴龍它很重 衝衝衝 衝衝衝 衝衝

暴龍它前肢小 暴龍它尾巴搖 那重心被掏空 跑快了 超速三十 卻跌一跤

緊挨著燈座 這十年苦思無人能懂 春夏秋冬

無奈這夜晚寒風卻穿透了屏風 吹幾頁古生物學我淡定思考

演化先搞懂地球歷史才能夠通 分類的科目綱屬種乃是基本功

繁華的生物時代更迭來去匆匆 突變的內容 演進的從容 滅絕的寬容 這些都該懂

我是個大學生 過學測考進來 卻一直狀況外 被報告所擊敗

那教授很搞怪 問暴龍站起來 暴龍它身手壞 跌倒難站起來

教授他偏頭痛 教授他偏頭痛 說暴龍它很重 衝衝衝 衝衝衝 衝衝

暴龍它前肢小 暴龍它尾巴搖 那重心被掏空 跑快了 超速三十 卻跌一跤

教授~教授~教授~~~~~~

我要交報告 免不了學而時習之的 上網亂抄

暴龍的生老病死其實也不單調 談器官功用我的理論給力重要

再感謝各位鄉親還有父父老 提供我資訊網路消息讓我知曉

演化我讀了各種論文篇篇重要 我說想不到 你說早知道 我說很難笑 你說你知道

還好有研究生 說暴龍我明白 它前肢向內彎 沒辦法向外開

它尾巴很厲害 要伸長沒阻礙 那暴龍站起來 靠尾巴平衡快  教授他偏頭痛 教授他偏頭痛 說暴龍它很重 衝衝衝 衝衝衝 衝衝

暴龍它前肢小 暴龍它尾巴搖 那重心被掏空 跑快了 超速三十 卻跌一跤

衝衝衝衝衝衝 這暴龍他不靠譜 跑起來一陣風 它跌倒一鞠躬(躬)

衝衝衝衝衝衝 這暴龍他不靠譜 跑起來一陣風 它跌倒一鞠躬 它跌倒一鞠躬

    後記: 這是一個古生物學上有意思的爭論,因為發現的暴龍(T-Rex)化石,前肢都非常小,因此大家爭辯暴龍可能無法僅靠著後肢,用時速30公里以上的速度行走,因為走太快了可能會失去平衡而跌倒站不起來。這個前肢的功能為何,便成為大家研究與推論的重點。Bruce Rothschild博士1998年發表的文章指出,很多與暴龍一樣前肢都很短的的異特龍(Allosaurus)化石,有14件化石顯示肋骨的部分有斷裂後癒合的痕跡,顯示異特龍可能曾經因為衝太快而遭受仆街(或是犁田)的嚴重傷害。因此James Farlow博士等人提出一個假設,比異特龍要大的暴龍,可能無法用30公里/每小時以上的速度行動,因為超過這個速度,暴龍很可能會跌倒而造成嚴重難以復原的傷害,而且一旦跌倒很有可能再也站不起來。
    當然,也有人持不同看法,例如佛羅里達大學的Gregory M. Erickson博士就說明,暴龍的尾巴是既重且大,他觀察與恐龍接近的禽鳥類,發現禽鳥類也是僅靠後肢便可站立,禽鳥類可以藉著翅膀與尾巴的肌肉力量,改變重心平衡而站立,因此暴龍跌倒了再站起來並不是問題。不過費雪還是有一個疑問:多數的鳥類都是站著或蹲著睡覺的,那體重重達6噸以上的暴龍,站那麼久,不會腳麻?套句台灣流行的廣告,萬一有天敵來了,會不會暴龍只能說:我哪是不願意走,腳麻了是要怎樣走~~~~~~~