金門島主要含水層(金門層)的空間分佈研究
陳智隆   劉育銓
核能研究所   桃園煉油廠

摘要

地下水為金門地區重要水資源，研究該地區主要含水層（金門層）分布有助於該地區之水資源管理。本研究透過蒐集該地區歷年的鑽探報告（共222 孔鑽探資料），並以四個假設(1)花崗片麻岩於金門島沿海最低處出露；(2)金門島海岸線為KF-T 分佈之邊界；(3)出露的金門層分佈區域為金門層的已知分佈範圍；(4)花崗片麻岩出露區域為花崗片麻岩的已知分佈範圍（KF-B 分佈邊界），運用克力金法分析金門層上層面（KF-T）與下層面（KF-B）的高程空間分佈，進而估算此主要含水層的厚度分布。KF-T與KF-B 的分析結果與最新的鑽探資料比較，顯示高程誤差不超過10 公尺，証實分析結果的可信。研究中並探討存在於該地區西部的古河道位置。

關鍵詞（Key Words）)：金門島（Kinmen Island）、花崗片麻岩（crystalline rock）、金門層（Kinmen Formation）

壹、前言與目的

金門地區地處海島，水資源有限，然而該地區近年來致力於發展觀光產業，並開放作為小三通主要管道，使得用水人口驟升。金門地區在水資源的供應上超過50 %來自抽取地下水，但地下水的過度開發可能導致該地區含水層受海水入侵及水質鹽化。因此，掌握金門地區主要含水層（金門層）的厚度分佈，為估算該區域地下水儲藏量或安全出水量的第一步，用以確保對此區域地下水資源的長期永續經營。故本研究針對此課題，蒐集該區域歷年來的鑽探資料，運用克利金（Kringing）地質統計分析方法推估金門層上層面（KF-T，Kinmen Formation-Top）與下層面（KF-B，Kinmen Formation –Bottom）的高程空間分佈，並進而估算此主要含水層的厚度分布。

貳、金門島地質概述

金門島地處大陸東南沿海，福建省九龍江口的廈門灣內，為典型的大陸型島嶼，周圍有廈門島、烈嶼、大膽島等其他大小島嶼環繞。金門島由距今兩億年到一億年前的燕山運動所造成，在燕山運動期間，有廣泛的岩漿活動。在此運動結束時（距今約八千萬年至一億年之間），構成金門島基盤的花崗岩與花崗片麻岩，在距離地面28 公里至30 公里的深處形成，並構成金門島最高的太武山23。在三次海升海降的地形回春作用下，形成金門島中央偏西的廣大紅土臺地與沖積平原，其下則埋著一個由花崗片麻岩基盤構成並呈東南─西北走向的凹槽15。此凹槽為古九龍江河道的遺跡，最低點為海平面以下48 公尺17。另外，由鑽井資料研判，古河道最深處距離地表約有170公尺5。本研究亦透過分析KF-B 來探討此古河道的位置。

在花崗片麻岩基盤上方，非整合（Nonconformity）地堆積來自大陸岩源區風化侵蝕作用所產生的沉積物（即金門層）；在金門層上方則不整合（Unconformity）堆積紅土層或現代沉積層；紅土層為移積型紅土，大多由暗紅色至橙黃色含礫泥質砂岩和含礫砂質黏土組成；現代沉積層為現代河流、海濱堆積之水成砂礫層及風成沙丘。金門層可依據岩性與沉積物來源不同區分為上下二段（Member），即上段金門層與下段金門層。下段金門層主要為基盤花崗片麻岩之風化土壤或風化物之沉積，組成材料主要為石英砂、細礫及雲母等，厚度自零公尺至十餘公尺。上段金門層主要為來自大陸之碎屑物質，由白色高嶺土質黏土黏結石英砂而成之泥質砂岩、潔淨未固結砂礫層及白色至灰白色高嶺土質黏土交間而成，厚度由幾公尺至數十公尺17。

參、資料運用與假設

一、鑽探資料分析

本研究蒐集金門地區歷年地質鑽探資料15 筆6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 16, 17, 18, 20, 21, 22，共222 孔鑽探成果，範圍涵蓋金門全島。其中陳培源（1965）17、金門縣政府（1969）16與陳培源（1970）18 中的鑽探成果乃直接引用自經濟部礦產測勘團（1962）22。另外，鑽探資料中除李錦樟（1995）21 為第二手資料外，其餘皆為各工程計畫進行之第一手鑽探，因此無資料重複性問題。鑽探資料來源無論是全島性或僅侷限於局部地區，在進行地層層面模擬時皆視為同等重要。

將所蒐集的鑽探資料根據現代沉積層、紅土層、金門層以及花崗片麻岩層的定義17, 18 進行地層研判。其中金門層不區分上段金門層或下段金門層而僅視為一個整體的地層。金門島的基盤包括花崗岩、花崗片麻岩、煌斑岩等不同岩性，其中花崗片麻岩為主要岩性。基於本研究的目的僅在於探討金門層的厚度分佈，因此不詳細區分不同的基盤岩性，而假設為單一岩性（即花崗片麻岩）。

以二萬五千分一的地形圖為底圖，以Land Development Desktop（簡稱LDT）套裝軟體依據各文獻所提供的鑽孔資料標定孔位，定位方式包括(1)文獻資料記載的座標位置(2)根據鑽探位置圖，以疊圖方式進行孔位定位。LDT 的操作與運用可參考相關文獻1, 2, 25。

二、地表地質

地質圖的製作乃是將在地表進行地質調查所得的岩體種類、分佈界線、構造型態等繪製於地形圖上，構成具有地質意義的圖面，因此地質圖能夠表示某一地區地表上各種岩層的分佈與其它地質構造19。本研究根據金門島地質圖（如圖1 所示），透過LDT 進行描圖，標定出金門層與花崗片麻岩分佈範圍。由描圖而得之分布資料僅為2D平面，故透過LDT 的立體投影功能，將分佈範圍投影至數位地形面，而得到3D 地層分佈。此出露之地層分佈範圍亦視為金門層或花崗片麻岩之已知分佈區域並被用來分析層面分佈。

三、基本假設

進行地層層面分析有以下四點假設：(1)花崗片麻岩於金門島沿海最低處出露；(2)金門島海岸線為KF-T 分佈之邊界；(3)出露的金門層分佈區域為金門層的已知分佈範圍；(4)花崗片麻岩出露區域為花崗片麻岩的已知分佈範圍（KF-B 分佈邊界）。此四點假設分述如下：

（一）花崗片麻岩於金門島沿海最低處出露

花崗片麻岩為金門島的基岩，其分佈範圍不僅拘限於金門島內，而是分佈到鄰近海洋底部甚至亦延伸成為鄰近島嶼的基岩。根據金門田埔至中國圍頭的海底剖面（如圖2 所示）可知24，花崗片麻岩會在海洋底部出露，因此，進行KF-B 分析時，將金門島周圍海洋底部花崗片麻岩層之出露點亦納入分析考量。

（二）金門島海岸線為KF-T 分佈之邊界

一般在進行層面、地形面或污染物濃度分析模擬時，並沒有特定指明模擬的區域有邊界問題，是因為層面或地形面在所關心的範圍內外仍是連續性分佈。但在本研究中，由於金門島是一個島嶼，紅土層或現代沉積層的分佈會受到島嶼範圍的拘限，也就是說紅土層或現代沉積層將只會分佈在金門島上，因此，金門層與紅土層或現代沉積層的層面（即KF-T），可以金門島的海岸線作為分佈的範圍邊界。

（三）出露的金門層分佈區域為金門層的已知分佈範圍

地層在地表出露有其一定範圍，在此地表範圍之內的地層是一個岩性，而範圍之外的是另一種岩性，故此分佈範圍可視為一個已知的分佈條件。

（四）花崗片麻岩出露區域為花崗片麻岩的已知分佈範圍（KF-B 分佈邊界）

金門島上的地層分佈由下而上為花崗片麻岩層、金門層、紅土層或現代沉積層，因此，在地表上出露的花崗片麻岩區域內，皆為花崗片麻岩，而範圍之外則為金門層或其它地層；從金門層的角度來看，金門層的分佈範圍不會超越花崗片麻岩在地表上出露的區域，因此，此分佈範圍可視為KF-B 的分佈邊界。

肆、分析方法與結果

本研究中以Surfer 7.0 用克力金法進行分析KF-B 與KF-T 分佈分析，分析結果並以最新的地質鑽探資料20 進行比較。Surfer7.0 套裝軟體為Golden Software, Inc.所研發，以網格為計算基礎來顯示等高線圖及立體圖之地形分析。該軟體內建九種數學統計內差方法：距離倒數乘方法（Inverse Distance to a Power）、克力金法、最小曲率法（Minimum Curvature）、多元回歸法（Polynomial Regression）、徑向基本函數法（Radial Basis Function）、謝別德法（Modified Shepard's Method）、三角網/線形插值法（Triangulation with Linear Interpolation）、自然臨界法（Natural Neighbor）與最近臨界法（Nearest Neighbor）。每種數學內差方法都有其相關的參數設定，通過對內差方法的選擇和參數設置，可以計算不同方法的等值線圖。本研究採用這九種數學內差模式中的克力金法。

克力金法是最被廣泛運用在模擬地形變化、地下水位面變化或污染物濃度變化等方面，此方法採用最佳線性不偏推估（best linear unbiased estimator，簡稱blue），利用資料點的空間變異性來推估某一推估點與各已知點的權重關係，再將已知點的值乘上權重以推求出推估點的值。推估資料點離已知點距離愈遠與已知點的相似性愈小，此關係即空間變異性。空間變異性以半變異圖（Semi-Variogram）表示。在半變異圖中，兩點之間隨著距離增加，空間相關性降低，而趨於一定值，此定值稱為總體半變異數（Sill）。達到總體半變異數的最小距離稱為影響範圍（Range）。理論上兩點距離為零時，半變異數應為零，但實際情形卻不是如此，此現象稱為塊金效應（Nugget Effect）。一般計算半變異圖會呈現散亂不規則型態，無法呈現一規則趨勢，因此通常假設一數學模式進行最佳化模擬。採用的數學模式有：球型模式（Spherical Model）、指數模式（Exponential Model）、高斯模式（Gauss Model）與級數模式（Power Model）。克力金法即透過考量空間變異性的半變異數分析，進行空間不同權重的推估模擬，讓需考量空間變異的地形模擬更具代表性。克力金法的原理或運用可參考相關文獻3, 4。

一、KF-B

KF-B 分析資料包括鑽探資料中金門層與底部基盤高程與位置、花崗片麻岩於地表的出露區域及花崗片麻岩於金門島沿海海底深處出露處（如圖3 所示）。以克力金法進行分析所得之半變異圖如圖4 所示，以指數模式進行模擬，所得的總體半變異數為800，影響範圍為1000。根據此半變異數的擬合結果進行KF-B 模擬分析，結果如圖5 所示，偏差分析結果如圖6 所示。

由圖5 可觀察到，花崗片麻岩在太武山區出露，並與金門島東北角的山區連成一線，另在金門島的西南角山區一帶出露。KF-B 在這兩個花崗片麻岩出露山區之間，呈現下凹現象(即金門島中央地帶)，此凹槽即為古九龍江河道的遺跡。由圖6 可看出，在金門島南方海灣與西北角一帶，由於資料欠缺的關係，因此在此二處的估計偏差值較高，而中央地帶亦由於鑽探資料點不足，使得估計偏差值約略偏高。
以最新的地質鑽探資料20 深度達到KF-B 的MW_001、MW_006 及MW_007 進行比對，結果列於表1。由表1 可知，MW_006 和MW_007 的計算誤差值較大：MW_006的高程推估誤差值為41.58 m、MW_007 的深度推估誤差值為39.86 m，而MW_001
的計算誤差值僅為4.69 m。對於MW_006 以及MW_007 會有這樣大的誤差，主要原因在於MW_006 及MW_007 位置區域缺乏資料，因此影響分析的結果。

二、KF-T

KF-T 分析資料包括鑽探的層面資料、金門島海岸線、金門層在地表的出露區域，以及花崗片麻岩於地表的出露區域（如圖7 所示）。克力金法分析之半變異圖如圖8 所示，亦以指數模式進行模擬，所得的總體半變異數為150，影響範圍為1600。根據此半變異數的擬合結果進行分析結果如圖9 所示，偏差結果如圖10 所示。

由圖9 可觀察到，KF-T 的分佈可區分成東西兩部分，在島的東半部，KF-T 主要受太武山影響，隨太武山呈現向海岸線逐漸變緩的趨勢。在島的西半部，KF-T 除了略受左下山區的影響外，主要在中央地帶較高而向西北角逐漸遞減。由圖10 可觀察到，計算偏差主要在10 m 內並集中在島的東半部與中央地帶，東半部主要是由於欠缺此區域的鑽探資料，而中央地帶則是由於鑽探資料較為零星分佈的關係。

KF-T 的10 孔鑽探結果比較如表2 所列，高程推估結果統計R2 值達0.75。KF-T在MW_002、MW_005 及MW_008 這3 孔的高程誤差較大：MW_002 的深度推估誤差值為12.15 m、MW_005 的深度推估誤差值為15.07 m、MW_008 的深度推估誤差值為15.08 m。至於為何MW_002、MW_005 以及MW_008 這3 孔的誤差超過10 m，主要原因是：(1)MW_002 所處的區域地表高程約50 m，但此鑽探位置靠近溪流，可能受河流表面侵蝕作用，地表實際測量時僅21.6 m，並且在此處的鑽探結果發現金門層已在地表出露，因此，在推估KF-T 高程上，會造成近30 m 的誤差，因此，分析中誤差值僅為12.79 m 可算為小。(2)MW_005 位置靠近海岸線，高程計算受海岸線邊界的影響，因此所計算的高程值偏低。(3)MW_008 位置欠缺相關資料，因此，推估資料的可信性自然偏低。

三、金門層厚度變化探討

在KF-T 與KF-B 之間即為金門層，將KF-T 的高程扣除KF-B 的高程可得到金門層厚度變化，如圖11 所示。由圖11 可觀察到金門層主要分佈在島的西半部中央地帶（即古河道位置），厚度約60～80 m；另外在島的東半部受太武山阻隔，分成南北兩塊區域，北邊厚約10 m，而南邊則以南北向條狀分佈，厚度約10～20 m。對於地下水資源開發而言，由於金門層在島的西半部分佈較厚，東半部較薄，因此，在開發上以西半部較有效益；而對於東半部地下水的使用上，由於受太武山阻隔南北各自成近獨立區塊，因此，應採取各自獨立的管理方式。

四、古河道位置探討

關於古河道位置根據本研究KF-B 的分析結果顯示（圖12），古河道東岸在中蘭、成功一帶與陳培源的研究17 大致符合；然而，古河道西岸則在泗湖、金城一線由金城附近出海，與陳培源的研究17 結果約略不同，此差異需藉由補充資料點再進一步確認，而可以確認的是，在金門島西側中央地帶確實存在古河道。

伍、討論與建議

藉由以上以克力金方法進行KF-B 與KF-T 分析並計算金門層厚度分佈之分析結果，可歸納出以下幾點結論：

一、本研究中使用的資料與假設：島嶼的海岸線、地層於地表的出露區域、基盤於海洋底部的出露，有益於增加可用之資料並提高分析的可信度。

二、金門層厚度變化（如圖11 所示）分析，有助於地下水資源開發，為進一步增進其分析的準確性，可根據偏差圖（圖6 所示）在中央地帶（即古河道位置）增加鑽探點，如此可降低在這附近的高程推估誤差。

三、透過KF-B 的分析，證實金門島西部存在古河道，古河道西岸位置與陳培源的研究17 約略不同，需待更多的鑽探資料來探討其確實位置。

由以上研討可知本研究已初步完成金門島主要含水層(即金門層)的層面高程分布以及厚度分析，成果可有助於該地區的地下水資源使用與管理。

陸、參考文獻


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24 許如霖、劉進義和許國強，2000，金門海底輸水管線可行性之研究，海下技術季刊，第10 卷，第3 期，16～25 頁。
25 劉育銓、陳智隆和蘇碩懿，2003，LDT 建立立體地質與水文圖之應用，電子計算機於土木水力工程應用研討會與論壇。