礫礫皆辛苦─校區紅土礫石沉積層之研究

壹、摘要

　　這次研究主要是含鐵量滴定及簡易的球度測量。這兩種實驗都能以高中生的能力完成，並且能將課程範圍內的滴定課程再加深加廣，而不須以超出高中課程範圍的實驗手法強行完成。礫石與紅土滴定可得到礫石及紅土含鐵量，並藉礫石及紅土含鐵量判定礫石與紅土之間的關係。而礫石球度則可以繪成金格式分析圖，與礫石球度表比較，用以判斷過去校地地貌。較為可惜的是，微體化石檢測一無所獲，無法藉此判斷地質年代、遠古氣候。將上述資料結合，並配合地質知識，我們將試著重現彰中原始地貌。

貳、研究動機

　　學校資訊館不久前正在施工，由於工地開挖時，我們可以清楚看到學校部份地層結構，恰好提供一個可研究的對象。既然身為學校的一份子，對這個地方有著深刻的情感。希望藉由本次研究，能更了解學校的地層結構。

參、研究目的

一、分析礫石的球度。

二、找尋是否有微體化石存在，推論當時沉積環境。

三、分析校地資訊館工程工地開挖地層中，紅土與礫石之關係。

肆、研究設備及器材

一、硬體

　（一）個人電腦

　（二）標本採樣：六盒紅土及１６２顆礫石

　（三）圓度測量：游標尺、解剖顯微鏡

　（四）數位相機(Pentax Optio X)

　（五）讀卡機

　（六）礫石粉末

　（七）蒸餾水

　（八）實驗設備：燒杯、微量稱取器、滴定管、磁石加溫攪拌器、錐形瓶、量筒、玻棒、漏斗、電子

　　　　天平、滴管、實驗衣、乳膠手套、研缽

　（九）化學藥品：

　　　　1.６N $\large HCl$ 1000ml

　　　　2.85% $H_3PO_4$ 500ml

　　　　3. $SnCl_2$ (S) 1瓶

　　　　4. $HgCl_2$ (S) 1瓶

　　　　5. $DPS$ 指示劑 1瓶

　　　　6. $K_2Cr_2O_7$ 1瓶(經標定為0.44N)

二、軟體

　（一）Microsoft Word

　（二）Internet Explorer

　（三）OpenOffice.org

伍、研究過程及方法

一、礫石圓度、球度測量

　（一）初步分析162顆礫石採樣的球度。

　　　　1.以游標尺分別測量礫石採樣的長軸、次長軸，以及短軸。

　　　　2.紀錄數據。(如附件1)

　（二）球度：

　　　　令欲測顆粒之表面積為a，欲測顆粒相同體積之圓球之表面積為b，則球度之真值可表為 $\frac a b$ 。但實

　　　　際應用上，一個不規則顆粒的球度之真值不易獲得，故瓦德爾（Wadell,1933）又提出了操作上

　　　　的球度： $^3\sqrt (\frac c d)$ 其中c為欲測顆粒之體積，d為涵蓋該顆粒最小球體之體積。

　　　　而金格（Zingg,1935）認為一顆粒之中間截距與最大截距之比值和最小截距與中間截距之比值之

　　　　關係圖，可作為顆粒形狀之劃分標準，上圖即表示金格氏之分類。根據此法，我們可以由外觀

　　　　輕易描述其形狀特徵。

　（三）球度量測

　　　　使用游標尺分別量出編號0001～0162等一百六十二顆石頭之長軸、短軸及次長軸，再將所得數

　　　　據輸入電腦，使用OpenOffice.org軟體製作出如附件2之圖表。

二、微體化石檢測

　（一）化石，在地質的判定中，一直扮演著重要的角色，而一般完整可見的化石又可遇不可求。因

　　　　此，我們試著找出存在機率較高的微體化石，來証實本地層過去的環境。

　（二）首先，我們從六盆紅土中取樣檢測，一開始我們先以解剖顯微鏡觀測，這個方法可說是極具挑

　　　　戰性，我們必須在數十個裝滿紅土的培養皿中，找出一個針頭大的微體化石，方法很簡單，就

　　　　是一小堆一小堆的挑。就這樣持續了一段時間，一無所獲。

　（三）接下來我們從結塊的紅土下手，必須把土塊分離成可觀察的紅土，又不能破壞其中可能含有的

　　　　微體化石，我們使用的方法是將土塊放入裝水的燒杯，再以磁石攪拌器攪散，最後用濾紙將泥

　　　　水過濾，過程繁複費時，風乾後觀察，仍一無所獲。

　（四）這時候我們思索：是否其中真的有微體化石。如果根本沒有，那接下來恐怕是更多的一無所獲

　　　　。決定使用一開始不考慮使用的方法：直接加入鹽酸（5％）。如果其中真的含有微體化石，那

　　　　麼主成份皆為碳酸鈣的微體化石，將與鹽酸產生反應並冒出大量氣泡。雖會破壞部份採樣，但

　　　　至少能證實微體化石的存在，以及確定還有找下去的價值。在實驗前我們將紅土舖平鋪薄，以

　　　　避免加入鹽酸時擠出的氣泡影響判斷。

三、 $K_2Cr_2O_7$ 標定實驗(礫石、紅土含鐵量測定實驗前置作業)

　（一）目的：標定未知濃度之 $K_2Cr_2O_7$ 。

　（二）實驗步驟

　　　　1.精稱　 $FeSO_4*7H_2O$ 　0.8g於250ml錐形瓶中

　　　　2.加入15ml 6N $H_2SO_4$ 及100ml蒸餾水

　　　　3.加入７ml 85% $H_3PO_4$

　　　　4.滴五滴1% DPS(配置：將1g DPS溶於100ml濃硫酸中)

　　　　5.以 $K_2Cr_2O_7$ 滴定，顏色由無色轉為綠色再轉為紫色即達滴定終點。實驗數據如下頁表一。

表一
	實驗一	實驗二	實驗三	平均
$K_2Cr_2O_7$ 消耗量(ml)	4.8	4.8	4.9	4.83

　　　　6.計算 $K_2Cr_2O_7$ 濃度：

由公式推得二鉻酸鉀濃度為0.44N

四、礫石、紅土含鐵量測定實驗

　（一）目的：利用氧化還原滴定法以標準二鉻酸鉀溶液定量礫石紅土中之鐵含量

　（二）原理：

　（三）實驗步驟

　　　　1.空白試驗

　　　　　(1)將0.2ml 蒸餾水加入250ml錐形瓶中

　　　　　(2)加入30ml 6N $HCl$

　　　　　(3)加入1ml 飽和 $SnCl_2$ (aq) (註一)

　　　　　(4)冷卻至室溫，加入10ml飽和 $HgCl_2$ (aq) (註二)

　　　　　(5)以純水稀釋至約200ml

　　　　　(6)加入85%磷酸7ml (註三)

　　　　　(7)加5滴 DPS指示劑

　　　　　(8)以0.0183N $K_2Cr_2O_7$ 填充滴定管，滴定至溶液變藍紫色即達滴定終點

　　　　2.礫石、紅土含鐵量滴定實驗

　　　　　(1)精稱石粉／紅土0.2g，倒入250ml錐形瓶中

　　　　　(2)加入30ml　6N $HCl$

　　　　　(3)加熱溶解→瓶內物質變為黃綠色

　　　　　(4)加入1ml 飽和 $SnCl_2$ (aq) (註一) ，搖動錐形瓶至溶液變為無色

　　　　　(5)冷卻至室溫，加入10ml飽和 $HgCl_2$ (aq) (註二)

　　　　　(6)靜置五分鐘，以純水稀釋至約200ml

　　　　　(7)加入85%磷酸7ml (註三)

　　　　　(8)加5滴DPS指示劑

　　　　　(9)以0.0183N $K_2Cr_2O_7$ 填充滴定管，滴定至溶液變藍紫色即達滴定終點

　　　　註一： $SnCl_2$ 為還原劑，可將 $Fe^3^+$ 還原成 $Fe^2^+$

　　　　註二： $HgCl_2$ 可氧化過量氯化錫

　　　　註三：85%磷酸可使DPS指示劑反應更敏銳

陸、研究結果

一、礫石圓度、球度測量

　（一）得到金格氏分類圖

二、微體化石檢測

　　實驗結果，無任何反應，因此暫推論彰中資訊館的預定地上，無碳酸鈣類微體化石。

三、礫石、紅土含鐵量滴定實驗

　（一）空白試驗：由下表可知，此實驗之背景值約為2.95ml (0.44N $K_2Cr_2O_7$ )。

　（二）正式實驗數據如下：

表二空白試驗(背景值)
	實驗一	實驗二	實驗三	平均
二鉻酸鉀消耗量(ml)	0.2	0.1	0.1	0.13

表三、礫石粉末含鐵量滴定實驗
	實驗一	實驗二	實驗三	實驗四	實驗五	平均	扣除背景值
二鉻酸鉀消耗量(ml)	1.4	1.1	1.2	1.1	1.2	1.20	1.07

表四、紅土含鐵量滴定實驗
	實驗一	實驗二	實驗三	實驗四	實驗五	平均	扣除背景值
二鉻酸鉀消耗量(ml)	2.2	1.9	1.9	2.0	1.7	1.94	1.81

　（三）紅土及礫石之含鐵百分比如下：

由以上式子得知，礫石含鐵百分比為0.55%

由以上式子得知，紅土含鐵百分比為0.92%

柒、討論

一、由金格氏分類圖，可看出彰中資訊館開挖工程地之礫石大多偏球形，扁長形及棍棒形次之，極少數

　　為扁平形。由此可推論沉積時之水流流速甚大(約2~10m/sec)，且經遠距離搬運。

二、由於碳酸鈣類微體化石能與鹽酸反應，推論彰中資訊館工程開挖的紅土礫石中，不含碳酸鈣類微體

　　化石。

三、根據所得之礫石、紅土含鐵百分比，可明顯看出紅土含鐵量略高於礫石。若紅土為其周圍礫石風化

　　而成，則推測為雨水之淋溶作用，使表層紅土內所含的碳酸鹽類等成分減少，進而使紅土鐵含量比

　　例提高，而礫石內部不易受其作用，造成紅土之含鐵比例略高於礫石；亦可能礫石與紅土皆為外來

　　沖積物，在搬運過程中，紅土受到水的溶解作用，碳酸鹽類也隨之減少，紅土鐵含量比例提高，同

　　樣也能使紅土含鐵比例略高於礫石。而從已開挖的工地地層剖面圖可看出在礫石紅土層之外另有明

　　顯之紅土層，顯示以上兩種推論均有可能。

捌、結論

一、彰中近地表地層沉積時經過遠距離搬運，且水流速甚大。

二、由於靠近地表10m附近無微體化石的存在，無法以微體化石的種類推論當時之沉積環境。

三、彰中近地表地層之紅土與礫石應皆為外來沉積物。

玖、參考資料及其他

一、何春蓀，臺灣地質概論，民83出版，經濟部中央地質調查所

二、林洪志，分析化學，民90出版，三民書局

三、馮靜安，分析化學實驗，民93出版，高立圖書

四、Sam Boggs, JR. ，PRINCIPLES OF Sedimentology and Stratigraphy，1995出版，PRENTICE HALL

五、何信昌陳勉銘，台灣地質圖圖幅第二十四號台中，民89出版，經濟部中央地質調查所

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