109 年 國立臺灣大學海洋研究所物理與化學與地物組（3組聯招）《普通地質學》

Ophiolite 是一種蛇綠岩套，指的是在陸地上發現的、由上覆的陸殼下方俯衝到地函中的海洋地殼及部分上部地函所組成的岩體。它通常包含以下幾層結構，由下而上依序為：

1. 上部地函橄欖岩 (Upper mantle peridotite)：主要是輝石橄欖岩 (lherzolite) 或方橄欖岩 (harzburgite)。
2. 臥式岩脈群 (Sheeted dikes)：由輝綠岩 (diabase) 組成的平行岩脈，代表了海底擴張時期的岩漿上升通道。
3. 枕狀熔岩 (Pillow lavas)：典型的玄武岩質熔岩，呈枕狀構造，是海底火山噴發的證據。

Landslide，中文稱為「地滑」或「山崩」，是指斜坡上的岩石、土壤或兩者混合物的重力滑動現象。這是一種常見的自然災害，可能由多種因素誘發，包括：

• 水的影響：降雨或融雪使土壤飽和，增加孔隙水壓力，降低土壤顆粒間的摩擦力；地下水位升高也會增加斜坡的總重。
• 地質條件：軟弱的岩層、不連續的節理或斷層、傾斜的岩層或土壤層。
• 地形坡度：坡度越陡，重力分量越容易導致滑動。
• 地震：地震引起的震動會暫時降低土壤的強度，誘發滑動。

Geomagnetic reversal，中文稱為「地磁倒轉」或「磁場極性倒轉」，是指地球磁場的南北極性發生週期性變換的現象。地球的磁場是由地核內熔融鐵鎳合金的對流運動所產生（發電機效應），這個過程並非完全穩定，導致磁場強度會波動，甚至在數千到數萬年的時間尺度上，磁場的南北極會完全顛倒。

地磁倒轉的證據主要來自於：

• 海底擴張帶 (Mid-ocean ridges)：新生的海洋地殼在脊軸處形成時，會記錄下當時的地球磁場方向。

Smectite 是一類重要的黏土礦物，屬於二八面體或三八面體結構的層狀矽酸鹽。其基本結構單元是由一層四面體片（由矽原子與氧原子組成）夾一層或兩層八面體片（由鋁、鎂、鐵等金屬原子與氧、氫氧根組成）構成。

Smectite 的關鍵特徵是其層間陽離子（如 Na$^+$、K$^+$、Ca$^{2+}$、Mg$^{2+}$）和水分子可以自由進出層間空間，導致其具有高度的膨脹性。當水分進入層間時，礦物的體積會顯著增大；失去水分時則會收縮。這種吸水膨脹和失水收縮的特性，使得 smectite 在地質學、土壤學、工程地質學和環境科學中有廣泛的應用和影響。

常見的 smectite 礦物包括：

Dehydration，中文稱為「脫水作用」，是指一個化學過程，其中水分子 (H$_2$O) 從一個分子中移除，或從一個系統中移除。在地質學上，脫水作用主要發生在以下兩種情況：

1. 礦物脫水 (Mineral dehydration)：當礦物在受熱、受壓或化學環境改變時，其結構中的水分子會被釋放出來。例如，黏土礦物（如 kaolinite）在加熱時會失去結構水，轉變成其他無水礦物。這個過程是變質作用和沉積物壓實過程中常見的現象。

Mantle convection，中文稱為「地函對流」，是指地球地函（mantle）中岩石圈之下、地核之上物質所發生的緩慢對流運動。它是驅動板塊構造運動的主要能量來源，也是地球內部熱量散失的主要方式。

地函對流的機制如下：

• 熱源：地球內部熱量主要來自放射性元素衰變和地球形成時殘留的原始熱量。
• 密度差異：地函物質受熱時密度會降低，上升；冷卻時密度會升高，下沉。
• 對流環流：這種密度差異導致地函物質形成緩慢的環流，熱的物質從地函深部上升，冷卻後再下沉，形成稱為「對流單元」(convection cells) 的循環模式。

在地表，地函對流的影響體現在：

Volcanic arc，中文稱為「火山弧」，是指在地殼變形或碰撞的區域，特別是與俯衝帶相關聯的火山鏈。火山弧是板塊構造的一個重要特徵，通常形成於俯衝帶的陸側。

火山弧的形成機制如下：

• 板塊俯衝：當一個密度較大的海洋板塊俯衝到另一個板塊（陸殼或較年輕的海洋殼）之下時，俯衝的洋殼會攜帶水進入地函。
• 熔融誘發：在俯衝板塊下沉過程中，其攜帶的水分會釋放到上覆地函楔 (mantle wedge) 中。水會降低上覆地函楔的熔點，使其部分熔融，形成岩漿。
• 岩漿上升與噴發：形成的岩漿比周圍的固體岩石密度小，會上升穿透上覆的板塊，最終在地表噴發形成火山。

Isostasy，中文稱為「均衡論」或「靜水均衡」，是指地球岩石圈（lithosphere）在地函（asthenosphere）上漂浮時，處於一種彷彿漂浮在流體上的靜力平衡狀態。這個概念用來解釋地殼表面高程（如高山、高原、平原、深海）差異的成因。

均衡論的基本原理是：

• 浮力原理：如同冰山漂浮在水中，岩石圈的不同部分在地函上承受的浮力與其自身的重量相平衡。
• 密度與厚度：地殼的密度雖然大致相似，但其厚度不同。較厚、密度較小的岩石圈（如大陸地殼）會抬升得更高；較薄、密度較大的岩石圈（如海洋地殼）則會下沉得更深。

「岩石循環」(Rock Cycle) 是地質學中一個描述地球上岩石不斷形成、轉變、破壞並再生的過程。它說明了三種主要岩石類型——火成岩 (igneous rocks)、沉積岩 (sedimentary rocks) 和變質岩 (metamorphic rocks) 之間的相互轉化關係。

岩石循環的過程：

1. 火成岩的形成：岩漿 (magma) 或熔岩 (lava) 冷卻凝固而成。
   • 岩漿在地表之下冷卻形成侵入火成岩（如花崗岩）。
   • 熔岩在地表噴發冷卻形成噴出火成岩（如玄武岩）。
2. 風化與侵蝕：火成岩、沉積岩或變質岩暴露在地表後，受到物理、化學和生物風化作用而破碎，隨後被風、水、冰等外營力侵蝕搬運。
3. 沉積與壓實/膠結：被搬運的碎屑物（沉積物）在低窪地區（如河流、湖泊、海洋）沉積下來。隨著沉積物的堆積，上覆的壓力會使下方的沉積物被壓實 (compaction)，而溶解在水中的礦物質則會沉澱膠結 (cementation)，最終形成沉積岩。
4. 變質作用：原有的火成岩、沉積岩或變質岩，若受到高溫、高壓或化學活性的流體作用，其礦物成分和質地會發生改變，但不會熔化，形成變質岩。例如，砂岩可能變為石英岩，頁岩可能變為板岩或片岩。
5. 熔融：當岩石被埋藏到足夠深的地下，溫度和壓力升高到超過其熔點時，它會熔化成岩漿，然後岩漿可以再次冷卻凝固，開始新的岩石循環。

岩石循環與板塊構造活動的關聯：

板塊構造活動是驅動岩石循環最主要的動力來源，它在地質時間尺度上促進了岩石的生成、轉化和破壞。

決定地層相對年代的方法：

相對年代 (relative age) 是指地層或地質事件相對於其他地層或事件的先後順序，而不涉及具體的年齡數字。地質學家主要依據以下幾個基本原理來確定地層的相對年代：

1. 疊覆律 (Principle of Superposition)：在未受干擾的沉積岩層中，下方的岩層比上方的岩層來得老。這是因為沉積物是逐層堆積的。
2. 原始水平律 (Principle of Original Horizontality)：沉積物在沉積時，通常是水平或接近水平的狀態。如果發現傾斜或褶皺的岩層，表示沉積後曾受到地殼運動的影響。
3. 連續律 (Principle of Original Continuity)：沉積岩層在沉積時是連續的，並向四周延伸。若發現斷開的岩層，表示在沉積之後曾有侵蝕作用或斷層作用發生。
4. 侵入者定律 (Principle of Cross-Cutting Relationships)：在地質體（如斷層、岩脈、岩基）切穿其他岩層時，切穿者比被切穿者年輕。
5. 包體/包含物定律 (Principle of Inclusions)：被包含在另一岩石中的岩塊（包含物）比包含它的岩石來得老。

透過應用這些基本原理，地質學家可以建立地層的層序，並推斷不同地質事件的先後順序。此外，生物地層學 (Biostratigraphy) 也是一種重要的相對年代測定方法，利用具有廣泛分佈、快速演化且易於識別的化石（指標化石, index fossils）來比對不同地區的地層，確定其相對年代。

取得岩石絕對年代的方法：

絕對年代 (absolute age) 或稱放射性年代，是指地質體（如岩石、礦物）的具體年齡，通常以百萬年 (Ma) 或十億年 (Ga) 為單位表示。主要方法是利用放射性同位素定年法 (radiometric dating)。

地震波是地震發生時，能量以彈性波的形式在地球內部傳播的波動。地震波分為體波 (body waves) 和面波 (surface waves)。

a. 兩種體波的傳遞方式、質點震動型態與特性：

體波是沿著地球內部傳播的地震波，速度較快，是首先到達地震儀的地震波。主要有兩種：

1. P波 (Primary wave / Longitudinal wave)：

   • 傳遞方式：P波是縱波，其振動方向與波的傳播方向平行。
   • 質點震動型態：質點隨著波的傳播方向來回振動，產生壓縮 (compression) 和拉伸 (dilation) 的作用，就像聲波一樣。
   • 特性：
     • 速度最快，通常為 5-8 km/s。
     • 可以在固體、液體和氣體中傳播。
     • 對地殼的破壞性相對較小。

2. S波 (Secondary wave / Transverse wave)：

   • 傳遞方式：S波是橫波，其振動方向與波的傳播方向垂直。
   • 質點震動型態：質點垂直於波的傳播方向上下或前後振動，產生剪切 (shearing) 的作用。
   • 特性：
     • 速度比 P波慢，通常為 3-5 km/s。
     • 只能在固體中傳播，無法在液體或氣體中傳播。這也是地核內部結構研究的重要依據，因為 S波無法穿過外核。
     • 對地殼的破壞性比 P波大。

b. 兩種面波的傳遞方式、質點震動型態與特性：

面波是沿著地球表面或界面傳播的地震波，速度較慢，但振幅較大，對地表的破壞性最強。主要有兩種：

斷層 (fault) 是指岩體在應力作用下，沿著一個或兩個破裂面（斷層面）發生相對位移的地質構造。

a. 斷層發生後，如何定義上盤與下盤：

斷層的「上盤」(hanging wall) 和「下盤」(footwall) 的定義是相對於斷層面的傾斜方向。想像一個人站在斷層面上，面向傾斜方向：

• 上盤 (Hanging wall)：是位於斷層面傾斜方向上方的部分。
• 下盤 (Footwall)：是位於斷層面傾斜方向下方的部分。

這個命名源於早期礦工在傾斜礦脈中採礦時，他們頭上方的岩石稱為上盤，腳下的岩石稱為下盤。

b. 三種常見的斷層錯動行為及其地體構造區域：

斷層的錯動方式主要取決於施加在岩層上的應力類型。依據上盤相對於下盤的運動方向，可將斷層分為三種類型：

1. 正斷層 (Normal fault)：

   • 受力型態：主要由張力應力 (tensional stress) 引起，岩層受到拉伸。
   • 錯動方式：上盤相對於下盤向下移動。
   • 說明：在張力環境下，地殼會被拉伸、變薄，岩層沿斷層面發生延展性的位移。
   • 常見地體構造區域：
     • 張裂性板塊邊界：如大洋中脊、裂谷 (rift valleys)，例如東非大裂谷。
     • 地殼伸展區域：如盆地與山脈構造 (Basin and Range province) 在美國西部。

2. 逆斷層 (Reverse fault)：

   • 受力型態：主要由壓縮應力 (compressional stress) 引起，岩層受到擠壓。
   • 錯動方式：上盤相對於下盤向上移動。