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）《海洋地質學》

此題為是非題，旨在測驗考生對基礎海洋地質學概念的理解，涵蓋板塊構造、地震波、地球物理探勘、地球磁性與地質構造等面向。

1. O。被動大陸邊緣（Passive Continental Margin）是指位於板塊內部的大陸邊緣，通常由大陸地殼向海洋地殼逐漸變薄，並延伸至深海平原。其主要組成部分包括大陸棚（Continental Shelf）、大陸坡（Continental Slope）和大陸隆堆（Continental Rise）。深海平原（Abyssal Plain）是緊鄰大陸隆堆的廣闊平坦海底區域。
2. X。活動大陸邊緣（Active Continental Margin）是指位於板塊交界處的大陸邊緣，通常與俯衝帶（Subduction Zone）相關。它包含大陸棚、大陸坡，但通常沒有明顯的大陸隆堆，取而代之的是海溝（Trench）或火山弧。
3. O。臺灣位於歐亞大陸板塊（Eurasian Plate）與菲律賓海板塊（Philippine Sea Plate）的碰撞與聚合邊界。這個複雜的地體構造導致了臺灣地區的劇烈地殼變動，包括地震、火山活動以及複雜的地形。
4. O。P波（Primary wave，縱波）是地震波的一種，其傳播速度較快，並且可以在固體、液體和氣體介質中傳播。S波（Secondary wave，橫波）的傳播速度較慢，且只能在固體介質中傳播。因此，P波速度確實比S波快，且在液態（如外核）中無法傳播。
5. X。反射震測（Seismic Reflection）技術是一種間接方法，透過發射地震波並記錄其在地層界面反射回來的訊號來研究地球內部結構。它能提供地層界面、沉積物厚度、構造等資訊，但並非直接觀察。
6. O。板塊（Plate）是地球岩石圈（Lithosphere）的巨大片段，主要分為密度較低的、較厚的大陸板塊（Continental Plate）和密度較高、較薄的海洋板塊（Oceanic Plate）。
7. X。

此題為名詞解釋題，共包含五個名詞，旨在測試考生對海洋地質學中關鍵名詞的理解與掌握。

1. 海底仿擬反射 (Seafloor Mimic Reflection)：
   海底仿擬反射是指在地層反射震測剖面上，出現的反射訊號特徵與真實海底反射訊號相似，但實際上這些反射訊號來自海底以下的沉積層界面。這種現象可能發生在沉積物密度或聲學阻抗變化劇烈，且與海底沉積物聲學阻抗差異不大時。例如，在快速沉積的環境中，上覆的沉積物層可能因為密度或含水量變化，產生與真實海底相似的反射特徵，容易被誤判為海底界面。
2. 自由空間異常 (Free-air Anomaly)：
   自由空間異常是重力測量中，扣除了地球自轉、緯度、高度、地球非球形及自轉引起的離心力等因素，但未扣除地形（即未扣除參考橢球體上方或下方的質量）的重力異常值。它反映了測點下方大範圍地殼質量分佈的變化，是表示地殼結構和岩石圈狀態的重要指標。
3. 地殼均衡理論 (Isostasy)：
   地殼均衡理論是指地球的岩石圈（包括地殼和上部地幔）處於一種浮力平衡狀態，如同漂浮在較軟、密度較大的軟流圈（Asthenosphere）之上。該理論有幾種模型，其中最著名的是艾里（Airy）模型和普拉特（Pratt）模型。
   • 艾里模型：假設地殼厚度不均，但其下方的密度是均勻的。較厚的地殼（如山脈）有較深的「根」，而較薄的地殼（如海洋）則根部較淺。
   • 普拉特模型：假設地殼的頂部高度不均，但其下方的密度是變化的，較高區域的密度較小，較低區域的密度較大，使得所有「根」的底部都在同一深度。
     地殼均衡理論解釋了為何高原、山脈和大陸地殼比海洋地殼更厚，以及為何它們能夠在地函上方保持相對穩定的高度。

此題考查熱液循環、黑煙囪與白煙囪等概念，是海洋地質學中關於海底熱泉活動的重要內容。

熱液循環的物質交換過程：

熱液循環（Hydrothermal Circulation）是指海水滲透到地殼裂縫中，被地下的高溫岩漿或熱岩加熱，然後溶解岩石中的礦物質，形成富含溶解物質的熱液，再從地殼裂縫中噴發回海底或海洋中的過程。這個過程是地球內部物質與海水交換的重要管道。

1. 海水滲透 (Seawater Infiltration)：較冷、密度較大的海水透過海底沉積物或火山岩的裂縫和孔隙，向下滲入地殼。
2. 加熱與反應 (Heating and Reaction)：滲入的海水在地下高溫區域（通常由岩漿庫或熱岩提供熱源）被加熱。隨著溫度升高，海水的溶解能力增強，會溶解岩石中的金屬離子（如Fe, Mn, Cu, Zn, S等）和揮發性物質。同時，海水中的鎂（Mg）和硫酸鹽（SO4^2-）會被岩石反應消耗，而鈣（Ca^2+）和鹼度則會增加。
3. 熱液噴發 (Hydrothermal Venting)：加熱並富含溶解礦物質的熱液，由於密度降低和壓力變化，會重新透過裂縫上升，最終從海底熱泉噴發出來。
4. 物質沉澱 (Precipitation)：噴發出的熱液溫度通常很高（可達350°C以上），且與周圍低溫（約2°C）的海水混合。熱液中的溶解礦物質，特別是硫化物（如FeS, CuFeS2, ZnS等），在溫度降低和氧化還原條件改變後，會迅速沉澱，形成海底熱泉噴口周圍的硫化物堆積物。

黑煙囪 (Black Smoker) 與白煙囪 (White Smoker)：

黑煙囪和白煙囪都是海底熱泉噴口，是熱液循環的表現形式，但它們噴發的熱液成分、溫度和沉澱物有所不同。

• 黑煙囪 (Black Smoker)：
  • 溫度：通常較高，噴發口溫度可達300-400°C。
  • 成分：富含金屬硫化物。

此題考查海洋盆地的形成、演化與消亡的過程，即海洋盆地的生命週期。

海洋盆地的生命循環 (Life Cycle of an Ocean Basin)

海洋盆地的生命循環是指從其誕生、發展、成熟到最終消亡的完整過程。這個過程主要與板塊構造理論中的擴張（張裂）和俯衝（匯聚）作用相關。

1. 誕生 (Birth) - 張裂與擴張 (Rifting and Spreading)：

   • 起始階段：通常始於大陸內部或大陸邊緣的裂谷作用（Rifting）。由於地幔熱柱（Mantle Plume）或板塊運動的拉張應力，大陸地殼開始變薄、斷裂，形成裂谷。
   • 海底擴張：隨著裂谷進一步發展，地幔物質上湧，形成新的海洋地殼。在中洋脊（Mid-Ocean Ridge）處，新的海洋地殼不斷生成，並向兩側擴張。此時，海洋盆地開始形成並逐漸擴大。

2. 發展與成熟 (Development and Maturity) - 擴張階段：

   • 持續擴張：海洋盆地持續擴張，成為廣闊的深海平原。中洋脊是熱液活動活躍的區域，不斷生成新的、密度較高的洋殼。
   • 洋殼老化：隨著距離中洋脊越來越遠，洋殼逐漸冷卻、收縮，密度增加，並下沉。這導致了海洋盆地中央較高（因熱），而邊緣較低（因冷卻）。

此題考查地質學中的兩個重要思想流派：均變論（Uniformitarianism）與災變論（Catastrophism），以及它們在理解地球歷史和全球變遷中的意義與應用。

1. Uniformitarianism (均變論)

• 定義：均變論，又稱「現在是過去的鑰匙」（The present is the key to the past），是地質學中的基本原則。它主張地球的地質過程（如侵蝕、沉積、火山活動、地震等）在過去和現在是相似的，並且是緩慢、漸進地作用，經過漫長的時間才造就了地球表面的巨大變化。
• 代表人物：詹姆斯·赫頓（James Hutton）是均變論的創始人，查爾斯·萊爾（Charles Lyell）則將其發揚光大。
• 核心思想：
  • 均勻性 (Uniformity)：地質作用的性質（如重力、水的作用）是永恆不變的。
  • 持續性 (Continuity)：地質作用的速率在時間上是相對穩定的，雖然會有波動，但沒有根本性的改變。
  • 緩慢漸進 (Gradualism)：大多數地質變化的發生都需要極長的時間尺度，是緩慢累積的結果。

2. Catastrophism (災變論)

• 定義：災變論主張地球的歷史是由一系列劇烈、大規模、短時間的災難性事件所塑造的，這些事件的規模遠超現代所能觀察到的地質作用。
• 代表人物：喬治·居維葉（Georges Cuvier）是災變論的著名倡導者，他認為生物的大滅絕是由於全球性的災難事件造成的。
• 核心思想：
  • 突變性 (Abruptness)：地球的重大變化，包括地層的形成和生物的演化（特別是大滅絕），是由突發的、大規模的災難性事件所導致。
  • 特殊事件 (Special Events)：這些災難性事件是地球歷史上偶發的、不同於現今地質作用的特殊事件。

二者於全球變遷研究中的意義及應用：

均變論與災變論在科學史上曾有激烈的爭論，但現代科學觀點認為兩者並非完全對立，而是互補的。

• 均變論的意義與應用：
  • 理解現代過程的基礎：均變論為我們理解地球系統的運作提供了基礎。通過研究現今的地質作用，我們可以推斷過去的環境和過程。例如，研究現代河流的沉積作用，可以幫助我們解釋古代河流沉積岩的成因。
  • 建立時間尺度：均變論強調漫長的時間尺度，這對於理解地球的演化、板塊運動、氣候變遷的長期趨勢至關重要。

此題考查的是海洋學及古氣候學領域的重要概念「Conveyor Belt」以及其與「abrupt climate changes」（突發性氣候變遷）的關聯，這是由著名科學家 Wallace Smith Broecker 提出的。

1. "Conveyor Belt" 觀念的內容 (The Concept of the "Conveyor Belt")

Wallace Smith Broecker 提出的 "Conveyor Belt" (輸送帶) 觀念，實際上是指全球海洋中的溫鹽環流 (Thermohaline Circulation, THC)。它是一種大規模的、由海水溫度（Thermo-）和鹽度（-haline）差異驅動的全球性海洋環流系統。

• 基本原理：

  • 密度差異：海水密度主要受溫度和鹽度的影響。冷水和高鹽度水密度較大，暖水和低鹽度水密度較小。
  • 驅動力：在地球的特定區域（主要是高緯度地區，如北大西洋的格陵蘭海和南極海），海水因寒冷而降溫，同時在極地蒸發或海冰形成過程中，鹽分被排除，導致海水鹽度增加。這兩種因素使得這些區域的海水密度變得非常大，進而發生強烈的垂直向下沉降（稱為深層水形成）。
  • 環流形成：這些沉降的深層水會沿著海底向低緯度地區流動，然後逐漸變暖、變淺，並在其他區域（如太平洋和印度洋）重新上升。上升後的表層海水則會向高緯度地區流動，補充深層水形成的區域，從而構成一個封閉的、全球性的循環系統。

• 主要特徵與作用：

  • 全球尺度：這是一個橫跨全球各大洋的龐大環流系統。
  • 熱量輸送：它將熱帶地區的熱量輸送至高緯度地區，對調節全球氣候起著至關重要的作用。例如，北大西洋的深層水形成將熱量帶到歐洲，使其氣候比同緯度其他地區溫暖。
  • 物質輸送：同時也輸送溶解的氣體（如氧氣、二氧化碳）、營養鹽以及其他化學物質，影響著海洋生態系統和全球碳循環。
  • 時間尺度：這個環流系統的週期非常長，通常在數百年到數千年之間。

2. "Conveyor Belt" 與 "Abrupt Climate Changes" 的關係 (Relationship between the "Conveyor Belt" and "Abrupt Climate Changes")

Broecker 提出 "Conveyor Belt" 觀念的一個重要動機，就是為了解釋過去地球歷史上觀測到的突發性氣候變遷 (Abrupt Climate Changes)，特別是發生在冰期-間冰期循環中的快速氣候波動，例如**丹斯加德-奧施格事件 (

此題考查海洋在全球碳循環中的角色、路徑及影響，是全球暖化背景下的重要議題。

海洋環境中的碳循環 (Carbon Cycle in the Marine Environment)

海洋是地球上最大的碳儲庫之一，並且在調節大氣二氧化碳濃度方面扮演著至關重要的角色。海洋中的碳循環主要透過以下幾種途徑進行：

1. 碳循環的路徑 (Pathways of Carbon Cycle)

• 大氣-海洋交換 (Atmosphere-Ocean Exchange)：

  • 二氧化碳溶解：大氣中的二氧化碳可以溶解到海水表面。這個過程受溫度、鹽度和海水的pH值影響。通常，冷水比暖水能溶解更多的CO2。
  • 二氧化碳釋放：反之，海水中的CO2也可以釋放到大氣中，尤其是在暖水區域或因生物活動消耗了表層水中的CO2後。

• 生物泵 (Biological Pump)：

  • 光合作用：海洋中的浮游植物（Phytoplankton）利用光能，將大氣中溶解的CO2和海水中的碳酸鹽轉化為有機碳（生物質），並釋放氧氣。
  • 食物網傳遞：這些有機碳通過海洋食物網（從浮游生物到魚類、鯨類等）傳遞。
  • 沉降作用：當海洋生物死亡、排泄或被捕食後，其有機物或碳酸鹽骨骼（如浮游有孔蟲、鈣質浮游菌的殼）會沉降到深海。
  • 碳匯 (Carbon Sink)：這個過程將大量的碳從表層海洋（光合作用活躍區）轉移到深海，形成一個長期的碳匯，從而從大氣中移除CO2。

• 碳酸鹽泵 (Carbonate Pump)：

  • 鈣質生物的殼體：海洋中的鈣質生物（如浮游有孔蟲、珊瑚、貝類）利用海水中的碳酸根離子（CO3^2-）和鈣離子（Ca^2+）來構建其碳酸鈣（CaCO3）骨骼或殼體。
  • 沉降與儲存：這些碳酸鈣骨骼沉降到海底，形成碳酸鹽沉積物，最終可能轉化為碳酸鹽岩，長期儲存在地殼中。
  • 影響：這個過程也會消耗海水中的CO3^2-，進而影響海水的pH值，並促進CO2從大氣溶解入海。

• 物理泵 (Physical Pump) / 溶解泵 (Solubility Pump)：

  • 洋流輸送：海洋環流（如上題提到的溫鹽環流）將溶解在表層海水中的CO2輸送到深海，並在不同區域進行交換。