111 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）《地球物理學》

核心觀念：地球動力學中，板塊運動的交會點。

詳解：
Triple junction 指的是地球表面三個板塊邊界交會的點。在板塊構造學說中，地球表面被劃分為數個剛性的板塊，這些板塊之間存在著不同類型的邊界：張裂邊界（Divergent boundary）、匯聚邊界（Convergent boundary）和錯動邊界（Transform boundary）。當三個板塊的邊界在一個點上匯合時，這個點就被稱為 triple junction。

根據三個板塊邊界的相對運動方向，triple junction 可以分為以下幾種主要類型：

1. RRR (Ridge-Ridge-Ridge): 三個邊界都是張裂邊界，例如大洋中脊的延伸。

核心觀念：海底擴張與地磁倒轉的證據。

詳解：
Magnetic stripes，中文稱為磁性條帶或磁性條紋，是指在海底地殼上，對稱地分布於大洋中脊兩側的長條狀磁性異常區。這些磁性異常是由於地球磁場在海底地殼形成時被記錄在地磁性礦物（主要是磁鐵礦）中的磁化方向所造成。

海底擴張理論認為，大洋中脊是新的地殼不斷生成的地方。當岩漿從地幔上湧到海底擴張中心並冷卻形成新的玄武岩地殼時，其中的磁鐵礦會隨著當時地球磁場的方向而磁化，並將此方向「凍結」在岩石中。地球磁場會週期性地發生倒轉（地磁倒轉），即南北磁極互換。

核心觀念：地震波的一種，傳播速度較慢但振幅較大，常造成較大的地表破壞。

詳解：
Surface waves 是地震波的一種，與體波（body waves，包括 P 波和 S 波）相對。地震發生時，能量會以地震波的形式向外傳播，這些波可以分為兩大類：體波和表面波。

體波在地球內部傳播，而表面波則沿著地球的表面或地殼傳播。Surface waves 的能量比體波更集中在地表附近，因此它們的振幅通常比體波更大，而且傳播速度較慢。Surface waves 主要有兩種：

核心觀念：地震活動帶，顯示俯衝板塊的深度與範圍。

詳解：
Wadati-Benioff Zone，中文稱為瓦氏-班尼奧夫帶或瓦氏-班尼奧夫區，是一個在地質學和地震學中描述地震活動帶的術語。它指的是在地球上，一個俯衝板塊（subducting plate）向下插入另一個板塊（通常是較厚的陸殼或較年輕的海殼）時，所發生的一系列地震的空間分布區域。

這個區域的地震活動會隨著俯衝板塊的深入而逐漸變深。在俯衝的起始點，地震通常發生在較淺的深度（數十公里），然後隨著板塊的俯衝，地震的震源深度會逐漸增加，最深可達 700 公里左右，甚至更深。

核心觀念：地球岩石圈的浮力平衡。

詳解：
Isostasy，中文稱為均衡說或靜力平衡，是地質學中一個重要的概念，用來解釋地球岩石圈（lithosphere）在軟流圈（asthenosphere）上的浮力平衡狀態。簡單來說， isostasy 認為，地球的岩石圈就像漂浮在較稠密的軟流圈上的冰山一樣，處於一種靜力平衡狀態。

根據 isostasy 的概念，較高、較厚的岩石圈（例如大陸地殼）會比較低、較薄的岩石圈（例如海洋地殼）在軟流圈中下沉得更多，以維持整體的質量平衡和壓力平衡。這意味著，地表的起伏（如山脈、高原）並非無限高，而是受到一種浮力支撐。當岩石圈的質量增加（例如冰川堆積或造山運動），它就會向下壓迫軟流圈；

核心觀念：地函熱柱，與火山活動及板塊運動有關。

詳解：
Hot spot，中文稱為熱點，是指地球表面一個相對固定的、由地幔深處上湧的熱柱（mantle plume）所造成的區域。這些熱柱將大量的熱能從地幔深部帶到地殼，通常會導致火山活動的發生，並可能形成獨立於板塊邊界之外的火山鏈或火山島。

與板塊邊界相關的火山活動不同，熱點的火山活動被認為是相對靜止在地球表面位置的。隨著上方岩石圈板塊的水平移動，熱點就會在板塊上留下一個火山鏈，從而指示板塊的運動方向和速率。

核心觀念：物理性質在不同方向上表現不同。

詳解：
Anisotropy，中文稱為異向性或各向異性，是指一個物質或介質的物理性質（如強度、導電性、導熱性、彈性模量、地震波速等）在不同方向上具有不同的表現。與之相對的是同向性（isotropy），即在所有方向上性質都相同。

在地球物理學中，anisotropy 是一個非常重要的概念，尤其是在研究地震波的傳播和地球內部結構時。例如：

• 岩石的異向性： 許多岩石，特別是具有層狀結構（如沉積岩）或具有定向排列的礦物（如變質岩），都會表現出異向性。

核心觀念：地幔深處上湧的熱物質柱，與熱點火山活動有關。

詳解：
Mantle plume，中文稱為地幔柱，是一種被認為源自地幔深處（可能在地幔與外核的邊界處）向上噴發的熱的、相對較輕的物質柱。Mantle plume 是地球內部熱量傳遞的一種方式，並且被認為是許多獨立於板塊邊界之外的火山活動（即熱點，hot spot）的主要成因。

當 mantle plume 上湧到地殼下方時，會導致地殼的熔融，產生大量的岩漿。這些岩漿可以穿透地殼，在地表形成火山。由於 mantle plume 的位置在地幔深處相對固定，而上方的岩石圈板塊則在移動，因此，當板塊在 mantle plume 上方移動時，就會在板塊上留下一個由火山組成的鏈狀結

核心觀念：地震定位的原理與影響定位精度的因素。

詳解：
地震定位是確定地震發生地點（震源）的過程，通常需要利用地震波傳播到不同地震測站的時間差來計算。準確的地震定位對於了解斷層破裂過程、地震危險評估以及研究地球內部結構至關重要。然而，地震定位過程中可能受到多種因素的影響而產生誤差。以下列舉三種可能導致地震定位誤差的來源及其原因：

1. 測站的空間分布不均 (Uneven distribution of seismic stations):

   • 原因： 地震學家需要利用至少三個（通常是四個以上）地震測站記錄到的 P 波或 S 波到達時間來進行定位。如果測站的分布不均勻，例如都集中在震源的某一個方向，那麼在其他方向上就缺乏足夠的數據來約束震源的位置。
   • 討論： 當測站主要分布在震源的一側時，計算出的震源位置可能被「拉向」測站密集的一側，或者在垂直於測站分布方向的平面上，震源的位置會變得模糊不清，產生較大的水平或深度誤差。例如，如果所有測站都在震源的北方，那麼難以精確確定震源的東、西位置以及深度。

2. 地下介質結構的不確定性 (Uncertainty in subsurface velocity structure):

   • 原因： 地震波在地下傳播的速度取決於介質的密度、彈性模量等物理性質。地球的內部結構複雜且不均勻，不同地區、不同深度的介質性質差異很大。地震定位模型通常是基於一個簡化的、平均化的地下速度模型。
   • 討論： 如果實際的地下速度結構與所使用的模型存在顯著差異，那麼地震波的實際走時就會與模型預測的走時不同，從而導致計算出的震源位置產生偏差。

核心觀念：隱沒帶的定義、特徵及其在地質構造上的表現。

詳解：
隱沒系統（Subduction System）是指在地質構造上，一個較年輕、較薄、密度較大的岩石圈板塊（通常是海洋板塊）俯衝（subduct）到另一個較老、較厚、密度較小的岩石圈板塊（通常是大陸板塊或較厚的海洋板塊）之下的過程。這個過程發生在匯聚型板塊邊界（Convergent Plate Boundary）。台灣地區正位於菲律賓海板塊（海洋板塊）和歐亞板塊（大陸板塊）之間，是一個典型的隱沒系統，也是世界上地震最活躍的地區之一。

隱沒系統的板塊邊界特性：

1. 匯聚邊界 (Convergent Boundary)： 這是隱沒系統最根本的特性。兩個板塊相互碰撞，其中一個板塊向下彎曲並插入另一個板塊下方。
2. 密度差異： 俯衝的板塊通常是密度較大的海洋板塊，而上覆的板塊可以是密度較小的海洋板塊或大陸板塊。
3. 地震活動： 隱沒帶是地震活動最頻繁的區域。隨著板塊的俯衝，會產生淺、中、深源地震，形成瓦氏-班尼奧夫帶（Wadati-Benioff Zone）。
4. 火山活動： 當俯衝的海洋板塊深入地幔後，會釋放出水分，降低上覆岩石的部分熔點，形成岩漿。這些岩漿上升到地表，形成火山鏈（Volcanic Arc），這通常位於上覆板塊的內側。
5. 變質作用與變形： 俯衝帶的巨大壓力與高溫會導致岩石發生劇烈的變質作用和構造變形。

對應之特徵地體構造：

隱沒系統會在地表和地下形成一系列獨特的地質構造，台灣地區的複雜構造即是這些特徵的體現：

1. 海溝 (Oceanic Trench)： 這是俯衝板塊向下彎曲的最低點，是隱沒帶最明顯的地表特徵。

核心觀念：地震學中可量測的物理量及其在地質研究與防災上的應用。

詳解：
地震學家透過分析地震波在地表測站的記錄（地震圖），可以獲取關於地震本身及其傳播介質的大量資訊。以下詳述三種地震紀錄中可量測的物理量及其應用：

1. P 波到達時間 (P-wave arrival time) 與地震定位 (Earthquake location)：

   • 可量測物理量： P 波（縱波）是地震波中傳播速度最快的一種。當地震發生時，P 波會最先到達地表的地震測站。測量 P 波從震源傳播到測站所需的時間，即 P 波到達時間。
   • 應用：
     • 地震定位： 藉由至少三個（通常需要四個或更多）不同測站記錄到的 P 波到達時間，並結合地下速度模型，地震學家可以計算出地震的震源時間（origin time）和震源位置（經度、緯度、深度）。這是地震學最基本也是最重要的應用之一。
     • 研究地下結構： P 波的速度受到地下介質性質的影響。比較不同測站 P 波的到達時間，可以推斷出介質的速度結構。例如，在速度較快的區域，P 波會較早到達。
     • 地震學研究： P 波的到達時間是研究地震波傳播、地球內部結構（如地核、地幔）的基礎數據。

2. 地震波的振幅 (Amplitude of seismic waves) 與地震規模 (Earthquake magnitude)：

   • 可量測物理量： 地震圖上，地震波（包括 P 波、S 波、表面波等）引起的地面運動的最大位移、速度或加速度。振幅的大小與地震的能量釋放量和震源到測站的距離有關。
   • 應用：
     • 地震規模計算： 地震規模（Magnitude）是衡量地震大小的一個指標，它與地震釋放的能量相關。利用地震波的振幅，並考慮到距離衰減的影響，可以計算出不同的地震規模，例如芮氏規模（Richter magnitude, ML）、面波規模（Surface-wave magnitude, Ms）和地震矩規模（Moment magnitude, Mw）。