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）《普通地質學》

此題為名詞解釋，主要考查岩石學中關於岩漿分異的觀念。

結晶分異 (Crystallization differentiation) 是指在岩漿冷卻結晶的過程中，由於不同礦物在不同溫度下析出的特性，導致殘餘岩漿的化學成分隨著結晶的進行而發生改變的過程。

原理說明：
當岩漿開始冷卻時，首先會從高溫下結晶出一些對溫度敏感的礦物（例如鎂鐵質礦物，如橄欖石、輝石）。這些早期結晶出的礦物密度較大，可能會因為重力作用而沉澱下來，與殘餘的液態岩漿分離。

此題為名詞解釋，主要考查沉積岩學中關於沉積物轉化為岩石的過程。

成岩作用 (Diagenesis) 是指沉積物在沉積後，但未達變質作用的溫度與壓力範圍內，所發生的一系列物理、化學及生物作用，使其由鬆散的沉積物轉變為堅硬的沉積岩的過程。

主要作用與過程：
成岩作用發生在沉積物埋藏後，通常在淺部地殼環境中，溫度低於約 200°C，壓力也相對較低。主要包括以下幾類作用：

1. 壓密 (Compaction)： 沉積物上方的荷重（上方沉積物的重量）會將顆粒間的水分擠出，使顆粒相互靠近，孔隙度降低，沉積物密度增加。
2. 膠結 (Cementation)： 溶解在孔隙水中的化學物質（如碳酸鈣、二氧化矽、氧化鐵等）會在顆粒間沉澱，將顆粒黏結在一起，形成膠結物，增強岩石的強度。

此題為名詞解釋，主要考查構造地質學中關於斷層的表面特徵。

斷層崖 (Fault scarp) 是指在地表由於斷層運動而形成的陡峭的懸崖或斜坡。

成因：
當斷層活動發生時，斷層兩側的岩塊相對移動。如果斷層面傾斜且活動量大，其中一個岩塊（通常是上盤）相對於另一個岩塊（通常是下盤）抬升或下降，就可能在斷層線通過地表的位置，形成一個明顯的、高低落差的斷崖。

此題為名詞解釋，主要考查地層學與古生物學中關於一個重要地層界線的定義。

白堊紀－古近紀界線 (K-Pg boundary)，過去稱為白堊紀－第三紀界線 (K-T boundary)，是指地球歷史上一個重要的地層界線，標誌著白堊紀（Cretaceous Period）的結束與古近紀（Paleogene Period）的開始。這個界線約發生在 6600 萬年前。

重要性與特徵：
K-Pg 界線最為人所知的是它在全球範圍內普遍存在的銥 (Iridium) 異常。銥在地球表面非常稀少，但在小行星和彗星中含量較高。

此題為名詞解釋，主要考查冰河學與第四紀地質學中關於氣候變遷的時期。

冰河時期 (Glacial period)，也稱為冰期 (Ice Age)，是指地球氣候長期處於較為寒冷狀態，導致全球範圍內的冰蓋、冰川和冰架顯著擴張，覆蓋大片陸地和海洋的時期。

特徵：

• 低溫： 全球平均氣溫顯著下降。
• 冰蓋擴張： 在高緯度和高海拔地區，冰蓋（如格陵蘭冰蓋、南極冰蓋）會極大地擴張，甚至延伸至中緯度地區。例如，在最近一次冰河時期（更新世晚期），北美和歐亞大陸的大部分地區都被厚厚的冰蓋覆蓋。
• 海平面下降： 大量水分被鎖在冰蓋中，導致全球海平面顯著下降。

此題為名詞解釋，主要考查地質學史上關於地球歷史演變觀點的理論。

均變論 (Uniformitarianism) 的對立概念，指認為地球的歷史是由一系列突發的、大規模的、災難性的事件所塑造的觀點。

主要觀點：

• 災難性事件： 認為地球的地質特徵，如山脈、海洋盆地、大滅絕事件等，主要是由突發的、劇烈的災難性事件（如洪水、火山爆發、地震、隕石撞擊等）造成的，而非緩慢、漸進的過程。
• 地球歷史的短暫性： 這種觀點通常暗示地球的歷史相對較短，不足以讓緩慢的過程積累造成如此巨大的地質變遷。
• 神創論的影響： 在早期，災變論常常與神創論或洪水神話聯繫在一起，認為某些地質現象（如化石、沉積岩）是聖經中記載的全球性大洪水所遺留的證據。

此題為名詞解釋，主要考查天文學與行星科學中關於太陽系外圍結構的知識。

歐特雲 (Oort cloud) 是太陽系外圍一個理論上存在的巨大球狀雲，被認為是長週期彗星的起源地。

理論基礎與發現：
歐特雲是由荷蘭天文學家揚·歐特 (Jan Oort) 在 1950 年提出，用以解釋長週期彗星的來源。當時天文學家觀察到，進入內太陽系的長週期彗星（軌道週期超過 200 年，甚至數萬年）的軌道分佈是隨機的，似乎來自太陽系各個方向。歐特雲的假說認為，這些彗星的起源地是一個遙遠、龐大的球殼。

結構與位置：

• 球狀結構： 不同於行星所在的扁平的盤狀太陽系，歐特雲被假定為一個圍繞太陽的巨大球殼。

此題為名詞解釋，主要考查地球物理學與地震學中關於地球內部結構的知識。

莫氏不連續面 (Mohorovičić discontinuity)，簡稱莫氏面 (Moho)，是地球地殼與地幔之間的一個主要界面。

發現與定義：
莫氏面是由克羅埃西亞地震學家安德里亞·莫霍羅維奇 (Andrija Mohorovičić) 在 1909 年通過分析地震波（特別是 P 波）的速度變化而發現的。他注意到，來自遠方地震的地震波在傳播過程中，其速度會突然增加。他推斷，這表明地震波從一種密度較低的物質（地殼）進入了一種密度較高的物質（地幔）。

特徵：

• 地震波速度的突變： P 波（縱波）和 S 波（橫波）在穿過莫氏面時，其速度會顯著增加。

此題為名詞解釋，主要考查構造地質學中關於造山帶的結構特徵。

褶皺-衝斷帶 (Fold-and-thrust belt) 是指在地殼收斂邊界（碰撞帶）附近，由於強烈的水平擠壓應力作用，導致岩層發生大規模褶皺和衝斷層發育的地質構造帶。

形成機制：
當兩個大陸板塊發生碰撞時，強大的擠壓應力會作用於岩石圈。在這種應力作用下，岩石會發生塑性變形（褶皺）和脆性斷裂（衝斷層）。

• 褶皺 (Folding)： 岩層彎曲變形，形成背斜（拱形）和向斜（盆形）等構造。
• 衝斷層 (Thrust faulting)： 岩石塊體沿著一個傾角很小的斷層面（衝斷斷層）向前上方的岩塊被推覆到另一個岩塊之上。這種斷層通常伴隨著大量的岩石疊瓦狀的堆積。

此題為名詞解釋，主要考查自然災害與地質災害方面的知識。

土石流 (Debris flow)，又稱泥石流，是一種具有強大破壞力的、含有大量泥砂、石塊、樹枝等固體物質的洪流。

定義與特徵：
土石流是山區特有的一種混合型洪水，其主要特徵包括：

• 高濃度固體物質： 固體物質的體積百分比通常很高，可達 30-90%，其成分包括泥土、砂礫、石塊、枯枝落葉等。
• 高流速與衝擊力： 由於固體物質的含量高，土石流的密度遠大於普通洪水，流動時具有極高的黏滯性和巨大的動能，流速快，衝擊力極強。
• 流動過程的變異性： 土石流的流動過程複雜，可能呈現為連續的洪流狀，也可能呈現為脈動狀（塊狀流動）。
• 破壞性： 土石流能夠沖毀橋樑、房屋、道路，掩埋農田，改變河道，造成嚴重的人員傷亡和財產損失。

此題為簡答題，主要考查火山學中關於火山噴發的產物及其形成的火山地形。

一、火山噴發的產物 (Volcanic Eruption Products)

火山噴發的產物主要可分為三大類：固體、液體和氣體。

1. 固體產物 (Tephra / Pyroclastic materials)：

   • 火山彈 (Volcanic bombs)： 較大的岩塊（直徑大於 64 毫米），在噴發時被拋射到空中，在冷卻過程中因旋轉或氣體膨脹而呈現紡錘形、蛋形或不規則形。成因是岩漿被炸裂後拋出，在飛行中冷卻塑形。
   • 火山礫 (Lapilli)： 直徑介於 2-64 毫米的岩屑，是噴發時被炸碎的岩石碎片或岩漿冷卻形成的顆粒。成因是岩漿炸裂或岩石破碎。
   • 火山灰 (Volcanic ash)： 直徑小於 2 毫米的極細顆粒，由岩漿或岩石被炸碎形成。火山灰可以隨風飄散極遠，影響範圍廣泛。成因是岩漿細碎化。
   • 火山碎屑岩 (Pyroclastic rocks)： 這些鬆散的火山碎屑堆積在一起，經過壓密、膠結後形成的岩石，如凝灰岩 (tuff)、火山角礫岩 (volcanic breccia)。

2. 液體產物：

   • 熔岩流 (Lava flow)： 從火山口或裂縫流出的熔融岩石，其成分和黏滯度決定了流動的形態。例如，高黏滯度的流紋岩熔岩形成較厚、緩慢移動的熔岩流；低黏滯度的玄武岩熔岩則形成流動性好的熔岩流。成因是岩漿從地下噴出地表。

3. 氣體產物 (Volcanic gases)：

   • 水蒸氣 (H₂O)： 是火山氣體中最主要的成分，含量可達 60-90%。
   • 二氧化碳 (CO₂)： 含量僅次於水蒸氣，是主要的溫室氣體。
   • 二氧化硫 (SO₂)： 具有刺激性氣味，是酸雨的重要來源。
   • 其他氣體： 如氮氣 (N₂)、氫氣 (H₂)、硫化氫 (H₂S)、氯化氫 (HCl) 等。
     成因是岩漿中溶解的揮發性物質在高壓下釋放。

二、火山口的地形 (Volcanic Crater Topography)

此題為簡答題，主要考查碳封存 (Carbon Capture and Storage, CCS) 技術所需的關鍵地質條件。

碳封存場址所需的地質條件

碳封存是指將生產過程中的二氧化碳 (CO₂) 分離出來，然後輸送並注入地下儲層，以達到長期儲存的目的，從而減少大氣中 CO₂ 的濃度，減緩氣候變遷。選擇合適的地下儲層是碳封存能否成功的關鍵，因此對場址的地質條件有嚴格要求。

主要的地質條件包括：

1. 儲層岩石的滲透性與孔隙度 (Reservoir Rock Permeability and Porosity)：

   • 高孔隙度 (High Porosity)： 儲層岩石需要有足夠大的孔隙空間來容納大量的 CO₂。孔隙度越高，可儲存的 CO₂ 體積越大。
   • 高滲透性 (High Permeability)： 儲層岩石需要有良好的連通性，以便 CO₂ 能夠相對容易地注入並分散到儲層中。高滲透性可以降低注入壓力，提高注入效率。
   • 典型儲層岩石： 如良好的砂岩、多孔的碳酸鹽岩等。

2. 封蓋層的完整性與低滲透性 (Caprock Integrity and Low Permeability)：

   • 低滲透性 (Low Permeability)： 在儲層岩石的上方，必須有一層緻密、不滲透的岩石作為「蓋層」(Caprock)，阻止注入的 CO₂ 向上逸散到地表或地下水層。
   • 完整性 (Integrity)： 蓋層必須是連續、均質且沒有顯著裂縫或斷層的，才能有效地起到封堵作用。
   • 典型蓋層岩石： 如緻密的泥岩、頁岩、鹽岩 (evaporite, e.g., halite) 等。

3. 封閉構造 (Trapping Structure)：

   • 構造封閉 (Structural Trap)： 儲層岩石通常需要被一個向上隆起的構造（如背斜、斷層翼）所封閉，這樣注入的 CO₂ 才會被困在構造的頂部，不易逃逸。
   • 地層封閉 (Stratigraphic Trap)： 也可以是因岩性變化（如砂岩被泥岩取代）而形成的封閉。

此題為簡答題，主要考查地質學中關於岩石定年的方法。

地球科學所使用的岩石定年方式

岩石定年是確定岩石形成年代的方法，主要分為相對定年法和絕對定年法（或稱放射性定年法）。這裡主要闡述絕對定年法，因為它能給出具體的年代數值。

絕對定年法 (Absolute Dating Methods / Radiometric Dating)

絕對定年法是利用岩石或礦物中某些放射性同位素的衰變來確定其形成年代。這些放射性同位素會以固定的速率（半衰期）衰變成穩定的子代同位素。通過測量母代同位素與子代同位素的比例，就可以計算出樣品的年齡。

以下列舉至少三種常用的岩石定年方式及其原理：

1. 鉀-氬定年法 (Potassium-Argon Dating, K-Ar Dating)：

   • 原理： 利用鉀的放射性同位素 $^{40}\text{K}$ 衰變成氬的穩定同位素 $^{40}\text{Ar}$ 的過程。$^{40}\text{K}$ 的半衰期約為 12.5 億年。
     $^{40}\text{K} \xrightarrow{\text{decay}} ^{40}\text{Ar}$
   • 應用： 適用於定年含有鉀的礦物或岩石，如雲母、長石、黑雲母、鉀長石，以及各種火成岩（如玄武岩、安山岩、流紋岩）和變質岩。在岩漿冷卻到一定溫度（封閉溫度，約 150-300°C）後，形成的氬氣會被封閉在礦物晶格中，不再逸出。此後，隨著時間推移，$^{40}\text{K}$ 不斷衰變產生 $^{40}\text{Ar}$，當測量時，樣品中 $^{40}\text{Ar}$ 的總量與剩餘 $^{40}\text{K}$ 的比例，就可以計算出該礦物或岩石形成後的年齡。
   • 適用範圍： 可定年範圍從數萬年到數十億年。

2. 鈾-鉛定年法 (Uranium-Lead Dating, U-Pb Dating)：

   • 原理： 利用鈾的兩種放射性同位素 $^{238}\text{U}$ 和 $^{235}\text{U}$ 衰變成鉛的穩定同位素。$^{238}\text{U}$ 經過一系列衰變，最終變成 $^{206}\text{Pb}$，其半衰期約為 44.7 億年。$^{235}\text{U}$ 經過一系列衰變，最終變成 $^{207}\text{Pb}$，其半衰期約為 7.04 億年。
     $^{238}\text{U} \rightarrow \dots \rightarrow ^{206}\text{Pb}$
     $^{235}\text{U} \rightarrow \dots \rightarrow ^{207}\text{Pb}$
   • 應用： 主要用於定年含有鈾的礦物，最常用的是鋯石 (zircon, ZrSiO₄)。鋯石在形成時，會將鈾離子（類似 Zr⁴⁺）吸納到晶格中，但會排斥鉛離子。因此，鋯石形成後，其內部的鉛主要來自於鈾的衰變。

此題為簡答題，主要考查台灣地區常見的地質災害及其成因。

台灣地區常見的地質災害

台灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的碰撞交界帶，地殼活動劇烈，地形複雜多變，加上豐沛的降雨，因此容易發生各種嚴重的地質災害。

以下列舉至少三種台灣地區常發生的地質災害，並說明其發生原因：

1. 地震 (Earthquake)：

   • 發生原因： 台灣位於環太平洋地震帶上，是菲律賓海板塊向歐亞板塊隱沒的區域。板塊間的擠壓、碰撞、錯動以及斷層的活動，累積的應力突然釋放，就會引發地震。台灣地區斷層密集，活動斷層眾多，是地震頻繁發生的主要原因。

2. 土石流 (Debris flow)：

   • 發生原因：
     • 地形： 台灣地形陡峭，山區廣布，坡度大，有利於物質的快速下滑。
     • 地質： 台灣的地層多屬破碎、鬆散的沉積岩或變質岩，容易崩解。
     • 氣候： 台灣屬於副熱帶濕潤氣候，夏季常有颱風帶來強降雨，或午後雷陣雨，短時間內大量的水滲入土壤，增加土壤的含水量和重量，降低土壤的抗剪強度，當超過土壤的承載極限時，就會引發土石流。
     • 植被破壞： 山坡地過度開發、森林砍伐等，會減少植被對土壤的固定作用，增加崩塌和土石流的風險。

3. 崩塌 (Landslide)：

   • 發生原因：
     • 地形與地質： 與土石流類似，台灣的山區地形陡峭，地層破碎，許多地方有厚層的鬆散堆積物（如崩積土、坡積土），這些物質本身就不穩定。