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）《海洋地質學》

此題考驗對地球主要板塊類型及其基本性質的認知。地球的岩石圈主要由兩種板塊構成：大陸板塊和海洋板塊。

此題主要探討海底熱泉（hydrothermal vents）的性質，特別是黑煙囪（black smokers）與白煙囪（white smokers）的溫度差異。黑煙囪是海底熱泉中最常見的一種，其噴出的高溫、富含金屬硫化物的熱液與周遭低溫海水混合後，形成細小的硫化物沉澱，使其外觀呈現黑色。其噴發溫度通常遠高於周圍海水，可達攝氏300-400度。

此題考查海底地震反射的現象，特別是與天然氣水合物（Gas Hydrates）的關係。天然氣水合物是一種籠狀結構的固體，在低溫、高壓的條件下，甲烷等氣體分子被困在水分子籠中形成。在海底沉積物中，天然氣水合物穩定存在的區域稱為天然氣水合物穩定帶（Gas Hydrate Stability Zone, GHSZ）。當天然氣水合物穩定帶的下界或上界受到擾動（例如地震、沉積物滑動），或是天然氣從下部儲層逸出進入穩定帶時，可能會改變穩定帶的物理性質。

此題考查地球內部熱量傳輸的主要方式及其效率。地球內部熱量的散失主要透過三種方式：傳導（conduction）、對流（convection）與輻射（radiation）。
傳導是能量透過物質直接接觸而傳遞，效率相對較低，在固體岩石圈中是主要的熱傳輸方式。
對流是流體（液體或半固體）因密度差異而產生的循環運動，帶動熱量傳輸，效率比傳導高很多。

此題在於評估中洋脊（mid-ocean ridges）和洋底盆地（ocean basins）在地表所佔的比例。
中洋脊是海底的巨大山脈，是板塊張裂、新洋殼生成的地方，其總長度約為65,000公里，覆蓋了相當大的面積，但相較於整個海洋面積，其佔比並非最大。
洋底盆地是指中洋脊和大陸邊緣之間廣闊、相對平坦的海底區域，是地球上最主要的陸地表面。

此題在於測試對板塊邊界分類的理解。根據板塊間相對運動的方向和性質，板塊邊界主要可以分為三種類型：

1. 分離式邊界（Divergent boundaries）：板塊相互遠離，例如中洋脊，新岩石圈在此生成。

此題考查地磁記錄在海洋地殼定年中的應用。
海洋地殼的形成是從中洋脊的張裂開始，當高溫的玄武岩漿上升並凝固時，會將當時的地球磁場方向記錄下來，這稱為「古地磁」（paleomagnetism）。隨著中洋脊不斷產生新的地殼並向兩側推移，這些記錄了不同時期地磁場方向的條帶狀磁異常（magnetic anomalies）就會對稱地排列在中洋脊的兩側。

此題考查重力異常的類型及其與地形的關係。
重力異常是指實際測量到的重力值與理論計算值之間的差異。為了消除地形和測量點高程的影響，重力異常會經過不同的改正，產生不同的異常類型，例如：

1. 空氣修正（Free-air correction）：修正因測量點不在海平面而產生的重力差異。
2. 佈格修正（Bouguer correction）：修正因測量點上方或下方有無密度物質（通常是岩石）而產生的重力差異。
3. 地形修正（Terrain correction）：修正因局部地形起伏（如山丘、峽谷）對重力測量造成的影響。

佈格重力異常（Bouguer gravity anomaly）的計算中，包含了對測量點上方（若在山上）或下方（若在海平面以下）的岩石圈密度的修正。理論上，如果地表高程越高，代表該處的岩石圈物質越多（質量越大），其產生的向下拉力也越大。因此，在進行佈格修正時，會扣除這些額外的質量所產生的重力效應。
如果在一個密度均勻的區域，地表高程越高，則意味著該處地殼物質越多，如果地殼密度較大，則會產生較大的正重力異常。然而，佈格異常的定義是為了消除這些效應，以反映地下密度結構的變化。
更精確地說，通常情況下，高海拔地區（如山脈）由於其物質密度較大，在未完全改正的情況下，會傾向於產生較大的正重力異常。然而，佈格異常的目的是要「補償」這些因高程和密度差異所造成的重力變化，以顯示地下深部的密度不均。

此題考查台灣周圍主要海溝的地理位置。台灣位於歐亞板塊、菲律賓海板塊和太平洋板塊的交界處，地質構造複雜，存在多個海溝。
琉球海溝（Ryukyu Trench）位於台灣東北部，是太平洋板塊向北西方向俯衝至菲律賓海板塊之下形成的。
菲律賓海溝（Philippine Trench），有時也稱為馬里亞納海溝的東側延伸，或指呂宋海溝（Luzon Trough）以東的區域。在台灣東南方，存在一個與呂宋島弧相關的俯衝帶，這裡有呂宋海溝（Luzon Trough）或稱為馬尼拉海溝（Manila Trench）的延伸。
嚴格來說，台灣東南方的海溝是呂宋海溝（Manila Trench / Luzon Trough）的北段延伸，而琉球海溝是台灣東北方的海溝。
題目中提到「菲律賓海溝」，這通常指的是位於菲律賓東側的深海海溝，與台灣東南方較為複雜的俯衝帶（如呂宋海溝）有所區別。
然而，若將「菲律賓海溝」廣義地理解為台灣東南方與菲律賓海板塊相關的俯衝帶，則可能包含呂宋海溝。
但如果嚴格區分，台灣東側主要的海溝是琉球海溝（東北方）和呂宋海溝（東南方）。
題目問的是「兩條主要海溝」。琉球海溝是無疑的。對於東南方，更精確的名稱是呂宋海溝。
若題目將「菲律賓海溝」視為台灣東南方的海溝，則此敘述為正確。

此題考查Alfred Wegener的學說及其在海洋地質學中的地位。
Alfred Wegener 在1912年提出了「大陸漂移說」（Continental Drift），他認為地球上的大陸曾經是一個巨大的聯合古陸（Pangaea），之後分裂並漂移到現在的位置。大陸漂移說主要解釋了大陸的移動，但對於驅動大陸移動的機制缺乏令人信服的解釋，因此在當時並未被廣泛接受。

Transform fault（轉換斷層）是一種特殊的斷層，主要發生在板塊邊界。其特徵是兩個板塊或兩個地體之間發生水平的側向滑移運動，岩石圈的生成或毀滅並未發生。
在板塊構造學中，轉換斷層最常見於分離式板塊邊界（如中洋脊）之間，用來連接因錯動而產生位移的洋脊段。

Seismic discontinuity（地震不連續面）是指在地球內部，介於兩個不同物理性質（如密度、地震波速度）的層圈之間，地震波（P波或S波）傳播速度發生突然變化的界面。
這些不連續面是地球內部結構的重要標誌。例如，

1. 莫氏不連續面（Mohorovičić discontinuity, Moho）：位於地殼與地幔之間，P波速度從約6-7 km/s 突然增加到約8 km/s。

Ophiolite（蛇綠岩）是指在地殼或上地幔上部，由俯衝作用帶入陸地或暴露在地表的、代表了大洋岩石圈的一部分的岩石組合。
典型的蛇綠岩序列，從底部向上依次為：

1. 上地幔橄欖岩（Peridotite）：主要是方輝橄欖岩（harzburgite），代表了上部地幔的殘餘。
2. 輝石岩（Gabbro）：包括堆晶輝石岩（cumulate gabbro）和均粒輝石岩（equigranular gabbro），代表了海洋地殼的下部，是岩漿房的產物。

Free-air gravity anomaly（自由空氣重力異常）是重力測量中經過最基本改正後得到的異常值，它反映了測量點上方或下方物質質量對重力加速度的影響，但尚未考慮地形和下方岩石圈密度的影響。
具體來說，自由空氣重力異常的計算包括：

1. 觀測值：實際測量到的重力加速度。
2. 正常重力值（Normal gravity）：根據測量點的緯度計算出的理論重力值。
3. 自由空氣改正（Free-air correction）：將觀測點的高度（海拔）轉換到海平面（基準面）所產生的重力變化。如果觀測點在高處，則重力值會減小；如果在低處，則重力值會增大。

Foreland basin（前陸盆地）是一種構造盆地，形成於造山帶（orogenic belt）的前緣，通常是由於鄰近的造山帶對其施加的側向擠壓和撓曲作用所產生的。
當大陸碰撞形成大規模山脈時，沉重的造山帶會對其下方的大陸岩石圈施加壓力，導致岩石圈發生撓曲（flexure），形成一個相對較低的區域，即前陸盆地。

Proxy（代理物、指標）在科學研究中，特別是古氣候學、古海洋學和海洋地質學中，指的是一種間接的測量方法或物質，用來重建過去的環境條件，因為這些條件無法直接測量。
代理物通常是記錄了環境信息的地球物質，例如：

1. 冰芯（Ice cores）：記錄了過去大氣成分（如 CO2 濃度）、溫度（同位素比值）、火山灰等信息。
2. 海洋沉積物（Marine sediments）：其中的有孔蟲殼體（foraminifera shells）的氧同位素比值可以反映過去的海水溫度和冰量；

Turbidite（濁流沉積物）是指由海底濁流（turbidity current）搬運和沉積的沉積物。濁流是一種高密度、高速的沉積物與水的混合體，在海底坡度較大的地方（如大陸坡）容易發生，例如海底滑坡、地震誘發的沉積物擾動等。
濁流沉積物具有特定的沉積構造，稱為「濁積岩序列」（turbidite sequence）或「哈烏普序列」（Bouma sequence）。這個序列通常包括五個層次：

Coccolithophore（鈣質超微浮游生物，或稱球石藻）是一種單細胞的藻類（浮游植物），屬於鞭毛蟲綱（Haptophyceae）。
牠們最顯著的特徵是能夠在細胞外分泌微小的、由碳酸鈣（CaCO3）組成的鈣質骨板，稱為「鈣質微石」（coccoliths）。這些鈣質微石排列緊密，形成一個球狀的殼，稱為「球石」（coccolith）。
鈣質微石在顯微鏡下具有非常精細和複雜的結構，是古生物學家和古海洋學家重要的研究對象。

Sorting（分選性）是沉積學中描述沉積物顆粒大小均勻程度的一個參數。它反映了沉積物中顆粒大小的分佈範圍。
一個具有良好分選性的沉積物，表示其顆粒大小大體相似，分佈範圍較窄。
而分選性差的沉積物，則表示其顆粒大小差異很大，包含各種大小的顆粒，分佈範圍很寬。
分選性通常由搬運介質（如水或風）的能量和穩定性決定。

Terrigenous sediment（陸源沉積物）是指來源於陸地風化、侵蝕、搬運作用，最終沉積在海洋或其他水體中的無機碎屑物質。
這些沉積物主要由岩石碎屑組成，包括砂、粉砂、泥等，其礦物成分取決於陸地母岩的風化情況。常見的陸源礦物有石英、長石、雲母等。

大陸邊緣（Continental Margin）是指大陸地殼與大洋地殼之間的過渡區域，是地球上最重要、最活躍的地質構造之一。它不僅是沉積物堆積的主要場所，也是板塊構造活動的關鍵地帶。大陸邊緣可以從陸地海岸線向深海延伸，通常包括大陸棚（Continental Shelf）、大陸坡（Continental Slope）和大陸 rise（Continental Rise）。

1. 大陸邊緣的類型：
根據其所處的板塊邊界類型，大陸邊緣主要分為兩大類：

• 被動型大陸邊緣（Passive Continental Margin）： 位於大陸板塊與大洋板塊之間，但兩者之間沒有活躍的板塊邊界，而是處於同一塊岩石圈板塊內，遠離板塊邊界。這類邊緣通常是因早期大陸裂解（rifting）形成，之後板塊分離，大洋擴張，但該大陸邊緣不再是活躍的板塊交界處。典型的例子包括大西洋沿岸（如美國東岸、非洲西岸）。
• 主動型大陸邊緣（Active Continental Margin）： 位於活躍的板塊邊界上，通常是俯衝帶（subduction zone）的一部分。在此類邊緣，大洋板塊正在向大陸板塊下方俯衝，或與之發生碰撞。這類邊緣的地質活動非常活躍，常伴隨地震、火山活動和強烈的構造變形。典型的例子包括環太平洋地區（如太平洋西岸、安第斯山脈沿岸）。

2. 地形特徵與分區：
無論是主動型或被動型大陸邊緣，都包含幾個主要的地理區域：

• 大陸棚（Continental Shelf）： 這是大陸邊緣最外側、最寬廣、最淺的區域，是大陸地殼的延伸。其坡度非常平緩，平均坡度約為 0.1 度。大陸棚的寬度差異很大，從幾公里到數百公里不等。
• 大陸坡（Continental Slope）： 這是從大陸棚外緣突然下降到深海平原的陡峭斜坡。其坡度顯著增加，平均坡度約為 4 度，但局部地區可能非常陡峭。大陸坡是沉積物從大陸棚向深海輸送的主要通道，常有海底峽谷（submarine canyons）切割。
• 大陸隆升（Continental Rise）： 這是位於大陸坡下方、深海平原之上的一個較緩的堆積斜坡。它是由來自大陸坡的海底濁流（turbidity currents）搬運的沉積物堆積而成。大陸隆升在被動型大陸邊緣較為發育，而在主動型大陸邊緣則可能不存在或較為狹窄。

此題為一個開放性問題，旨在評估考生對海洋地質議題的理解、研究規劃能力以及對新海研一號能力的認識。以下提供一個範例回答，考生可根據自身興趣和知識進行調整。

我關注的議題： 臺灣東部海域的潛在地震危害與海底滑坡風險評估。

議題說明：
臺灣東部海域位於菲律賓海板塊與歐亞板塊的交界處，構造活動劇烈，地震頻繁。這不僅威脅東部沿海地區，海底滑坡（submarine landslide）的發生更可能引發海嘯，對沿海居民和設施造成巨大災害。此外，海底滑坡也可能影響海底電纜、天然氣管線等重要基礎設施，並可能改變海底地形和沉積物分佈，進而影響海洋生態。

目前研究不足之處：

1. 高解析度的海底地形與地質結構資料缺乏： 雖然已有部分海底地形圖，但對於許多潛在滑坡體、斷層活動、沉積物厚度及性質的詳細了解仍不足。
2. 滑坡觸發機制與過程的精確模擬困難： 儘管已知地震是主要觸發因素，但具體滑坡的穩定性、滑動面、滑動速率、滑動範圍等參數的精確測定仍具挑戰。
3. 滑坡引發海嘯的模擬與預警系統不夠完善： 缺乏足夠的實測數據來驗證和校準海嘯模擬模型，預警時間和準確性有待提高。
4. 沉積物聲學和工程地質性質的數據不足： 缺乏對不同沉積物類型（如泥質、砂質、夾雜甲烷水合物的沉積物）的聲學傳播特性及穩定性的系統性研究。

可能的解決辦法：

1. 進行高解析度的多音束測深儀（Multibeam Echosounder, MBE）和側掃聲納（Side-scan Sonar）調查： 獲取高解析度的海底地形和地貌影像，識別潛在滑坡體、斷層和海底峽谷。
2. 部署海底地震儀（Ocean Bottom Seismometers, OBS）和聲學傳感器： 記錄地震活動，並研究地震波在海底沉積物中的傳播特性，推斷沉積物結構和性質。
3. 進行聲學剖面（如單音束聲納、地層剖面儀）和淺層地層剖面調查： 獲取海底沉積物厚度和分佈信息，識別滑坡體的邊界和底界。

聯合國的17項永續發展目標（SDGs）涵蓋了經濟、社會和環境等多個面向。其中，與海洋地質學密切相關的目標主要有以下幾個，並解釋其關聯性：

1. SDG 14: 保證永續利用海洋和海洋資源，促進永續發展。

• 關聯性： 這是最直接相關的目標。海洋地質學研究海洋的物質組成、結構、形成過程及其資源。例如：
  • 海底礦產資源： 錳結核、富鈷鐵殼、熱液硫化物等，這些都是未來重要的礦產資源，其勘探、開發和永續利用需要深入的海洋地質研究。
  • 油氣資源： 大陸邊緣的沉積盆地是主要的油氣儲藏區，其勘探和開發需要基於對沉積環境、構造演化和儲層特性的地質理解。
  • 海底地質災害： 海底滑坡、火山噴發、地震等可能對海洋資源開發和海底設施（如管線、電纜）造成破壞，影響海洋資源的可持續利用。
  • 碳封存： 海洋地質學研究海底沉積物的孔隙結構和封存能力，為碳捕集與封存（CCS）提供地質基礎，這對應對氣候變遷、保護海洋環境至關重要。

2. SDG 6: 確保所有人都能獲得水和衛生設施，並對水資源進行永續管理。

• 關聯性： 雖然主要關注淡水，但海洋地質學也與水資源管理有關。
  • 地下水與海水交互作用： 在沿海地區，地質結構（如斷層、含水層）影響著淡水地下水與海水之間的交互作用，可能導致海水入侵，影響沿海地區的淡水資源。
  • 海底淡水資源： 在某些地區，如沖繩海槽，存在海底淡水噴泉，這是一種潛在的淡水資源，其形成和分佈與海底地質構造和沉積物有關。

3. SDG 7: 確保人人都能獲得負擔得起、可靠和永續的現代能源。

• 關聯性：
  • 海洋油氣資源： 如前所述，大陸邊緣的油氣資源是目前重要的能源來源，其勘探和開發是海洋地質學的研究範疇。
  • 海底可再生能源： 海洋地熱能（如海底熱泉）、潮汐能、波浪能等，其潛力評估和開發也需要了解海底地形、地質構造和沉積物特性。
  • 天然氣水合物（Methane Hydrates）： 雖然目前開發仍具挑戰，但被視為一種潛在的未來能源，其分佈、穩定性和開採技術研究屬於海洋地質學範疇。