108 年 國立中正大學地球與環境科學系應用地球物理研究所《普通地質學》

此題主要在探討礦物 (mineral) 與岩石 (rock) 的定義，以及它們如何作為人類的資源。

核心觀念：

• 礦物 (Mineral)： 指在地球上自然形成的均質固體，具有特定的化學成分和結晶結構。
• 岩石 (Rock)： 指由一種或多種礦物集合而成的固體物質，是地殼的主要組成部分。

詳解：

礦物 (Mineral)

• 定義： 礦物是具有以下特徵的天然固體：

  1. 天然形成 (Naturally Occurring)： 非人為製造。
  2. 無機物 (Inorganic)： 通常不包含有機碳化合物（但有些定義較寬鬆，如有機礦物）。
  3. 固體 (Solid)： 在標準溫度和壓力下呈固態。
  4. 化學成分特定 (Definite Chemical Composition)： 具有一個或幾個元素組成的固定化學式，或在一定範圍內變化（如固溶體）。例如，石英的化學式是 $SiO_2$。
  5. 結晶結構 (Crystalline Structure)： 構成礦物的原子排列成規則、重複的三維結構。

• 作為資源的用途： 礦物是人類社會發展的基石，用途極其廣泛。

  • 金屬礦物： 提供製造金屬的原料，如鐵礦 (Hematite, Magnetite) 用於煉鋼；銅礦 (Chalcopyrite) 用於電線和電子產品；鋁土礦 (Bauxite) 用於製造鋁。
  • 非金屬礦物：
    • 建築材料： 石英 (Quartz) 用於製造玻璃和水泥；長石 (Feldspar) 用於陶瓷；雲母 (Mica) 用於絕緣材料；石膏 (Gypsum) 用於水泥和牆板。
    • 工業原料： 鹽 (Halite) 用於食用和工業；硫 (Sulfur) 用於製造硫酸；磷灰石 (Apatite) 用於製造肥料。
    • 寶石與裝飾品： 鑽石 (Diamond)、紅寶石 (Ruby)、藍寶石 (Sapphire) 等。
    • 能源： 雖然能源礦物（如煤、石油、天然氣）通常被歸類為「礦產」，但其本質是經過地質作用形成的有機物或無機物，部分觀點也將其視為廣義的礦物資源。

此題主要在考驗學生對於脆性條件下，與斷層運動相關的三種主要褶皺（fold）的理解，並能透過繪圖說明。

核心觀念：

• 褶皺 (Fold)： 岩層受力彎曲變形的現象。
• 脆性變形 (Brittle Deformation)： 岩石在較低的溫度和壓力下，或在應變速率較快時，會發生斷裂而非塑性流動。
• 斷層 (Fault)： 岩層發生錯動的破裂面。
• 褶皺與斷層的關係： 在脆性條件下，斷層的運動可以誘發或與褶皺同時產生，形成特定的褶皺構造。

詳解：

在脆性條件下，岩層的變形傾向於斷裂（形成斷層），而非連續的塑性彎曲。然而，斷層的運動，特別是當斷層面本身有彎曲或斷層系統複雜時，仍可能導致岩層產生褶皺。以下是三種與斷層運動相關的褶皺及其示意圖：

1. 斷層彎曲褶皺 (Fault-Bend Fold)

• 形成機制： 當一個傾斜的斷層面遇到一個彎曲（例如，斷層面從一個傾角變為另一個傾角）時，沿著斷層面移動的岩塊會在斷層面的彎曲處被壓縮，導致上覆岩塊被抬升並形成褶皺。斷層本身在彎曲處的上下方是連續的，但斷層面本身有彎曲。

• 示意圖：
  （請想像一個傾斜的斷層面，在中間有一個向上或向下的彎曲。當上盤岩塊沿斷層面移動時，在斷層面的彎曲處，岩層會被擠壓而形成一個凸起或凹陷的褶皺。通常是向上彎曲，形成背斜。）

         /------\
        /        \  <-- 褶皺 (Fold)
       /          \
      /------------\  <-- 斷層面 (Fault Plane) 彎曲處
     /              \
    /                \
   /------------------\
  

  • 說明： 圖中顯示一個傾斜的斷層面，其彎曲處導致了上方岩層的隆起（褶皺）。

2. 斷層增生褶皺 (Fault-Propagation Fold)

• 形成機制： 當一個斷層在斷層尖端（斷層面停止延伸處）繼續向前傳播時，斷層尖端會進入未破裂的岩層，並在斷層尖端前方誘發褶皺。斷層尖端本身會彎曲，而斷層面在尖端上方是連續的，但斷層尖端會向前延伸並在前方岩層中形成褶皺。
• 示意圖：
  （請想像一個斷層，其斷層面在某一點停止，形成一個尖端。這個尖端會向前推進，並在推進過程中，將前方的岩層擠壓成褶皺。

此題主要考驗學生對地貌（landscape）形成機制的基本理解，特別是山脈、台地（高原）和平原這三種主要地形的成因。

核心觀念：

• 地質作用 (Geological Processes)： 包括內營力（如板塊運動、火山活動、地殼變動）和外營力（如風化、侵蝕、搬運、沉積）。
• 地形 (Topography/Landform)： 地表起伏形態的總稱。

詳解：

1. 山脈 (Mountain Range)

山脈是由一系列相連的山峰所組成，其形成通常與大規模的地殼運動，特別是板塊構造運動有關。

• 主要成因：

  • 碰撞造山 (Orogenic Belts)：
    • 大陸板塊碰撞： 當兩個大陸板塊碰撞時，地殼會發生劇烈的擠壓、褶皺、斷裂和抬升，形成高聳的山脈。例如，喜馬拉雅山脈是由印度板塊與歐亞板塊碰撞形成的。
    • 大陸板塊與海洋板塊碰撞： 海洋板塊俯衝到大陸板塊之下，會導致陸緣火山活動和地殼擠壓，形成火山弧山脈。例如，安第斯山脈是由納斯卡板塊俯衝到南美板塊之下形成的。
  • 斷層抬升 (Fault-Block Mountains)： 在張力或剪切應力作用下，地殼發生大規模的斷裂，部分地塊相對抬升，形成斷層山脈。例如，美國的西部山脈（如內華達山脈）部分區域屬於此類。
  • 火山活動： 在熱點或板塊邊界，大規模的火山噴發堆積形成的巨大火山體，也可構成山脈。例如，夏威夷群島雖然是島嶼，但其水下部分是巨大的火山山脈。

• 形成過程簡述： 涉及地殼的增厚、抬升、褶皺和斷裂，並伴隨侵蝕作用塑造最終的山體形態。

2. 台地/高原 (Tableland/Plateau)

台地（或稱高原）是指海拔較高、地勢平坦、四周可能有陡崖的地形。

• 主要成因：
  • 大規模地殼抬升 (Broad Uplift)： 整個區域的地殼因地幔柱活動、板塊運動或均衡調整等原因，發生大範圍、相對均勻的抬升，但上覆岩層受到的應力較小，未產生劇烈的褶皺或斷裂，因此保持相對平坦。例如，青藏高原是大陸碰撞後，岩石圈整體抬升的結果。

此題主要考驗學生對人類不當土地利用（improper land uses）如何引發各種地質災害（hazards）的理解，並能舉例說明。

核心觀念：

• 土地利用 (Land Use)： 人類為了滿足自身需求而對土地進行的規劃、開發和管理。
• 地質災害 (Geological Hazards)： 由自然地質作用引起，對人類生命財產和環境造成危害的現象，如山崩、土石流、洪水、地震、地層下陷等。
• 人為因素 (Anthropogenic Factors)： 人類活動對自然環境造成的影響。

詳解：

人類的不當土地利用，常會改變地表的水文、地質結構和坡地穩定性，從而加劇或誘發自然災害。以下提供兩個例子：

例一：過度開發坡地導致山崩與土石流

• 不當土地利用行為：

  • 濫墾濫伐： 在山坡地上進行農業開墾（如種植茶葉、果樹），或過度砍伐森林，破壞了植物的根系對土壤的固定作用，減少了植被對水分的吸收和攔截能力。
  • 不當建築與開發： 在不穩定的邊坡上進行建築、道路開鑿，或進行大規模的坡地填方，改變了原始的地形和坡度，增加了坡體的負荷。
  • 排水不良： 建築或道路工程未妥善規劃排水系統，導致雨水或地下水滲入邊坡土壤，增加土壤含水量，降低其強度。

• 引發的災害：

  • 山崩 (Landslide)： 當坡體飽和水量增加，土壤顆粒間的孔隙水壓力升高，有效應力降低，岩土體失去穩定性，整體或局部滑落，形成山崩。
  • 土石流 (Debris Flow)： 當鬆散的土壤、岩石碎屑與大量的水混合，形成高流動性的泥石混合體，沿著溪谷或坡面快速向下流動，具有強大的侵蝕和衝擊力，摧毀沿途的建築物和設施。

• 說明： 許多山區聚落或農地，若未進行嚴謹的地質調查與坡地穩定分析，就進行開發，一旦遇到豪雨，就極易引發山崩或土石流，造成嚴重傷亡。台灣的山區地形陡峭，降雨豐沛，這種風險尤其高。

此題為綜合題，主要考驗考生對地質學、古氣候學、水文學、板塊構造以及地質年代等基礎概念的掌握程度。

核心觀念：

• 科學領域定義： 了解各個科學分支的核心研究內容。
• 地球系統： 理解地球不同圈層（岩石圈、大氣圈、水圈、生物圈）之間的相互作用。
• 地質時間尺度： 認識地質年代劃分及其意義。

詳解：

1. Geology (地質學)

• 定義： 地質學是一門研究地球的科學，它探討地球的組成、結構、物理和化學性質，以及其演化歷史。地質學家研究岩石、礦物、土壤、沉積物、地下水、地表形態、地震、火山活動以及地球內部的過程。
• 研究內容：
  • 地球的組成與結構： 了解地殼、地幔、地核的組成與物理狀態。
  • 岩石與礦物： 研究岩石的種類、形成過程、礦物的性質與分布。
  • 地質構造： 探討褶皺、斷層、地殼變動等。
  • 地質歷史： 研究地球數十億年的演化過程，包括生命演化、氣候變遷、大陸漂移等，通常藉助於地層、化石和放射性定年。
  • 地質災害： 研究地震、火山、山崩、洪水等災害的成因、預測與防治。
  • 地球資源： 尋找和評估礦產、能源（石油、天然氣、煤）、水資源等。
• 與其他學科的關聯： 與地球物理學、地球化學、古生物學、地理學、環境科學、工程學等密切相關。

2. Glacial-interglacial climate change (冰期-間冰期氣候變遷)

• 定義： 指地球歷史上，氣候在長時期內（數萬年至數十萬年）呈現週期性波動，從寒冷的冰期（Glacial Period）交替到相對溫暖的間冰期（Interglacial Period）的現象。
• 特徵：
  • 冰期 (Glacial Period)： 氣溫普遍較低，極地和高緯度地區的冰蓋（如格陵蘭、南極）和高山冰川顯著擴張，海平面下降。
  • 間冰期 (Interglacial Period)： 氣溫較高，冰蓋和冰川退縮，海平面上升。
• 成因： 主要與米蘭科維奇循環（Milankovitch Cycles）有關，即地球繞日軌道參數（軌道離心率、地軸傾角、歲差）的週期性變化，影響到達地球的太陽輻射量。此外，溫室氣體濃度（如 $CO_2$）、洋流變化、火山活動等也扮演重要角色。
• 研究意義： 了解過去的氣候變遷有助於預測未來的氣候變化趨勢，並評估其對生態系統、海平面和人類社會的影響。

3. Hydrology (水文學)

• 定義： 水文學是一門研究地球上水的分布、循環、性質及其與環境相互作用的科學。它涵蓋了水的物理和化學特性、水的運動（如降水、蒸發、滲透、地表徑流、地下水流），以及水與大氣圈、岩石圈、生物圈的交互作用。
• 研究內容：
  • 水循環 (Water Cycle)： 描述水在地球各圈層中的運動和轉化過程。
  • 降水 (Precipitation)： 研究降雨、降雪的形成、分布和強度。
  • 蒸發與蒸騰 (Evaporation and Transpiration)： 研究水分從水體、土壤和植物表面進入大氣的過程。
  • 地表徑流 (Surface Runoff)： 研究降雨後在地表流動的水量、流速和匯流過程。
  • 地下水 (Groundwater)： 研究地下水的形成、儲存、運動、性質及其開發利用。

此題為綜合應用題，要求學生結合地形圖和地質圖，分析台灣嘉義地區（中正大學附近）的地質演化歷史。這需要理解地形圖的判讀、地質圖的圖例，以及不同地質單元（地層）的形成年代和環境，並將其與地形特徵聯繫起來。

核心觀念：

• 地形圖判讀： 了解等高線的意義，判斷坡度、坡向、地勢高低、河流走向。
• 地質圖判讀： 理解不同顏色、符號代表的地層單位、年代、岩性，以及斷層、褶皺等構造。
• 地層年代與沉積環境： 了解各個地質單元的形成時間和當時的地理環境（如陸相、海相、沖積、海灘等）。
• 地貌演化： 結合地質構造、岩性、氣候和水系，推斷地表形態的形成和變遷過程。
• 台灣地質背景： 了解台灣西部麓山帶（foothills）的地質特徵，如年輕的沉積岩、褶皺與逆衝斷層。

詳解：

步驟一：分析地形圖

1. 整體地勢： 從地形圖（上方圖）可見，中正大學區域大致呈現由東南向西北（或偏北）緩降的趨勢。東南部地勢較高，等高線密集，顯示坡度較陡；西北部地勢較低，等高線稀疏，顯示坡度較緩，多為平坦或微起伏的地區。
2. 水系分布： 可以看到有明顯的河流或溝渠系統，大致由高處（東南）流向低處（西北）。河流通常在較低的平坦地區彎曲，顯示了沖積平原的特徵。
3. 地形特徵： 區域內可能存在一些階地（terrace）或微小的起伏，但整體上呈現由高而低的緩坡地貌，並有沖積平原的特徵。

步驟二：分析地質圖

1. 主要地質單元與年代： 地質圖（下方圖）顯示了該區域的地層分布。圖例（Legend）是關鍵：

   • LG (Holocene alluvial-plain/terrace deposits)： 全新世沖積平原/階地堆積物（礫石、砂、泥）。這是最新的地質單元，分布在區域的西北部，與地形圖上較低、較平坦的地區相符。
   • Late Pleistocene (lateritic terrace deposits)： 更新世晚期（約數萬至十萬年前）的紅土化階地堆積物（主要是河流礫石）。分布在 LG 單元以東或上方，顯示比 LG 年代更早，但仍是階地堆積。
   • Middle Pleistocene (coastal deposits)： 更新世中期（約數十萬至百萬年前）的海岸沉積物（主要是砂/泥）。這代表了更早期的沉積環境，可能是在海岸或淺海區域形成的。圖例中括號內標示「頭嵙山層」，這是一個重要的地層單位，常指台灣西部中新世至更新世的陸源碎屑沉積岩。

2. 構造特徵： 地質圖上可能顯示斷層（Faults），但在此區域的地圖中，斷層的標示似乎不顯著。主要的地質特徵是不同時代的沉積物呈現層狀分布，並因地質作用（抬升、侵蝕）而形成不同的地貌。

步驟三：結合地形與地質，推斷演化歷史

根據地質圖的年代和岩性，我們可以推斷該區域的演化過程，並與地形特徵聯繫起來：

1. 遠古時期（Middle Pleistocene - 約數十萬至百萬年前）：
   • 環境： 當時的嘉義地區可能位於海岸線附近或淺海環境。地質圖上的「Middle Pleistocene coastal deposits」表明，這一區域沉積了大量的砂和泥，形成了所謂的「頭嵙山層」。