111 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》

本題主要在探討火成岩礦物結晶的過程，以及影響結晶順序的因素。

核心觀念： 包溫反應系列（Bowen's Reaction Series）描述了不同溫度下，岩漿中主要造岩礦物依序結晶的過程。它分為兩大分支：連續反應系列（Continuous Reaction Series）和不連續反應系列（Discontinuous Reaction Series）。

解題過程：

1. 包溫反應系列的定義：
   包溫反應系列是由加拿大礦物學家 Norman L. Bowen 在 1920 年代提出的理論，用以解釋在不同溫度下，岩漿結晶時主要造岩礦物如何依序形成。這個系列是基於實驗觀察，模擬岩漿從高溫冷卻至低溫的過程。

2. 包溫反應系列的兩個分支：

   • 不連續反應系列 (Discontinuous Reaction Series)： 此系列礦物具有相對獨立且結構複雜的晶體結構。當它們在高溫下結晶後，會接觸到溫度較低的岩漿，進而發生化學反應，轉變成另一種結構較簡單、化學成分不同的礦物，而原來的晶體則被「反應」掉。

     • 高溫端 (最早結晶)： 橄欖石 (Olivine)。
     • 中溫端： 輝石 (Pyroxene) 結晶後，會被反應生成角閃石 (Amphibole)。
     • 低溫端 (最晚結晶)： 黑雲母 (Biotite) 結晶後，會被反應生成白雲母 (Muscovite)。

   • 連續反應系列 (Continuous Reaction Series)： 此系列礦物（主要是斜長石）的晶體結構相對較為簡單且連續。它們的化學成分會隨著溫度的下降而逐漸改變，但晶體結構本身不發生轉變。

     • 高溫端 (最早結晶)： 鈣長石 (Anorthite)，富含 $\text{Ca}^{2+}$。
     • **低溫端 (最晚結晶)：**鈉長石 (Albite)，富含 $\text{Na}^{+}$。
     • 在兩者之間，會形成不同比例的 $\text{Ca}$ 和 $\text{Na}$ 的固溶體，例如拉長石 (Labradorite)、安達士岩 (Andesine) 等。

3. 各反應礦物的寫出與說明：

   • 不連續反應系列：
     • 橄欖石 (Olivine): 最早結晶，化學成分約為 $(\text{Mg, Fe})_2\text{SiO}_4$。在高溫下，Mg 與 Fe 的比例決定了其具體成分。
     • 輝石 (Pyroxene): 緊接著橄欖石結晶，化學成分較複雜，如 $(\text{Mg, Fe, Ca, Na})_2(\text{Si, Al})_2\text{O}_6$。當輝石結晶後，若繼續冷卻，其表面的原子會與岩漿反應，重新排列，形成角閃石。
     • 角閃石 (Amphibole): 具有鏈狀矽酸鹽結構，化學成分如 $(\text{Na, Ca, Mg, Fe})_7(\text{Al, Si})_8\text{O}_{22}(\text{OH})_2$。角閃石是輝石反應生成的產物。

本題著重於聚合型板塊邊界（Convergent Plate Boundary）的構造特徵與地質作用。

核心觀念： 聚合型板塊邊界是指兩個板塊相互碰撞、擠壓的區域，通常會伴隨劇烈的地殼變形、火山活動和地震。其中，與海洋板塊俯衝相關的聚合邊界（Oceanic-Continental Convergence 或 Oceanic-Oceanic Convergence）會形成島弧或大陸弧，這也是本題的重點。

解題過程：

1. 聚合型板塊邊界的定義與類型：
   聚合型板塊邊界是地球上地質活動最活躍的區域之一。根據參與碰撞的板塊類型，可分為：

   • 海洋板塊與大陸板塊碰撞 (Oceanic-Continental Convergence)
   • 海洋板塊與海洋板塊碰撞 (Oceanic-Oceanic Convergence)
   • 大陸板塊與大陸板塊碰撞 (Continental-Continental Convergence)
     本題重點在於前兩者，因為它們會形成島弧（或大陸弧）和相關的火山活動。

2. 繪製聚合型板塊邊界（以海洋板塊俯衝為例）的典型剖面圖：
   （由於無法在此處繪圖，將以文字描述剖面圖的各個構造單元及其位置）

   • 俯衝帶 (Subduction Zone)： 這是核心構造。較密（通常是較老、較冷的）的海洋板塊向下俯衝到另一個板塊（可能是密度較小的海洋板塊或大陸板塊）之下。
   • 海溝 (Trench)： 俯衝的起始點，通常是海底地形最低、最深的地方，是俯衝板塊彎曲下沉的區域。
   • 楔形沉積物 (Accretionary Wedge)： 在俯衝板塊的前緣，會堆積從大陸漂來的沉積物、俯衝板塊上原有的沉積物，以及被刮下來的板塊碎片。這些物質被擠壓、變形，形成一個楔狀的構造，推積在上方板塊的前緣。
   • 俯衝板塊 (Subducting Plate)： 向下俯衝的海洋板塊，溫度隨深度增加而升高，並開始脫水。
   • 上覆板塊 (Overriding Plate)： 位於俯衝板塊之上，可以是較年輕的海洋板塊或大陸板塊。
   • 島弧/大陸弧火山帶 (Island Arc / Continental Arc Volcanic Belt)： 當俯衝的海洋板塊深入地函足夠的深度後，其溫度升高並釋放出水。這些水會降低上方地函楔（mantle wedge）的熔點，引發部分熔融，形成富含水分的岩漿。這些岩漿比周圍的岩石密度小，因而上湧，穿透上覆板塊，最終在地表形成火山。
     • 島弧 (Island Arc)： 若上覆板塊是海洋板塊，則火山活動在地表形成一連串火山島嶼，排列成弧形。
     • 大陸弧 (Continental Arc)： 若上覆板塊是大陸板塊，則火山活動發生在陸緣，形成一系列火山山脈。
   • 火山下方岩漿房 (Magma Chamber)： 上湧的岩漿會在數公里至數十公里深處聚集形成岩漿房。
   • 岩石圈厚度 (Lithosphere Thickness)：
     • 俯衝板塊： 俯衝的海洋岩石圈是較老的、較冷的，因此較厚。
     • 上覆板塊：
       • 若為海洋板塊（形成島弧），其岩石圈相對較薄，且在火山帶下方，由於岩漿上湧和熱量傳遞，岩石圈可能被加熱變薄。
       • 若為大陸板塊（形成大陸弧），其岩石圈原本就較厚。俯衝作用可能導致其邊緣被擠壓、增厚，並可能伴隨部分地函物質的加入。在火山帶下方，岩石圈同樣會因熱量而增厚。
   • 地震帶 (Seismic Zone)： 聚合型邊界是地震最頻繁的區域。

本題探討全球氣候暖化可能引發的地質災害。

核心觀念： 氣候暖化導致全球平均溫度升高，進而影響冰川、冰蓋、海平面、降雨模式以及極端天氣事件的頻率和強度，這些變化都會對地表的地質過程產生影響。

解題過程：

氣候暖化可能引發的地質災害可從以下幾個方面來闡述：

1. 冰川融化與海平面上升 (Glacial Melt and Sea Level Rise)：

   • 冰川融化： 全球暖化導致高山冰川和極地冰蓋（格陵蘭、南極）加速融化。
     • 可能災害：
       • 冰磧湖潰決 (Glacial Lake Outburst Floods, GLOFs)： 冰川融水在冰川前緣或側緣形成冰磧湖，當湖水壓力超過冰磧壩的強度時，可能發生瞬間潰決，引發毀滅性的洪水和土石流。
       • 地殼均衡調整 (Isostatic Rebound)： 過去巨大冰蓋的重量壓迫地殼，冰融化後，地殼會緩慢回彈。雖然這是一個緩慢的地質過程，但快速的冰融可能加速此過程，改變區域地應力，間接影響斷層活動或誘發微地震。
       • 地下水變化： 冰川融水影響區域地下水系統。
   • 海平面上升： 冰川融水和海水熱膨脹共同導致海平面上升。
     • 可能災害：
       • 海岸侵蝕與淹沒 (Coastal Erosion and Inundation)： 海平面上升加劇海岸線的侵蝕，淹沒低窪地區，破壞沿海基礎設施。
       • 鹹水入侵 (Saltwater Intrusion)： 海水滲入沿海的淡水含水層，影響飲用水和農業用水。
       • 地盤沉降加速： 在本身就存在地盤沉降的地區（如三角洲），海平面上升會加劇淹水風險。

2. 極端天氣事件頻率與強度增加 (Increased Frequency and Intensity of Extreme Weather Events)：

   • 熱浪 (Heatwaves)： 導致地表溫度升高，可能增加地表開裂、岩石風化作用。

本題探討末次冰期（Last Glacial Period）的時間、末次冰期以來的海平面變化以及影響氣候變遷的因素。

核心觀念： 地球氣候並非恆定，而是經歷週期性的冰期與間冰期循環。末次冰期是最近一次的冰期事件，了解其時間、後續海平面變化及影響因素，有助於理解地球氣候系統的動態。

解題過程：

1. 末次冰期發生時間：
   「末次冰期」是指地球歷史上最近一次的冰期階段。根據科學研究，特別是根據深海沉積物和冰芯數據的分析，末次冰期大約發生在距今 11.5 萬年前至 1.17 萬年前。其中，最高峰（最冷、冰蓋最大的時期）稱為「末次冰盛期」(Last Glacial Maximum, LGM)，大約發生在距今 2.65 萬年至 1.9 萬年前。

2. 由末次冰期以來海水面變化趨勢：
   從末次冰期（特別是末次冰盛期）到現在（間冰期），海水面的變化趨勢是顯著的上升。

   • 末次冰盛期 (LGM)： 大量水被鎖在陸地上的巨大冰蓋中（如北美和歐亞大陸的冰蓋），導致全球海平面比現在低約 120-130 公尺。
   • 冰期結束後 (Holocene)： 隨著地球逐漸擺脫冰期，氣溫回升，陸地冰蓋大規模融化，這些融水進入海洋，使得全球海平面快速且顯著地上升。
   • 現代： 在過去一個世紀左右，由於人為活動導致的全球暖化，海平面仍在持續上升，但上升速率相比冰期結束後要慢得多，但正加速。
     趨勢總結： 從末次冰盛期至今，海水面呈現快速上升後趨於穩定，近期又加速上升的總體趨勢。

3. 氣候變遷與哪些因素有關？
   影響地球氣候變遷的因素是多方面的，可以分為自然因素和人為因素。

   • 自然因素 (Natural Factors)：
     • 米蘭科維奇循環 (Milankovitch Cycles)： 這是影響地球長期冰期-間冰期循環的主要自然驅動因素。它描述了地球軌道參數的週期性變化，包括：
       • 地球軌道的離心率 (Eccentricity)： 地球軌道從接近圓形到橢圓形的週期性變化（約 10 萬年、40 萬年）。
       • 地球自轉軸的傾角 (Obliquity/Axial Tilt)： 地球自轉軸相對於軌道平面的傾斜度變化（約 2.4 萬年）。
       • 地球自轉軸的進動 (Precession)： 地球自轉軸指向天空的週期性擺動（約 1.9 萬年、2.3 萬年）。
         這些軌道參數的變化會影響到達地球的太陽輻射總量及其在不同緯度上的季節性分佈，進而影響冰蓋的形成和消融，觸發冰期和間冰期的轉換。

本題要求解釋五個基本的地球科學名詞。

核心觀念： 這些名詞涵蓋了地質學的基礎概念，包括研究地殼變形、板塊運動、岩石褶皺、地層產狀以及物質組成的基本單元。

解題過程：

1. Structural geology (構造地質學)：

   • 定義： 構造地質學是地質學的一個分支，專門研究地殼岩石的變形過程、產生的構造（如斷層、褶皺、節理）及其成因、運動學和動力學。它關注的是岩石在應力作用下的行為，以及這些應力如何在地殼中留下可觀察到的痕跡。
   • 研究內容： 包括岩石的變形機制、構造的幾何學描述（走向、傾角、斷層類型、褶皺類型等）、應力的分析、以及板塊構造與區域構造演化的關係。

2. Tectonics (構造學/板塊構造學)：

   • 定義： 構造學（或更廣泛的板塊構造學）研究地球大範圍的構造運動，特別是地殼和上覆地函的變形，以及這些變形如何導致山脈、海溝、火山、地震等大規模地質特徵的形成。它著重於解釋地球表面大規模構造單元的形成、演化和相互作用。
   • 研究內容： 包括板塊的運動（聚合、離散、轉換）、板塊邊界的地質作用、地殼的造山運動、盆地的形成、以及地球內部動力學對地表構造的影響。

3. Syncline (向斜)：

   • 定義： 向斜是褶皺的一種形態。當岩層發生褶皺時，若地層的彎曲方向是向下，且新岩層位於中心，老岩層位於兩側，則稱為向斜。從剖面上看，它呈現「U」字形或「V」字形（若褶皺很尖銳）。
   • 特徵：
     • 岩層圍繞一個共同的軸部（向斜軸）彎曲。
     • 軸部附近的地層是年輕的。
     • 若觀察地層序列，中心是較年輕的，兩側是較老的。
     • 通常與背斜（Anticline）相對，背斜是岩層向上彎曲，中心是老岩層。

4. Strike (走向)：

   • 定義： 走向是指傾斜地層、斷層面或任何平面與水平面相交的直線上，其方向在水平面上的投影。它通常用方位角（bearing）來表示，例如北 30 度東 (N30°E) 或 60 度。