111 年 國立成功大學地球科學研究所乙組《地球科學概論》

此題主要考驗學生對常見礦物（角閃石與輝石）的物理性質與鑑別特徵的認識。

解題思路：

1. 理解題目要求：題目要求從「觀察礦物」的角度，比較角閃石 (Amphibole) 與輝石 (Pyroxene) 的特徵，並說明如何在肉眼下區分它們。這表示需要關注礦物的顏色、光澤、解理、晶形等肉眼可見的特徵。
2. 回顧角閃石與輝石的基礎知識：
   • 化學成分：兩者都屬於矽酸鹽礦物，但結構和成分略有差異。輝石屬於鏈狀矽酸鹽，結構為單鏈；角閃石屬於雙鏈矽酸鹽，結構為雙鏈。
   • 晶體結構與解理：這是最關鍵的區別點。輝石的解理角約為 87° 和 93° (接近直角)；角閃石的解理角約為 56° 和 124° (非直角)。
   • 顏色：兩者顏色變化範圍都較大，但常見顏色有所重疊，因此顏色不是最可靠的區分依據，但可以作為輔助。
   • 光澤：通常為玻璃光澤。
   • 硬度：大致相似，約 5-6。
3. 歸納區分特徵：
   • 解理 (Cleavage)：這是最主要的區別。
     • 角閃石：有兩組解理，兩組解理面夾角約為 56° 和 124°。這使得角閃石的斷面看起來有「斜切」感，而不是方塊狀。
     • 輝石：有兩組解理，兩組解理面夾角約為 87° 和 93°，非常接近直角。這使得輝石的斷面看起來像「方塊」或「長方形」。
   • 晶形 (Crystal Habit)：
     • 角閃石：常呈柱狀、針狀或纖維狀晶體。
     • 輝石：常呈短柱狀、粒狀或塊狀。
   • 顏色 (Color)：
     • 角閃石：常見為深綠色、黑色、藍黑色，但也有淺綠色、褐色、白色等。
     • 輝石：常見為深綠色、黑色、褐色，但也有綠色、黃褐色、無色等。
     • 補充：雖然顏色有重疊，但某些特定顏色組合可能提示一種礦物。例如，某些角閃石（如藍角閃石）會有明顯的藍色調，而某些輝石（如透輝石）則偏向綠色或黃綠色。
   • 橫斷面：觀察礦物斷面時，角閃石的解理面會形成一個不規則的八邊形，而輝石的解理面則形成一個接近正方形或長方形的截面。
4. 組織答案：
   • 先簡述兩者都是矽酸鹽礦物，但結構不同。
   • 重點描述解理的差異，並說明這如何在肉眼觀察中體現。

此題考驗學生對地球內部結構、地震波傳播特性以及礦物組成與物理性質之間關聯的理解。

解題思路：

1. 理解題目核心：題目要求結合「地震波」和「礦物組成」兩個面向，來闡述「地球內部結構」。這表示答案需要同時涵蓋地震波在地球不同介質中的行為變化，以及這些變化背後所代表的地球內部物質的物理狀態和化學組成。
2. 地球內部結構的劃分：地球內部通常劃分為地殼 (Crust)、地幔 (Mantle) 和地核 (Core)，而地核又可細分為外地核 (Outer Core) 和內地核 (Inner Core)。
3. 地震波的傳播特性：
   • P波 (Primary waves)：縱波，速度較快，可以通過固體、液體和氣體。其速度受介質的彈性模量和密度影響。
   • S波 (Secondary waves)：橫波，速度較慢，只能通過固體，無法通過液體。其速度受介質的剪切模量和密度影響。
   • 地震波速度的變化：地震波在不同密度、不同彈性性質的介質中傳播時，速度會發生變化。速度突然增加通常表示進入更堅硬、更緻密的固體；速度突然減小或消失則表示進入密度增加但彈性性質（尤其是剪切模量）顯著降低，甚至為零的介質。
4. 結合地震波數據解釋分層：
   • 地殼與地幔的界線 (莫氏不連續面, Moho discontinuity)：地震波速度在此處有明顯增加，顯示密度和彈性性質的改變，一般認為是從較輕的、以長石為主的岩石（地殼）進入以橄欖石、輝石為主的較重、較緻密的岩石（地幔）。
   • 地幔頂部 (軟流圈, Asthenosphere)：地震波速度在此區域（約 100-350 km 深度）有輕微減慢的現象，顯示該區域的岩石可能部分熔融，處於較軟弱的狀態，這對板塊運動至關重要。
   • 地幔與外地核的界線 (古氏不連續面, Gutenberg discontinuity)：P波速度在此處急劇下降，S波則完全消失。這表明外地核是一種液態物質，它無法傳遞S波，且P波速度大幅減緩。
   • 外地核與內地核的界線 (內核不連續面)：P波速度在外地核內部持續減緩後，在內地核界面處又明顯增加。這表明內地核是固態的，儘管溫度極高，但壓力極大，使得物質呈現固態。
5. 結合礦物組成與物理性質解釋：
   • 地殼：主要由密度較低的矽酸鹽岩石組成，如花崗岩（富含石英、長石）和玄武岩（富含斜長石、輝石、橄欖石）。
   • 地幔：主要由密度較大的矽酸鹽礦物組成，如橄欖石 (Olivine) 和輝石 (Pyroxene)，其結構在高壓下可能發生相變。地幔底部的高壓和高溫可能導致礦物結構的變化，如尖晶石結構、鈣鈦礦結構等，但整體仍是固態（除軟流圈局部）。
   • 外地核：主要由鐵 (Fe) 和鎳 (Ni) 等重元素組成，處於液態。高溫使得原子運動劇烈，無法形成穩定的固體結構。
   • 內地核：同樣主要由鐵和鎳組成，但在極高的壓力下，即使溫度極高，物質也變成了固態。
6. 組織答案：
   • 開頭點出地球內部結構的分層及其重要性。
   • 分別介紹地殼、地幔、外地核、內地核的界線，並說明在這些界線處地震波（P波和S波）速度的變化。
   • 解釋這些地震波速度變化所反映的介質狀態（固態、液態、軟弱固態）。
   • 再從礦物組成和物理性質的角度，解釋為何會出現這樣的介質狀態和密度、彈性性質的變化（例如，地幔的橄欖石、輝石，地核的鐵鎳合金）。
   • 最後總結，地震波是我們推斷地球內部結構的主要工具，而礦物組成的變化則解釋了其物理性質的差異。

詳解內容：

此題考驗學生對褶皺構造（背斜與向斜）的定義、特徵以及油氣儲藏與構造關係的理解。

解題思路：

1. 理解題目要求：題目包含兩部分：
   • 定義背斜 (Anticline) 和向斜 (Syncline) 構造。
   • 說明油氣通常儲藏在哪種褶皺構造，並解釋原因。
2. 定義背斜與向斜：
   • 褶皺 (Folding)：岩層因受擠壓力而彎曲變形，形成波浪狀的構造。
   • 背斜：岩層彎曲向上凸起，兩翼岩層向下降斜（或向外傾斜）。從側面看，像是拱形或山脊。
   • 向斜：岩層彎曲向下凹陷，兩翼岩層向中間傾斜（或向內傾斜）。從側面看，像是盆地或山谷。
   • 關鍵區分點：在褶皺的頂部或底部，以褶皺軸為中心，岩層的傾斜方向是判斷依據。背斜是「拱」，向斜是「槽」。
3. 油氣儲藏的條件：
   • 儲集層 (Reservoir Rock)：必須有足夠的孔隙度和滲透性，能夠儲存油氣，例如砂岩、多孔石灰岩。
   • 蓋層 (Cap Rock)：必須有緻密、不滲透的岩層覆蓋在儲集層之上，阻止油氣向上逸散，例如頁岩、泥岩。
   • 生油岩 (Source Rock)：產生油氣的有機質豐富的岩層，通常是頁岩。
   • 圈閉 (Trap)：一種能夠阻止油氣進一步聚集和運移的構造或地層條件。褶皺構造是常見的圈閉類型。
4. 判斷油氣儲藏的構造：
   • 背斜構造：在背斜構造中，岩層向上彎曲，形成一個「拱形」的結構。
     • 圈閉形成：如果背斜構造的頂部有不滲透的蓋層（如頁岩），而其下方是具有孔隙度和滲透性的儲集層（如砂岩），那麼在背斜的最高點（軸部）附近，油氣（密度比水小）會聚集，形成一個有利的儲藏空間，即「背斜圈閉」。
   • 向斜構造：在向斜構造中，岩層向下凹陷。
     • 圈閉形成：油氣（密度比水小）在向斜構造中會傾向於向下聚集，但由於向斜的形態，油氣會順著傾斜的儲集層流向兩翼，並最終被下方的蓋層（如果存在）或地層接觸面所阻擋，形成分散的聚集。向斜本身通常不是有效的油氣圈閉，因為油氣會向下流動，而不是被「困住」在最高點。
5. 解釋原因：
   • 油氣（主要是烴類，密度小於水）在地下會因浮力作用向上運移。
   • 背斜構造提供了一個向上凸起的頂部，當頂部有緻密的蓋層時，油氣聚集在該頂部的最高點，形成封閉。
   • 向斜構造是向下凹陷的，油氣會繼續向下流動，不易在向斜頂部形成大規模聚集。
6. 組織答案：
   • 首先清晰定義背斜和向斜的形態特徵。
   • 然後說明油氣儲藏的基本條件（儲集層、蓋層、生油岩、圈閉）。
   • 接著指出油氣主要儲藏在背斜構造中。

此題考驗學生對地層對比、相對年代釐定（化石準則）以及沉積環境判斷的能力。

解題思路：

1. 理解題目核心：題目要求根據三個地層中發現的三種不同化石，來判斷這三個地層的「新舊關係」，以及推測它們各自形成時的「沉積環境」。
2. 地層新舊關係的判斷：
   • 地層疊覆律 (Principle of Superposition)：在未經變形的沉積岩層中，下方的地層比上方的地層更老（更古老）。
   • 化石準則 (Principle of Faunal Succession)：不同時代的生物化石在沉積岩層中有規律地出現和演替。特定時代的地層含有該時代特有的、指示性的化石（指示化石）。
   • 題目資訊：
     • 最靠近地表：恐龍化石。
     • 第二層（地表之下）：菊石化石。
     • 最深的一層（地表之下最深處）：三葉蟲化石。
   • 化石年代對比：
     • 三葉蟲 (Trilobite)：主要出現在古生代 (Paleozoic Era)，特別是寒武紀到二疊紀。
     • 菊石 (Ammonite)：主要出現在中生代 (Mesozoic Era)，特別是三疊紀到白堊紀。
     • 恐龍 (Dinosaur)：主要出現在中生代，特別是侏羅紀到白堊紀。
   • 綜合判斷：
     • 從絕對年代上看：三葉蟲（古生代）最老 → 菊石/恐龍（中生代）較年輕。
     • 從地層疊覆律和化石組合來看：
       • 最深層（三葉蟲）是三者中最老的。
       • 第二層（菊石）比三葉蟲層年輕，但比恐龍層老（因為菊石和恐龍都主要在中生代，但三葉蟲的時代跨度更早）。
       • 最靠近地表（恐龍）是三者中最年輕的。
   • 結論：地層從最深到最淺，年代由老到新，依次是：三葉蟲地層（最老）→ 菊石地層（中間）→ 恐龍地層（最年輕）。
3. 沉積環境的判斷：
   • 三葉蟲 (Trilobite)：
     • 生物習性：大多數三葉蟲是底棲生物，生活在淺海環境，有些種類生活在較深的海域。
     • 指示環境：發現三葉蟲的沉積岩層通常指示海洋環境。由於三葉蟲的時代跨度大（古生代），且種類繁多，其具體生活環境（淺海、深海、近岸等）需要更精確的分類才能確定。但一般而言，與陸相環境的區別是明確的。
   • 菊石 (Ammonite)：
     • 生物習性：菊石是古代海洋軟體動物，大多是漂浮或遊泳在海洋中的生物，是海洋中的重要浮游/游泳生物。
     • 指示環境：發現菊石的沉積岩層強烈指示海洋環境，通常是較開闊的海洋。
   • 恐龍 (Dinosaur)：