114 年 國立成功大學地球科學研究所乙組《地球科學概論》

本題主要考驗學生對地震規模（Magnitude）與震度（Intensity）兩個基本地震學概念的理解，以及探討台灣地理環境與地震災害的關聯性。

核心觀念：

• 地震規模 (Magnitude)： 是衡量地震本身所釋放能量的指標，與地震源的物理特性（如斷層破裂面積、平均滑移量、岩石剪切模數）有關。通常使用芮氏規模（Richter magnitude scale, $M_L$）或矩規模（Moment magnitude scale, $M_w$）等，這些規模值越高代表能量越大。規模是客觀且單一的數值。
• 地震震度 (Intensity)： 是衡量地震對地表、建築物、人體感受所造成的影響程度，是一個主觀的描述性指標，會因地點、地質條件、建築物結構、距離震央遠近而異。例如，日本的震度（Shindo）或美國的麥加利震度（Modified Mercalli Intensity scale, MMI）等。震度值越高代表影響越劇烈。

解題過程：

1. 地震規模與震度的差異：

   • 規模： 衡量地震「釋放的能量」，是地震本身的物理量，不受觀測地點影響，通常只有一個數值。例如，規模 7.0 的地震，無論在哪裡發生，其釋放的能量相同。
   • 震度： 衡量地震「對地表的影響程度」，是觀測結果，受地點、距離、地質、建築物等因素影響，不同地點的震度可能不同。例如，規模 7.0 的地震，在震央附近可能造成震度 7 級的破壞，但在距離較遠的地方，震度可能只有 3 級。

2. 台灣為何易發生大地震：

   • 地理位置： 台灣位於菲律賓海板塊與歐亞板塊的碰撞交界處，是世界上地殼運動最活躍的區域之一。
   • 板塊運動： 台灣地區同時受到呂宋火山島弧、菲律賓海板塊的擠壓與隱沒，以及歐亞板塊的影響。這種複雜的板塊聚合邊界，導致地殼應力累積快速，容易引發大規模的斷層錯動，進而產生地震。

本題主要考驗學生對氣候系統中「回饋機制」（Feedback Mechanism）的理解，特別是正回饋與負回饋的區別，並要求以北極海冰融化為例，說明正回饋如何加劇全球暖化。

核心觀念：

• 回饋機制 (Feedback Mechanism)： 在一個系統中，某個變量的變化會引發一系列反應，而這些反應又會反過來影響最初的那個變量。
• 正回饋 (Positive Feedback)： 當系統的某個變化引起一個效應，而這個效應又會增強最初的那個變化時，就稱為正回饋。它會使系統趨於不穩定或加速變化。
• 負回饋 (Negative Feedback)： 當系統的某個變化引起一個效應，而這個效應又會抑制或減弱最初的那個變化時，就稱為負回饋。它有助於維持系統的穩定性。

解題過程：

1. 「正回饋」與「負回饋」在氣候系統中的作用：

   • 正回饋： 在氣候系統中，正回饋會放大初始的擾動。例如，氣溫升高導致某種現象加劇，而這種加劇又進一步導致氣溫升高。這會使氣候系統朝著一個方向（例如暖化或冷卻）加速變化，可能導致不穩定狀態。
   • 負回饋： 在氣候系統中，負回饋則會抑制或減弱初始的擾動，有助於維持氣候的相對穩定。例如，氣溫升高導致某種現象發生，而這種現象又會幫助降低氣溫。

2. 北極海冰融化與正回饋加速全球暖化：

   • 初始擾動： 人類活動導致大氣中溫室氣體濃度增加，引起全球平均氣溫上升，尤其在北極地區，暖化效應更為顯著。
   • 正回饋機制（冰-反照率回饋）：
     1. 氣溫上升 → 海冰融化： 隨著全球暖化，北極地區的氣溫升高，導致覆蓋海面的海冰開始融化。

本題主要考驗學生對「變質作用」（Metamorphism）基本概念、種類、在地質過程中的影響，以及如何與特定地區（台灣）的地質特徵結合，分析其地貌。

核心觀念：

• 變質作用 (Metamorphism)： 指的是原先存在的岩石（火成岩、沉積岩或甚至其他變質岩）在固態（未熔融）的狀態下，由於溫度、壓力、或化學成分的改變，而發生礦物組成、質地（構造）或化學成分上的變化，形成新的變質岩。
• 變質作用的驅動因素： 主要有溫度（T）、壓力（P）、以及化學活性流體（如熱水）。
• 變質作用的種類：
  • 接觸變質作用 (Contact Metamorphism)： 主要由高溫引起，通常發生在岩漿侵入體周圍，高溫的岩漿加熱周圍的圍岩，使其發生變質。壓力影響較小。
  • 區域變質作用 (Regional Metamorphism)： 通常發生在地殼深處，由於大地構造運動（如板塊碰撞）導致的壓力（靜岩壓力與定向壓力）和溫度升高，影響範圍廣泛。
  • 動力變質作用 (Dynamic Metamorphism / Cataclastic Metamorphism)： 主要由壓力（特別是定向壓力）引起，通常發生在斷層帶附近，岩石在剪切應力下被粉碎、研磨、塑性變形。
  • 其他（較少提及，但可列舉）： 衝擊變質作用（隕石撞擊）、水熱變質作用（與地下水或熱液循環有關）。

解題過程：

1. 變質作用的過程與種類：

   • 過程： 原岩在地下深處，承受較高的溫度和壓力，或接觸到高溫的岩漿或化學活性流體，其原有的礦物會變得不穩定，重新結晶形成新的、在新的溫度壓力條件下更穩定的礦物。同時，原岩的顆粒大小、排列方式（質地）也會改變。
   • 種類：
     • 接觸變質作用： 高溫、低壓。形成「角岩」（Hornfels）。
     • 區域變質作用： 高溫、高壓。依據 P-T 條件不同，可形成不同等級的變質岩，如板岩（Slate）、千枚岩（Phyllite）、片岩（Schist）、片麻岩（Gneiss）。
     • 動力變質作用： 高壓（定向）、低溫。形成「壓碎角礫岩」（Cataclasite）、「斷層泥」（Fault Gouge）等。

2. 台灣變質岩區的變質作用、礦物組成與構造改變：

   • 台灣的變質岩區： 主要集中在中央山脈的「脊梁山脈帶」（Central Range），這是台灣島最古老的地層，也是地殼變動最劇烈的區域之一。
   • 主要變質作用： 台灣的變質岩區主要是由區域變質作用形成，部分區域也可能受到動力變質作用的影響。
   • 礦物組成與構造改變：

本題主要考驗學生對地質學中「定年方法」（Dating Methods）的理解，特別是兩種常用方法（放射性定年法和相對定年法中的地層對比或化石對比）的原理。

核心觀念：

• 地質年代測定： 旨在確定岩石、礦物或化石形成的時間。可分為「相對定年法」（Relative Dating）和「絕對定年法」（Absolute Dating）。
• 相對定年法： 確定事件或地層的先後順序，而不給出具體的時間數值。例如，地層疊覆律、侵入接觸律、斷層律、生物疊覆律（化石對比）。
• 絕對定年法： 確定岩石、礦物或化石形成的時間，給出具體的年齡數值（通常以百萬年或千年以上為單位）。最常用的是「放射性定年法」（Radiometric Dating）。

解題過程：

地質學家確定岩石和化石的年齡，主要使用以下兩種方法（通常指放射性定年法和基於地層學/古生物學的定年法）：

方法一：放射性定年法 (Radiometric Dating) - 絕對定年法

• 原理： 許多天然存在的元素存在放射性同位素，這些同位素會以穩定的速率發生放射性衰變，轉變成另一種（子）同位素。這個衰變過程的速率（半衰期）是恆定的，不受溫度、壓力等外界條件影響。地質學家可以測量岩石或礦物樣本中，母元素（放射性同位素）與子元素（衰變產物）的比例，並已知其半衰期，就能計算出樣本形成以來經過的時間。
• 常用同位素對與應用：
  • 鈾-鉛定年法 (U-Pb Dating)： 利用鈾（$^{238}$U 衰變成 $^{206}$Pb，半衰期約 45 億年；$^{235}$U 衰變成 $^{207}$Pb，半衰期約 7 億年）和鉛的放射性衰變。常用於測定鋯石（Zircon）等礦物的年齡，鋯石在結晶時常會將鈾吸納進晶格，但鉛不易進入，因此是優良的定年礦物，適合測定非常古老的岩石（數百萬年至數十億年）。
  • 鉀-氬定年法 (K-Ar Dating) / 氬-氬定年法 (Ar-Ar Dating)： 利用鉀（$^{40}$K，半衰期約 13 億年）衰變成氬（$^{40}$Ar）和鈣（$^{40}$Ca）。鉀-氬定年法直接測量$^{40}$K 和 $^{40}$Ar 的比例。氬-氬定年法是更精確的版本，它先將樣本中的鉀加熱釋放出氬氣，再通過加熱誘發樣本中原有的$^{39}$Ar（來自鉀的另一放射性同位素）釋放，利用兩者比例來定年，可以測定從數萬年到數十億年的岩石和礦物。常用於測定火成岩的年齡。
  • 碳-14 定年法 (C-14 Dating)： 利用碳（$^{14}$C，半衰期約 5730 年）衰變成氮（$^{14}$N）。$^{14}$C 在生物體內不斷更新，當生物死亡後，$^{14}$C 的量開始衰減。