108 年 國立中央大學地球科學學系地球物理碩士班在職生《普通地質學》

本題主要在探討島弧及陸弧火成作用的形成機制，這與板塊構造中的聚合型板塊邊界（convergent plate boundary）密切相關。

核心觀念：島弧及陸弧火成作用的形成是因俯衝帶（subduction zone）中，下降的海洋板塊脫水引發地函楔（mantle wedge）的部分熔融，進而形成岩漿，並上升至地表噴發。

解題步驟：

1. 俯衝作用的開始： 當密度較大的海洋板塊與密度較小的陸殼板塊或另一個海洋板塊碰撞時，密度較大的海洋板塊會向下俯衝，進入地函形成俯衝帶。
2. 水的釋放： 俯衝的海洋板塊在其沉積物和水合礦物中含有大量的水。隨著板塊向下俯衝至更深、溫度更高的區域，這些水會被釋放出來。
3. 地函楔的熔融： 釋放出來的水會滲入俯衝板塊上方的地函楔。水會降低地函楔的熔點（如同加水到泥巴裡使其更容易軟化），引發部分熔融，形成富含二氧化矽的安山質或玄武質岩漿。
4. 岩漿的上升與演化： 形成的岩漿比周圍的地函溫度更高且密度較低，因此會開始上升。

本題要求列舉六種原生沉積構造，並說明其形成原因及在地質學上的應用價值。原生沉積構造是指沉積物在沉積過程中或沉積後不久，在沉積環境影響下形成的結構。

核心觀念：不同的沉積環境（如水流速度、水體穩定性、沉積物成分等）會形成特定的沉積構造，這些構造能提供關於古環境、古水流方向、沉積物搬運方式等重要資訊。

解題步驟：
以下列舉六種常見的原生沉積構造，並說明其成因與應用價值：

1. 層理（Bedding / Lamination）：

   • 成因： 沉積物依序堆積，不同層次的沉積物可能在成分、顆粒大小、顏色或顆粒排列上有所差異，或因沉積速率的暫時變化而形成。細顆粒的稱為層理（lamination），粗顆粒的稱為層（bedding）。
   • 應用價值： 顯示沉積物的堆疊順序，指示沉積時間的推移；層面的變化可反映沉積環境的變遷；層理的清晰度與厚度可推斷水流的穩定性。

2. 波痕（Ripples）：

   • 成因： 由水流（水波或洋流）或風力吹拂，使沉積物表面形成規則的起伏狀構造。根據水流方向，可分為平行波痕（流動方向平行）和交叉波痕（流動方向垂直）。
   • 應用價值： 坡面波痕的形態（如弧形、舌形）和方向可指示古水流或古風向。

3. 砂岩斜層理（Cross-bedding / Cross-lamination）：

   • 成因： 在流動的介質（水或風）作用下，沉積物在斜坡上滾落堆積形成，常見於沙丘、三角洲前緣、水下沙脊等。
   • 應用價值： 斜層理的傾斜方向可指示古水流或古風向，是判斷沉積方向的重要指標。

4. 泥裂（Mud cracks / Desiccation cracks）：

   • 成因： 泥質沉積物（如泥岩、粉砂岩）在潮濕狀態下沉積後，因暴露於空氣中乾燥收縮而形成的多邊形裂縫。

本題要求探討不同板塊邊界類型所產生的地震特性，重點在於震源深度與震源機制。

核心觀念：板塊邊界的運動方式（碰撞、分離、錯動）決定了地震的發生位置、深度與破裂方式。俯衝帶因板塊的複雜運動，會產生最廣泛且深淺不一的地震；離散型邊界（如洋中脊）地震多較淺；轉形斷層則產生淺層錯動型地震。

解題步驟：

板塊邊界可分為三種類型，各自對應不同的地震活動：

1. 聚合型板塊邊界（Convergent Plate Boundaries）：
   • 類型：
     • 海洋板塊-陸殼板塊碰撞（Ocean-Continent Convergence）： 如安地斯山脈。
     • 海洋板塊-海洋板塊碰撞（Ocean-Ocean Convergence）： 如日本弧。
     • 陸殼板塊-陸殼板塊碰撞（Continent-Continent Convergence）： 如喜馬拉雅山脈。
   • 地震特性：
     • 震源深度： 範圍最廣，可從地表淺層（0-30 km）延伸至非常深處（達 700 km），形成稱為「班尼奧夫帶」（Wadati-Benioff zone）的傾斜地震帶。
       • 淺層地震（0-70 km）：發生在板塊彎曲、碰撞及初始俯衝階段。
       • 中層地震（70-300 km）：發生在俯衝板塊進入地函後，溫度壓力變化導致的破裂。
       • 深層地震（>300 km）：發生在俯衝板塊深入地函，發生相變或熱力學效應引起的破裂。
     • 震源機制：
       • 俯衝帶（Subduction Zones）： 淺層、中層及深層地震多為「逆衝斷層」（Thrust Faulting）或「衝斷層」（Reverse Faulting），反映了板塊擠壓、彎曲和俯衝的應力狀態。

本題主要在探討熱定年法（thermochronology）的定義，以及列舉並說明三種常用的熱定年方法。

核心觀念：熱定年法是利用礦物在特定溫度下，其內部放射性同位素衰變產物（如氦、氬）的累積或特定衰變產物（如裂變徑跡）的消失，來追蹤該礦物自高溫到低溫的冷卻歷史，進而推斷岩石的熱歷史與抬升侵蝕歷史。

解題步驟：

1. 熱定年法（Thermochronology）的定義：
   熱定年法是一門研究岩石或礦物從高溫冷卻至特定「閉鎖溫度」（closure temperature）以下的歷史的學科。閉鎖溫度是指在特定時間尺度下，該礦物系統中放射性同位素衰變產物的擴散速率低到足以被視為「閉鎖」，不再逃逸，而開始累積。因此，熱定年法可以提供岩石從地底深處被抬升至地表，並逐漸冷卻的過程資訊，對於重建地貌演變、板塊碰撞歷史、侵蝕速率等具有重要意義。

2. 常用的三種熱定年方法及其說明：

   a. 裂變徑跡定年法（Fission Track Dating, FTD）：
   * 原理： 鈾-238 ($^{238}$U) 的自發性裂變過程會在礦物晶格中產生短暫的、高能量的徑跡（track）。這些徑跡會對周圍的晶格造成損害，使其更容易受到化學蝕刻。當礦物冷卻至特定閉鎖溫度（通常在 60-250°C 之間，視礦物種類而定）以下時，徑跡的擴散（癒合）速率會顯著降低，形成「記錄」。透過測定單位面積上的徑跡密度，並結合放射性同位素定年（如鈾含量測定），可以計算出礦物自形成以來經歷的冷卻歷史，特別是達到閉鎖溫度以下的時間。
   * 應用： 主要用於記錄岩石從約 250°C 冷卻至約 60°C 的過程，適用於研究地殼淺部的抬升與侵蝕歷史。

   b. 氬-氬定年法（$^{40}$Ar/$^{39}$Ar Dating）：
   * 原理： 這是一種基於鉀-氬（K-Ar）定年法的改進技術。首先，將樣品（含鉀的礦物，如雲母、長石、角閃石）暴露於中子輻射，使其中的鉀-39 ($^{39}$K) 轉化為氬-39 ($^{39}$Ar)。然後，透過逐步加熱（step-heating）樣品，釋放出不同溫度階段的氬氣（包含天然形成的氬-40，$^{40}$Ar，以及由 $^{39}$Ar 衰變產生的 $^{40}$Ar），並測量其比例。

本題要求說明斷層在不同深度（從近地表到深部地殼）所形成的斷層岩石種類，以及這些岩石所代表的地質環境變化。

核心觀念：斷層是地殼中岩石破裂並發生相對位移的構造。在斷層運動過程中，岩石會受到機械破碎、研磨、摩擦生熱等作用，形成特殊的斷層岩石。這些岩石的類型與形成深度、溫度、壓力、流體條件以及岩石的原始成分密切相關。

解題步驟：

斷層岩石的類型與其形成深度、溫度、壓力條件有密切關係，可以概分為以下幾類，從近地表到深部地殼依序討論：

1. 近地表（淺部地殼，約 0-5 km，低溫低壓）：

   • 斷層岩石：
     • 斷層泥（Fault Gouge）： 由極細的黏土質顆粒組成，通常是原始岩石（如頁岩、泥岩）在斷層帶中被研磨、粉碎後，再混入地下水反應形成的塑性物質。質地鬆軟，黏性強。
     • 斷層角礫岩（Fault Breccia）： 由棱角狀、未經顯著研磨的岩塊組成，這些岩塊是原始岩石破裂的產物，被膠結於細碎的基質（可能是斷層泥或碎屑）中。
   • 代表的地質環境變化：
     • 脆性破裂（Brittle Deformation）： 在低溫低壓的淺部地殼，岩石的行為主要是脆性的，斷層作用以破裂、破碎為主。
     • 流體滲透： 斷層帶提供了流體（地下水）滲透的通道，易於發生化學反應，如黏土化作用。

2. 中淺部地殼（約 5-15 km，中溫中壓）：

   • 斷層岩石：
     • 糜棱岩（Mylonite）： 這是一種變質性的變形岩石，在斷層帶中，岩石在較高的溫度和壓力下，透過塑性變形（如滑移、重結晶、擴散蠕變）而形成。糜棱岩通常具有明顯的葉理（foliation）或線理（lineation），其中的礦物顆粒會被拉長、變形。
     • 偽達契岩（Pseudotachylyte）： 這是斷層帶中一種特殊的岩石，由斷層摩擦產生的瞬間高溫（可能達熔點）導致岩石熔融，然後快速冷卻形成的玻璃質或細晶質脈體。它被包裹在原始岩石或斷層角礫岩中。
   • 代表的地質環境變化：