111 年 國立中央大學地球科學學系地球物理碩士班一般生《構造地質學》

本題主要在探討褶皺的幾何學分類及其形成機制。

Fold 的幾何學分類是根據褶皺的形態，特別是中軸面 (axial surface) 相對於單層岩層的傾角變化，以及層厚在褶皺過程中是否保持不變來區分。

1. Parallel Fold (等厚褶皺)：

   • 定義：在平行褶皺中，相鄰的岩層厚度在褶皺過程中大致保持不變。這意味著褶皺的軸面會隨著單層岩層的傾角變化而變化。
   • 幾何特徵：褶皺的軸面通常是大致平行的。當觀察褶皺的剖面時，可以發現褶皺的內外側層厚一致。
   • 形成因素：平行褶皺通常發生在具有較高抗撓強度 (flexural rigidity) 的岩層中，例如具有明顯層理且變形能力較差的岩層，或是受到較為集中且定向的應力作用。當岩層受到彎曲變形時，岩石的厚度並未顯著改變，而是發生純粹的彎曲。這類褶皺常在單層岩性較均一、且變形條件較為溫和的環境下形成。

2. Similar Fold (相似褶皺)：

   • 定義：在相似褶皺中，褶皺的軸面大致是平行的，但相鄰岩層的厚度會隨著褶皺的曲率而變化。越靠近褶皺的頂部 (hinge) 區域，岩層會被壓縮變薄；而越靠近翼部 (limb) 區域，岩層則會被拉伸變厚。
   • 幾何特徵：相似褶皺的特徵是其軸面大致平行，但層厚變化顯著。這種變薄和變厚是為了維持褶皺的幾何相似性。

本題主要在探討沉積構造 (sedimentary structures) 在判斷岩層上下盤 (top and bottom) 中的應用。沉積構造是在沉積物形成過程中，由物理、化學或生物作用所形成的原始結構。

判斷岩層上下盤的關鍵在於這些原始結構的形成過程具有方向性，其「上方」和「下方」的定義與重力、沉積物堆積方向或生物活動方向有關。

以下介紹至少五種可幫助判定層位上下的 primary structure：

1. 層理 (Bedding)：

   • 描述：沉積岩中最常見的結構，指岩石中不同岩性、顆粒大小、顏色或成分的薄層。
   • 判定原理：沉積物總是從上方堆積下來，因此，較粗或較重的顆粒通常沉積在下方，而較細或較輕的顆粒沉積在上方。層理的表面通常是平坦的或有輕微的起伏，較粗糙或有較多顆粒的表面通常是底部，而較平滑或有細顆粒的表面通常是頂部。
   • 應用：在單一的、未變形的沉積層中，層理本身就指示了堆積方向。

2. 交錯層理 (Cross-bedding)：

   • 描述：由一系列傾斜的小層組成，這些小層被更平坦、更粗的表面所截斷。通常形成於水流或風力搬運沉積物的斜坡上。
   • 判定原理：交錯層理的傾斜方向指示了沉積物搬運的方向。在水平的沉積環境中，傾斜的小層總是向下游或順風方向傾斜。因此，傾斜面的頂部朝向上方，底部朝向下方。
   • 應用：這是判斷層位上下最可靠的結構之一。

3. 漣痕 (Ripple Marks)：

   • 描述：由水流或風力作用在鬆散沉積物表面形成的波浪狀紋路。
   • 判定原理：
     • 對稱漣痕 (Symmetrical Ripple Marks)：通常由水流的來回振盪形成，底部較平滑，頂部有波峰。

本題探討斷層在不同埋深（近地表至深部地殼）所形成的不同斷層岩 (fault rocks)，以及這些斷層岩所代表的地質環境變化。斷層岩的種類與其形成時的溫度、壓力、流體條件以及變形機制密切相關。

斷層岩的分類主要依據其結構、顆粒大小、成分以及變形過程。以下從近地表到深部地殼，介紹常見的斷層岩種類及其代表的地質環境：

1. 近地表 (Shallow Crust, < 5-10 km depth, < 300°C)：

   • 斷層岩種類：
     • 斷層泥 (Fault Gouge)：最常見的斷層岩，由極細的顆粒（黏土級）組成，通常缺乏明顯的結構。它是由於岩石在低溫低壓條件下，透過磨蝕、粉碎和黏土化作用形成。
     • 斷層角礫岩 (Fault Breccia)：由尖角狀、棱角狀的岩石碎塊組成，這些碎塊被細小的基質（可能是斷層泥）膠結而成。它形成於較乾脆的斷層活動，岩塊在斷層帶中相互碰撞、磨損而形成。
   • 代表地質環境變化：
     • 脆性變形 (Brittle Deformation)：此深度範圍內，岩石主要以脆性方式破裂，即岩石在斷裂前發生微小形變，然後突然斷裂。
     • 低溫低壓：代表較淺的埋深，接近地表。
     • 水文條件：常有地下水存在，有利於黏土礦物的形成（黏土化作用），產生斷層泥。
     • 應力條件：通常是較高的應力梯度，導致岩石快速破裂。

2. 中地殼 (Mid-Crust, 10-20 km depth, 300-500°C)：

   • 斷層岩種類：
     • 碎裂變質岩 (Cataclasite)：比斷層角礫岩更細小的碎裂岩，其碎塊之間的基質也經過了碎裂作用。碎塊的邊緣可能發生了輕微的塑性變形或再結晶。
     • 動力變質岩 (Dynamothermal Metamorphic Rocks)：若斷層活動伴隨有區域變質作用，則可能形成具有變質岩特徵的斷層岩，如變質砂岩、變質頁岩等，其礦物成分和結構可能已發生變化。
     • 假玄武岩 (Pseudotachylyte)：一種特殊的斷層岩，由斷層快速滑動產生的高溫摩擦熔融岩漿冷卻固化而成。它呈現玻璃質或細粒的結構，通常呈脈狀或透鏡狀產出。

本題探討在平移斷層 (strike-slip fault) 系統中，由於斷層線的彎曲而產生的伸張 (extension) 或壓縮 (compression) 區域，以及這些區域的幾何特徵。

1. Releasing Bend (伸張彎曲)：
   • 定義：指平移斷層系統中，斷層線向一側彎曲，導致斷層兩側的岩塊在移動過程中產生相對的伸張或開放空間的區域。
   • 平面構造 (Map View)：
     • 在平面圖上，Releasing bend 通常表現為斷層線的凹側（或稱「左彎」如果斷層為左移，或「右彎」如果斷層為右移）。
     • 想像斷層線在某處向外彎曲，例如左移斷層右側岩塊向前移動，左側岩塊向後移動，當斷層線在此區域向右彎曲（迎著運動方向看是向右彎曲），則兩側岩塊之間會產生開放空間。
     • 這種伸張區域常形成「蓮葉狀」的盆地 (pull-apart basin) 或張力構造 (tensional structures)，如張力裂隙 (tension fractures) 和正斷層 (normal faults)。
   • 剖面構造 (Cross-section View)：
     • 在剖面上，Releasing bend 區域會呈現伸張的特徵。
     • 如果斷層是左移斷層，Releasing bend 區域會受到拉張，可能形成正斷層或裂隙，岩塊會向下或向外張開。
     • 如果斷層是右移斷層，Releasing bend 區域同樣會受到拉張，形成正斷層或裂隙。
     • 總之，剖面上會看到岩層被拉伸、斷裂或下陷。
   • 圖示 (Map View)：

     --->--->--->  (右移斷層，右側岩塊向右移)
     /           \
     /             \
     | Releasing Bend|  <-- 斷層線向右彎曲 (迎著運動方向)
     \             /
     \           /
     <---<---<---
     

     此區域會有張力裂隙或正斷層。

本題探討岩石破壞的力學準則 (Mohr-Coulomb failure criterion) 以及其在孔隙水壓、有效應力、岩石破壞及共軛斷層形成中的應用。

Mohr-Coulomb Failure Criterion

Mohr-Coulomb failure criterion 是描述岩石在單軸或多軸應力狀態下發生剪切破壞的理論。它將破壞視為一個剪切破壞過程，破壞的發生取決於剪應力 (shear stress) 和正向應力 (normal stress) 的組合。

• 圖示 (示意圖)：
  繪製一個 Mohr 圓，圓心位於應力軸上，代表平均應力 $\sigma_{avg}$。

  • 橫軸：代表正向應力 ($\sigma_n$)。
  • 縱軸：代表剪應力 ($\tau$)。
  • 破壞包線 (Failure Envelope)：一條與橫軸有一定傾角的直線，代表了岩石破壞的極限狀態。這條直線的斜率由岩石的內摩擦角 ($\phi$) 決定，截距由黏聚力 (cohesion, $c$) 決定。
  • 公式：$\tau = c + \sigma_n \tan \phi$
  • Mohr 圓與破壞包線的關係：
    • 如果一個 Mohr 圓與破壞包線相切，則岩石處於破壞狀態。
    • 如果 Mohr 圓小於破壞包線（不相交或未觸及），則岩石處於穩定狀態。
    • 如果 Mohr 圓大於破壞包線（穿過），則表示該應力狀態是不可能存在的，或者岩石已經發生破壞。
  • 共軛斷層的形成：當 Mohr 圓與破壞包線相切時，切點所對應的應力狀態，其最大剪應力方向與最大主應力 ($\sigma_1$) 的夾角為 $\alpha$。而共軛斷層的兩組斷層面與最大主應力 ($\sigma_1$) 的夾角，通常為 $45^\circ + \phi/2$ 和 $45^\circ - \phi/2$。

         ^ tau
         |
         |      /
         |     /  Failure Envelope (tau = c + sigma_n * tan(phi))
         |    /
         |   /
         |  /
         | /
         |/___________> sigma_n
         O
         |
  

  （示意圖：一個 Mohr 圓與一條斜直線（破壞包線）相切。直線的斜率由 $\phi$ 決定，截距由 $c$ 決定。圓心代表平均應力。）

(1) 孔隙液壓與有效應力、及岩體破壞之間的關係

• 有效應力 (Effective Stress)：
  有效應力 ($\sigma'$) 是指作用在岩石骨架上的應力，它決定了岩石的強度和變形行為。總應力 ($\sigma$) 包括了孔隙流體壓力 ($u$) 和有效應力。
  $\sigma' = \sigma - u$
  其中：

  • $\sigma$ 是總應力 (Total Stress)
  • $u$ 是孔隙液壓 (Pore Fluid Pressure)
  • $\sigma'$ 是有效應力 (Effective Stress)

• 關係：

  • 岩體破壞：岩體的破壞（根據 Mohr-Coulomb 準則）取決於 有效應力，而不是總應力。
  • 孔隙液壓的影響：
    • 當孔隙液壓 ($u$) 增加時，在總應力 ($\sigma$) 不變的情況下，有效應力 ($\sigma'$) 會降低。
    • 根據 Mohr-Coulomb 準則，岩石的抗剪強度與有效正向應力成正比（$\tau \propto \sigma_n' \tan \phi$）。因此，有效應力的降低會導致岩石的抗剪強度降低。
    • 當孔隙液壓升高到一定程度，使得有效應力降低到足以讓 Mohr 圓與破壞包線相切時，岩石就會發生破壞，形成斷層。

本題探討 S 形雁行排列礦脈 (sigmoidal en echelon vein array) 的形成機制，並闡述其與脆性-延性轉變 (brittle-ductile transition) 的關聯性。

S 形雁行排列礦脈 (Sigmoidal En Echelon Vein Array)

• 定義：雁行排列 (en echelon) 指一系列平行或近乎平行的構造（在此為礦脈），它們在空間上呈階梯狀或交錯排列。S 形 (sigmoidal) 則是指這些雁行排列的礦脈本身呈現出曲線狀，類似字母「S」。
• 幾何特徵：
  • 在平面上，這些礦脈彼此平行，但沿斷層滑動方向呈階梯狀分佈。
  • 每一條礦脈本身並非直線，而是彎曲的，整體排列起來形成一個 S 形的曲線。
  • 礦脈通常充填了石英、方解石或其他礦物。

脆性-延性轉變 (Brittle-Ductile Transition)

• 定義：在地殼中，岩石的變形行為會隨著埋深、溫度和壓力的增加而改變。在較淺、較冷的區域，岩石主要以脆性方式變形（破裂、斷裂）。隨著埋深增加，溫度和壓力升高，岩石的延展性增強，開始以延性方式變形（流動、蠕變）。脆性-延性轉變是指從以脆性變形為主到以延性變形為主的過渡區域。
• 深度與溫度：這個轉變通常發生在地殼的中部，深度約在 10-20 公里，溫度約在 300-500°C。

S 形雁行排列礦脈與脆性-延性轉變的關聯性

S 形雁行排列礦脈的形成與平移斷層 (strike-slip fault) 的活動密切相關，尤其是在脆性-延性轉變帶附近。其形成機制可以解釋如下：

1. 平移斷層的應力場：

   • 在平移斷層滑動過程中，斷層附近會產生一個複雜的應力場。
   • 沿著斷層的移動方向，存在一個 伸張區 (extension zone) 和一個 壓縮區 (compression zone)。
   • 在伸張區，應力狀態有利於張力裂隙的形成。
   • 在壓縮區，應力狀態有利於逆斷層或褶皺的形成。

2. 脆性-延性轉變帶的特徵：

   • 在脆性-延性轉變帶，岩石同時具有脆性和延性的特徵。
   • 當應力作用於此區域時，岩石既可能發生脆性破裂，也可能發生延性變形。