112 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》

本題主要考查三種不同的褶皺形成機制：斷層傳遞褶皺 (fault-propagation folding)、斷層彎曲褶皺 (fault-bend folding)，以及三斜褶皺 (trishear folding)。這三種機制都是在斷層運動過程中，由於斷層面或斷層的幾何形狀變化，導致上盤岩層發生褶皺變形。

核心觀念：

1. 斷層傳遞褶皺 (Fault-propagation folding): 當斷層尖端（斷層面停止延伸的地方）在岩層中傳遞時，由於斷層無法直接穿過，而是透過褶皺的方式將應力釋放，進而形成褶皺。
2. 斷層彎曲褶皺 (Fault-bend folding): 當斷層面本身存在彎曲，或者斷層在穿越不同傾角的岩層時，斷層面的幾何變化會導致上盤岩層發生褶皺。
3. 三斜褶皺 (Trishear folding): 這是一種更複雜的褶皺模型，認為在斷層傳遞過程中，斷層尖端周圍的區域會發生傾斜、彎曲和剪切，形成一個包含兩個傾斜區域 (shear zones) 和一個傾斜頂部 (backlimb) 的區域，整體呈現三斜幾何。

詳解：

(a) Fault-propagation folding (斷層傳遞褶皺):
此模型描述斷層尖端在岩層中前進時，由於斷層無法完全穿透，能量會透過岩層的變形（褶皺）來釋放。斷層尖端前方的岩層會受到壓縮，並開始彎曲。隨著斷層繼續傳遞，褶皺的幅度會逐漸增大，直到斷層能夠完全穿過或形成新的斷層。

• 機制： 斷層尖端無法完全貫穿岩層，導致斷層上盤在尖端前方發生褶皺。
• 幾何特徵： 褶皺軸通常與斷層尖端移動的方向平行。褶皺的幅度隨著離斷層尖端的距離增加而減小。
• 繪圖說明： 繪製一條斷層，其斷層尖端停止在岩層內部。斷層尖端前方的岩層被壓縮，形成一個向上彎曲的結構。

本題考查的是岩石破壞準則，特別是摩爾-庫倫準則，以及與之相關的應力狀態和孔隙水壓對岩石破壞的影響。

核心觀念：

1. 摩爾-庫倫破壞準則 (Mohr-Coulomb failure criterion): 描述岩石在單軸或多軸應力狀態下發生破壞（斷裂或滑動）的準則。它將破壞視為剪應力達到某個極限值而發生。
2. 共軛斷層 (Conjugate faults): 在均勻應力場下，岩石破壞時通常會形成兩組相互交叉的斷層，這兩組斷層的傾角與最大主應力（$\sigma_1$）和最小主應力（$\sigma_3$）的夾角有關。
3. 有效應力 (Effective stress): 指的是岩石骨架承受的應力，等於總應力減去孔隙水壓。孔隙水壓的存在會降低岩石骨架承受的應力，進而影響岩石的強度。

詳解：

(a) 摩爾-庫倫破壞準則示意圖及共軛斷層夾銳角原因：

• 摩爾-庫倫破壞準則示意圖：

  • 繪製一個摩爾圓 (Mohr circle)，表示岩石承受的應力狀態。
  • 在摩爾圓圖上繪製一條直線，稱為摩爾-庫倫破壞包絡線 (Mohr-Coulomb failure envelope)。這條直線的斜率由內摩擦角 ($\phi$) 決定，並與剪應力軸 (shear stress axis) 相交於黏聚力 ($c$)。
  • 當摩爾圓與破壞包絡線相切時，表示岩石處於破壞狀態。

• 淺部地殼與三軸試驗中發育的共軛斷層組為何夾有銳角：

  • 在淺部地殼或三軸試驗中，岩石通常處於壓縮應力狀態，其中最大主應力 ($\sigma_1$) 是垂直的（或施加的軸向壓力），最小主應力 ($\sigma_3$) 是水平的。
  • 根據摩爾-庫倫破壞準則，岩石破壞時，破壞面（斷層）的傾角與最大主應力 ($\sigma_1$) 的夾角 ($\theta$) 可以由以下公式計算：
    $\theta = 45^\circ + \frac{\phi}{2}$
  • 由於斷層是沿著剪應力最大的方向發展，通常會形成兩組共軛斷層，它們的傾角分別與 $\sigma_1$ 的夾角為 $\theta$ 和 $90^\circ - \theta$。
  • 因此，兩組共軛斷層之間的夾角為 $2\theta$ 或 $180^\circ - 2\theta$，取決於如何定義。更精確地說，它們之間的夾角是 $2(90^\circ - \theta)$ 或 $2\theta$。
  • 由於內摩擦角 $\phi$ 通常大於 0，所以 $\frac{\phi}{2}$ 大於 0。因此，$\theta = 45^\circ + \frac{\phi}{2}$ 總是會大於 $45^\circ$。
  • 兩組共軛斷層的傾角與 $\sigma_1$ 的夾角，一個是 $\theta$，另一個是 $90^\circ - \theta$。
  • 更直接的解釋： 兩組共軛斷層的傾角分別為 $45^\circ + \phi/2$ 和 $45^\circ - \phi/2$ 相對於 $\sigma_1$ 的方向。

本題考查的是斷層帶內岩石的變質作用（動力變質作用）及其在地質環境中的意義。隨著地殼深度的增加，溫度、壓力以及流體條件都會發生變化，進而影響斷層帶內岩石的礦物組成和結構。

核心觀念：

1. 動力變質作用 (Dynamothermal metamorphism / Cataclasis): 在斷層運動過程中，岩石承受機械破碎、研磨、摩擦和加熱，導致礦物變形、重結晶或形成新的礦物。
2. 斷層岩 (Fault rocks): 在斷層帶內形成的特殊岩石類型，其礦物成分和結構反映了斷層運動時的應力、溫度、壓力、流體條件和原始岩石類型。
3. 地質環境變化： 斷層岩的種類和特徵可以指示斷層活動時所處的深度（壓力-溫度條件）和流體環境。

詳解：

隨著斷層從地表向深部移動，斷層岩的類型會發生系統性的變化，主要反映了壓力、溫度和流體條件的變化：

1. 地表至淺部地殼 (約 0-5 km)：

   • 斷層岩類型： 角礫岩 (Fault breccia)、斷層泥 (Fault gouge)。
   • 形成機制： 在低溫低壓條件下，岩石主要發生脆性斷裂和機械破碎。
     • 角礫岩： 由原始岩石被破碎形成的棱角狀碎塊組成，碎塊之間可能被細小的角礫或膠結物填充。
     • 斷層泥： 由極細的黏土質和粉砂質顆粒組成，是岩石在斷層帶內被研磨、粉碎和水力壓裂 (hydrofracturing) 的結果，常含有高比例的黏土礦物。
   • 代表的地質環境： 淺部、低溫、低壓、相對乾燥或有少量流體。岩石呈脆性變形。

2. 中淺部地殼 (約 5-15 km)：

   • 斷層岩類型： 碎裂變質岩 (Cataclasite)、假玄武岩 (Pseudotachylyte)。
   • 形成機制： 壓力、溫度略有升高。除了脆性斷裂，摩擦生熱也開始變得重要。
     • 碎裂變質岩： 介於角礫岩和糜棱岩之間，岩石被粉碎，但細粒基質中可能發生有限的重結晶或膠結。

本題考查兩種基本的褶皺幾何類型：相似褶皺 (similar fold) 和平行褶皺 (parallel fold)，以及它們的形成機制和在台灣的分布。

核心觀念：

1. 相似褶皺 (Similar fold): 褶皺的幾何形狀在軸面和不同層位之間保持相對一致，即褶皺的曲率在不同層位上相似。這意味著褶皺的內部層位會被拉伸或壓縮，以適應外層的彎曲。
2. 平行褶皺 (Parallel fold): 褶皺的厚度在整個褶皺過程中保持不變，即所有層位的曲率變化是平行的。這通常意味著褶皺的內部層位會發生滑動，以適應外層的彎曲。
3. 形成因素： 主要與岩石的流變性質、應力狀態、溫度、壓力以及層間的滑動能力有關。
4. 台灣地質構造分區： 台灣複雜的地質構造，特別是褶皺，與板塊碰撞和擠壓密切相關。

詳解：

(a) Similar fold (相似褶皺):

• 定義： 在相似褶皺中，褶皺的形狀（例如，曲率）在不同層位上大致相同。當你從一個層位移動到另一個層位時，褶皺的開度（width）和幅度（amplitude）變化趨勢相似。這意味著褶皺內部層位的長度會隨著彎曲而發生變化（被拉伸或壓縮），以適應整體褶皺的幾何。
• 形成因素：
  • 均勻的岩石性質： 當變形的岩層具有相對均勻的流變性質時，較容易形成相似褶皺。
  • 延性變形： 相似褶皺通常與較強的延性變形有關，岩石可以透過內部變形（如滑移、位錯滑移、壓溶等）來適應應力。
  • 高溫高壓： 在較高的溫度和壓力下，岩石的延性增強，更容易發生相似褶皺。
  • 較厚的均質岩層： 較厚的、成分均質的岩層，其內部滑動受限，更傾向於發生整體性的變形，形成相似褶皺。
• 示意圖： 繪製幾條平行線（代表原始層位），然後將其彎曲成一個褶皺，使得這些線在褶皺的頂部和底部都保持相似的彎曲度。

(b) Parallel fold (平行褶皺):

• 定義： 在平行褶皺中，所有層位的厚度在褶皺過程中保持不變，並且層位的曲率在褶皺的各處是平行的。這意味著褶皺的開度在不同層位上是相同的。這種變形通常是透過層與層之間的滑動來實現的。
• 形成因素：
  • 層間滑動： 平行褶皺的形成強烈依賴於層與層之間的滑動。

本題考查的是變質岩中常見的三種葉理結構（S-C fabric / planar fabric），包括板岩、片岩和片麻岩的葉理特徵及其形成原因。這三種葉理是岩石在變質作用和構造應力下，礦物重新排列或定向的結果，反映了不同的變質條件和應力環境。

核心觀念：

1. 葉理 (S-C fabric / planar fabric): 在變質岩中，礦物顆粒（尤其是片狀或柱狀礦物，如雲母、角閃石）傾向於沿著特定平面定向排列，形成一種層狀或片狀的結構。
2. 變質條件： 溫度、壓力、流體成分和應力狀態。
3. 成因： 主要由壓力-溫度條件下的礦物重結晶和定向，以及構造應力下的礦物定向和變形所引起。

詳解：

(a) 板岩 (Slate):

• 中視尺度特徵：
  • 葉理 (Slaty cleavage): 板岩最顯著的特徵是其優異的劈理，可以被輕易地沿著薄片狀平面劈開，形成平整的板狀岩石。這種劈理通常與原始沉積層理（S0）不同，是後生的變質葉理（S1）。
  • 顏色： 通常為暗灰色、黑色、綠色或紅色，取決於原始岩石的成分和氧化還原條件。
  • 質地： 非常細粒，肉眼難以分辨單獨的礦物顆粒。
• 微觀尺度特徵：
  • 礦物組成： 主要由極細的黏土礦物（如伊利石、氯石）、雲母（如白雲母、黑雲母）和少量石英組成。
  • 礦物定向： 極細小的雲母片（約 0.01-0.1 mm）沿著劈理平面高度定向排列，形成連續的片狀結構。這種高度定向是造成板岩優異劈理的關鍵。
• 成因：
  • 變質環境： 低溫低壓（約 200-400°C，< 2 kbar）的動力變質或低級區域變質作用。
  • 機制： 原始岩石（如泥岩、頁岩）在構造應力作用下，發生壓實和變質。原有的黏土礦物轉變為細小的雲母，這些雲母片在應力作用下重新定向排列，與最大剪應力方向垂直，形成致密的葉理。

(b) 片岩 (Schist):

• 中視尺度特徵：
  • 葉理 (Schistosity): 片岩具有明顯的片狀或鱗片狀葉理，礦物顆粒較板岩大，肉眼可見。岩石可以沿著這些葉理面劈開，但不如板岩平整，常呈波浪狀或不規則狀。
  • 顏色： 顏色多樣，常見有銀灰色（富含白雲母）、深灰色（富含黑雲母）等。
  • 質地： 中粒至粗粒，可見明顯的雲母、角閃石等片狀或柱狀礦物。
• 微觀尺度特徵：
  • 礦物組成： 主要由雲母（白雲母、黑雲母）、角閃石、石英、長石等組成。