112 年 國立中央大學地球科學學系地球物理碩士班在職生《構造地質學》

本題主要考驗學生對不同類型褶皺形成機制的理解與繪圖能力。

核心觀念： 褶皺是一種由連續變形造成的岩層彎曲，其形成與斷層的運動密切相關，特別是當斷層面並非筆直時。

詳解：

1. Fault-propagation folding (斷層傳播褶皺)：

   • 解釋： 此類褶皺發生在斷層向前傳播的過程中。當斷層前緣遇到較堅硬的岩層時，斷層線會停止前進，但斷層上盤的岩石會繼續變形，繞過斷層前緣，形成一個彎曲。這個彎曲的頂部（或稱為斷層的「尖端」）是應力集中的地方，並可能發展出新的斷層。隨著斷層繼續傳播，這種彎曲會不斷向前移動並發展。
   • 繪圖說明：
     • 繪製一條初始的斷層，其斷層面並非完全筆直，可能在某處遇到一個阻力層。
     • 斷層前緣（尖端）被阻力層擋住，無法繼續向前。
     • 斷層上盤的岩石繞過斷層前緣，向上隆起，形成一個褶皺。
     • 隨著時間推移，斷層尖端可能穿過阻力層，或形成新的斷層，褶皺會向前推進。
     • 圖示應包含斷層線、斷層面、上盤、下盤、阻力層以及形成的褶皺。

2. Fault-bend folding (斷層彎折褶皺)：

   • 解釋： 此類褶皺形成於斷層面本身存在彎折（kinks）的情況下。當斷層面從一個傾角改變到另一個傾角時，斷層上盤的岩層會被強制在斷層的彎折處向上或向下彎曲，以適應斷層面的幾何變化。
   • 繪圖說明：
     • 繪製一條斷層，其斷層面不是直線，而是由兩段或多段具有不同傾角的直線組成，中間形成一個或多個彎折點。

本題考驗學生對摩爾-庫倫破壞準則的理解，以及其在解釋地殼構造與岩石力學行為中的應用。

核心觀念： 摩爾-庫倫破壞準則描述了岩石在應力作用下發生破壞（斷裂或滑動）的條件，它與岩石的內聚力、摩擦角以及所受的應力狀態有關。

詳解：

摩爾-庫倫破壞準則示意圖：

• 繪圖說明：
  • 繪製一個摩爾圓（Mohr circle），表示岩石所受到的應力狀態。
  • 在同一張圖上，繪製兩條直線，代表摩爾-庫倫破壞包絡線。這兩條直線的斜率由內聚力（cohesion, $c$）和摩擦角（friction angle, $\phi$）決定，其方程式通常表示為 $\tau = c + \sigma_n \tan \phi$，其中 $\tau$ 是剪應力，$\sigma_n$ 是正向應力。
  • 若摩爾圓與破壞包絡線相切或相交，則表示岩石發生破壞。
  • 圖上應標示出主應力（最大主應力 $\sigma_1$ 和最小主應力 $\sigma_3$）、剪應力（$\tau$）、正向應力（$\sigma_n$）、內聚力（$c$）和摩擦角（$\phi$）。
  • 可以進一步標示出共軛斷層的滑動面與最大剪應力面之間的關係。

(1) 淺部地殼與三軸試驗中發育的共軛斷層組為何夾有銳角？

• 解釋： 在淺部地殼和三軸試驗中，圍壓（confining pressure）相對較低，孔隙水壓力（pore fluid pressure）也可能較高，導致有效應力（effective stress）相對較小。根據摩爾-庫倫破壞準則，岩石的破壞面（斷層）的傾角由摩擦角 $\phi$ 決定。
• 共軛斷層： 在單軸壓縮或三軸壓縮條件下，岩石通常會沿著兩個相互傾斜的斷層面發生滑動，這兩個斷層面稱為共軛斷層。這兩個斷層面相對於最大主應力軸（$\sigma_1$）的夾角，與摩擦角 $\phi$ 有關。
• 銳角形成原因：
  • 摩爾-庫倫破壞準則表明，斷層面相對於最大主應力軸的夾角 $\alpha$ 可以由以下公式計算（對於無內聚力材料，即 $c=0$）：$\alpha = 45^\circ + \frac{\phi}{2}$。
  • 在淺部地殼和許多三軸試驗條件下，岩石的摩擦角 $\phi$ 較小（例如，砂岩的 $\phi$ 可能在 20-30 度之間，碎屑岩更低）。
  • 當 $\phi$ 較小時，$\alpha$ 的值也較小，例如，如果 $\phi = 30^\circ$，則 $\alpha = 45^\circ + 15^\circ = 60^\circ$。這是指斷層面與最大主應力軸的夾角。
  • 兩個共軛斷層面相對於最大主應力軸分別在兩側，因此兩個斷層面之間的夾角為 $2\alpha = 2(45^\circ + \frac{\phi}{2}) = 90^\circ + \phi$。
  • 然而，題目問的是「夾有銳角」，這可能指的是斷層面相對於水平面（或某個參考面）的夾角，或者是指兩個斷層面在斷層剪切帶內的銳角。
  • 更常見的解釋是，在單軸壓縮（或三軸壓縮，且 $\sigma_1 > \sigma_3$）下，兩個共軛斷層面的傾角（相對於 $\sigma_1$）為 $45^\circ + \frac{\phi}{2}$，這兩個斷層面之間的夾角為 $90^\circ + \phi$。如果題目指的是斷層面與水平面之間的夾角，則這個夾角的大小會受到岩層原來的方位和應力狀態的影響。
  • 關鍵在於： 淺部地殼的岩石通常比深部岩石更脆，且其摩擦角 $\phi$ 決定了破壞面的角度。

本題考驗學生對不同深度地殼環境下斷層作用所形成的斷層岩（fault rocks）的認識，以及這些岩石如何反映其形成時的地質條件。

核心觀念： 斷層岩是斷層活動過程中，岩石受到機械破碎、研磨、摩擦生熱、化學蝕變等作用而形成的特殊岩石類型。不同深度的地殼，其溫度、壓力、流體條件以及岩石的力學性質都不同，因此形成的斷層岩也各具特色。

詳解：

斷層岩的種類與其形成深度（即地質環境）密切相關，大致可分為淺部、中深部和深部地殼：

1. 淺部地殼 (約 0-5 公里，低溫、低壓)：

   • 斷層岩類型：
     • 斷層泥 (Fault Gouge)： 這是最常見的淺部斷層岩。由上覆岩層被壓碎、研磨形成的極細粒（顆粒小於 0.0625 mm）的黏土質或粉砂質物質組成。顆粒之間沒有明顯的膠結，呈疏鬆的堆積狀態，或有時被水潤濕呈現塑性狀。
     • 碎裂岩 (Breccia)： 如果斷層帶中的岩石較為堅硬，破碎作用會形成角度銳利的岩塊，這些岩塊被細粒的基質（通常是斷層泥）膠結在一起，形成碎裂岩。
     • 斷層角礫岩 (Fault Breccia)： 與碎裂岩類似，但岩塊的棱角可能較為圓滑，表示有較多的研磨作用。
   • 代表的地質環境變化：
     • 脆性斷裂 (Brittle Fracture)： 淺部地殼的溫度和壓力較低，岩石的力學性質偏向脆性，容易發生斷裂和破碎。
     • 機械破碎為主： 斷層作用主要以機械破碎、研磨為特徵，化學反應較少。
     • 水的作用： 孔隙水在淺部地殼的斷層帶中扮演重要角色，它有助於潤滑斷層面，並參與形成細粒的斷層泥。

2. 中深部地殼 (約 5-15 公里，中溫、中壓)：

   • 斷層岩類型：
     • 糜棱岩 (Mylonite)： 這是中深部地殼變形的主要斷層岩。糜棱岩是通過塑性流變（ductile flow）和高度的動態重結晶（dynamic recrystallization）形成的。

本題考驗學生對兩種基本褶皺類型——相似褶皺（similar fold）和平行褶皺（parallel fold）的定義、形成機制及在地質分布上的認識。

核心觀念： 褶皺的形態與岩層的變形方式有關。相似褶皺和平行褶皺是描述褶皺幾何特徵的兩種基本模型，它們的形成與岩層的厚度、材料性質以及變形過程中的應力應變關係有關。

詳解：

1. Similar Fold (相似褶皺)：

   • 定義： 在相似褶皺中，褶皺的曲線（通常是軸面或層界面）在變形後，其曲率（curvature）與原始狀態相比發生了改變，但褶皺的厚度沿著層界面保持相對恆定。換句話說，褶皺的兩側（limbs）和頂部（hinge zone）的傾角發生了顯著變化，使得褶皺的形狀在不同層位上趨於相似。相似褶皺通常發生在變形較強的區域，岩層經歷了較大的應變。
   • 形成因素控制：
     • 強烈的變形： 相似褶皺通常需要較高的應變幅度才能形成，岩層發生了連續的塑性變形。
     • 岩層的力學行為： 在某些情況下，如果岩層的材料性質允許其發生較大的滑動和變形，而不是簡單的彎曲，則容易形成相似褶皺。
     • 變形機制： 壓力擴張（pressure solution）或剪切變形（shear deformation）被認為是形成相似褶皺的重要機制，這些機制允許岩層厚度在變形過程中保持相對穩定，而層界面則發生較大的曲率變化。

2. Parallel Fold (平行褶皺)：

   • 定義： 在平行褶皺中，褶皺的層界面在變形後仍然保持與原始狀態大致平行，並且褶皺的厚度沿著層界面是恆定的。褶皺的頂部（hinge zone）通常比兩側（limbs）更圓滑。這種褶皺的幾何特徵是層界面彼此平行，且褶皺的波長和振幅相對穩定。
   • 形成因素控制：
     • 簡單的彎曲變形： 平行褶皺主要由岩層的簡單彎曲（flexural bending）產生，即岩層像一條彎曲的帶子一樣發生形變。
     • 恆定的岩層厚度： 變形過程中，岩層的厚度基本不變。
     • 材料性質： 當岩層的材料性質穩定，且主要承受彎曲應力時，容易形成平行褶皺。

兩者區別與控制因素總結：

| 特徵 | 相似褶皺 (Similar Fold) | 平行褶皺 (Parallel Fold) |

本題考驗學生對變質岩中常見的葉理（foliation）結構的認識，特別是板岩、片岩和片麻岩這三種不同變質程度的岩石，以及它們葉理的中、微觀特徵與形成機制。

核心觀念： 葉理是變質岩中礦物定向排列所形成的片狀、線狀或條帶狀構造。它的形成與變質作用的溫度、壓力，特別是變質定向壓力（directed pressure）或剪應力有關。岩石的變質程度越高，葉理結構越明顯，礦物越粗大，定向性也越強。

詳解：

1. 板岩 (Slate)：

   • 變質程度： 低度變質岩（Low-grade metamorphic rock），通常由泥岩或頁岩經過低溫、低壓變質作用形成。
   • 葉理特徵：
     • 中觀尺度： 具有非常細密、平整的解理（cleavage），使板岩能夠劈成薄片。這種解理是主要的葉理結構。
     • 微觀尺度： 主要由極細小的黏土礦物（如伊利石、綠泥石）和少量粉砂級的石英、長石等組成。這些細小礦物在變質定向壓力作用下，發生了定向排列，形成優勢的片狀或針狀定向。微觀上看不到明顯的粗大礦物顆粒，礦物定向非常均勻。
   • 成因：
     • 變質定向壓力： 在低溫低壓條件下，泥岩或頁岩受到來自一個方向的強烈擠壓應力（變質定向壓力），導致原來的黏土礦物和層狀矽酸鹽礦物（如雲母）發生重取向，沿著垂直於最大應力方向的平面（即解理面）排列。
     • 礦物重取向與重結晶： 細小的黏土礦物在應力作用下發生重取向，並有少量的動態重結晶（dynamic recrystallization）作用，形成細密的片狀葉理。

2. 片岩 (Schist)：

   • 變質程度： 中度變質岩（Medium-grade metamorphic rock），由泥質岩、火山岩或基性岩等經過中等溫度和壓力變質作用形成。
   • 葉理特徵：
     • 中觀尺度： 具有明顯的片理（schistosity），這是由較大的雲母（如黑雲母、白雲母）和角閃石等片狀或柱狀礦物定向排列形成的。片岩的片理通常不如板岩的解理那樣平整，可能呈現波浪狀或皺褶狀。
     • 微觀尺度： 主要由較粗大的雲母、角閃石、石英、長石等組成。雲母等片狀礦物沿著一個優勢方向定向排列，形成明顯的片狀葉理。石英和長石等粒狀礦物也可能呈現一定的定向或拉長變形。