112 年 國立中央大學應用地質研究所碩士班一般生《普通地質學》

本題為解釋名詞題，共包含十個地質學術語，需分別解釋其定義與意涵。

(1) Magnetic reversal (磁場逆轉)：
地球磁場的極性並非恆定不變，而是會週期性地發生南北極互換的現象，稱為磁場逆轉。此現象主要記錄在磁性岩石（特別是玄武岩等火成岩）的形成過程中，當岩漿冷卻至居里溫度（Curie temperature）以下時，岩石中的磁性礦物會將當時地球磁場的方向記錄下來。透過分析不同時期地層中岩石的磁性方向，可以建立地球磁場歷史，並用於地層對比與定年。

(2) Orogenic belt (造山帶)：
造山帶是指地殼受到大規模擠壓應力作用，導致岩層褶皺、斷層、變質及火山活動，並抬升形成山脈的區域。造山運動通常發生在大陸板塊碰撞的邊界，例如喜馬拉雅山脈的形成就是歐亞板塊與印度板塊碰撞的結果。造山帶是地殼演化過程中重要的一部分，記錄了地球的構造變動歷史。

(3) Laccolith (岩床)：
岩床是一種侵入性火成岩體，其形態類似蘑菇狀，由岩漿侵入到地層之間，向上隆起地層形成穹頂狀，下方則相對平坦。岩床的規模通常比岩脈（dike）或岩脈（sill）大，且其侵入方向受到地層結構的影響。典型的岩床侵入會造成上方地層的隆起，有時甚至形成山丘。

(4) Hornfels (角岩)：
角岩是一種變質岩，主要形成於接觸變質作用（contact metamorphism）。當火成岩侵入到沉積岩或變質岩附近時，高溫的岩漿會烘烤周圍的岩石，使其發生變質。角岩的特性是質地細緻，常呈粒狀變晶結構，礦物成分則取決於原始岩石的組成。常見的角岩顏色從淺灰色到深褐色不等，硬度較高。

(5) Aquitard (弱透水層)：
弱透水層是指一種滲透性極低，僅能緩慢傳導地下水的地層。它通常由黏土、頁岩或未壓實的沉積物組成。雖然弱透水層並非完全不透水，但其滲透係數遠小於含水層（aquifer），因此在水文學上，它扮演著阻礙或減緩地下水流動的角色，有時也作為地下水的儲水層，但儲水量不高且釋水緩慢。

(6) Hydraulic head (水力坡度／水位頭)：
水力坡度是指單位距離內，地下水位的變化量，或稱為水位差。它代表了推動地下水流動的能量梯度。在一個含水層中，地下水會從水力坡度較高的區域流向水力坡度較低的區域。

本題考查地球內部的結構，需要說明地球從外到內的各個圈層及其主要組成。

地球內部結構可以根據化學成分和物理性質（如固態、液態、密度、黏滯性等）分為不同的圈層。一般而言，地球內部結構可以分為地殼、地幔和地核三個主要部分，而地核又可細分為外核和內核。

1. 地殼 (Crust)：

   • 位置：地球最外層的固體岩石圈。
   • 組成：主要由矽、鋁、氧、鐵、鎂、鈣、鈉、鉀等元素組成。
   • 類型：
     • 大陸地殼 (Continental Crust)：較厚（平均約35公里，最厚處可達70公里），密度較小（約2.7 g/cm³），主要由花岡岩質（富含矽、鋁）的岩石組成，如花岡岩、安山岩等。
     • 海洋地殼 (Oceanic Crust)：較薄（平均約7公里），密度較大（約3.0 g/cm³），主要由玄武岩質（富含鐵、鎂）的岩石組成，如玄武岩、輝長岩等。
   • 性質：相對堅硬、脆性。

2. 地幔 (Mantle)：

   • 位置：位於地殼之下，地核之上，是地球體積最大的圈層，約佔地球體積的84%。
   • 組成：主要由矽、鎂、氧、鐵等元素組成，岩石成分以富含鐵鎂的矽酸鹽為主，如橄欖岩（peridotite）、輝石（pyroxene）等。
   • 細分：
     • 上部地幔 (Upper Mantle)：
       • 岩石圈地幔 (Lithospheric Mantle)：與地殼共同構成岩石圈，是堅硬、剛性的部分。
       • 軟流圈 (Asthenosphere)：位於岩石圈地幔之下，是地幔中一個相對較軟、具有較低黏滯性的區域。雖然是固態，但可以在地質時間尺度上緩慢流動，是板塊運動的基礎。
     • 下部地幔 (Lower Mantle)：
       • 介於軟流圈和外核之間，壓力更大，溫度也更高，但整體仍是固態，黏滯性比軟流圈高。
   • 性質：高溫、高壓，具有黏滯性，能夠發生緩慢的對流。

3. 地核 (Core)：

   • 位置：位於地球最內部。

本題考查變質岩的種類與分類方式。變質岩是原始岩石（火成岩、沉積岩或原有的變質岩）在高溫、高壓或化學活性流體作用下，發生礦物成分、質地或結構改變而形成的岩石。

變質岩的分類方式：

變質岩的分類主要依據兩個面向：

1. 礦物組成與質地 (Mineral Composition and Texture)：

   • 葉理 (Foliation)：指變質岩中片狀或柱狀礦物（如雲母、角閃石）定向排列，使岩石呈現出層狀或帶狀構造。
     • 有葉理變質岩 (Foliated Metamorphic Rocks)：
       • 板岩 (Slate)：由細小的雲母及其他片狀礦物組成，質地極細，具有優良的劈理（slaty cleavage），可被劈成薄片。通常由泥岩變質而成。
       • 千枚岩 (Phyllite)：質地比板岩稍粗，具有絹絲光澤（phyllitic luster），礦物顆粒較小但已可見。通常由板岩進一步變質而成。
       • 片岩 (Schist)：片狀礦物（如雲母、綠泥石）明顯定向排列，形成明顯的片理（schistosity）。礦物顆粒較大，肉眼可見。常見的片岩有雲母片岩、綠泥石片岩等。
       • 片麻岩 (Gneiss)：具有明顯的帶狀構造（gneissic banding），由淺色礦物（如石英、長石）和深色礦物（如角閃石、輝石）交替排列而成。是高級變質岩。
     • 無葉理變質岩 (Non-foliated Metamorphic Rocks)：
       • 角岩 (Hornfels)：質地細緻，粒狀變晶結構，無明顯的葉理。通常由頁岩或泥岩在接觸變質作用下形成。
       • 大理岩 (Marble)：由重結晶的方解石（CaCO₃）組成，質地細緻至粗粒，顏色多樣。由石灰岩或白雲岩變質而成。
       • 石英岩 (Quartzite)：由重結晶的石英（SiO₂）組成，質地堅硬，顆粒緊密膠結。由砂岩變質而成。
       • 安山岩 (Andesite) / 玄武岩 (Basalt) 的變質岩：如綠色片岩（Greenschist）或藍片岩（Blueschist），雖然有時具葉理，但其基本成分與火成岩有關。

2. 變質程度 (Degree of Metamorphism)：

   • 低級變質岩 (Low-grade Metamorphic Rocks)：變質作用的溫度和壓力較低，形成如板岩、千枚岩。
   • 中級變質岩 (Intermediate-grade Metamorphic Rocks)：變質作用的溫度和壓力中等，形成如片岩。

本題考查石油的生成過程，需要說明石油形成的必要條件、過程以及儲存條件。

石油（Petroleum）是一種複雜的烴類混合物，主要由碳和氫組成，但也含有少量的硫、氮、氧等元素。石油的形成是一個漫長的地質過程，通常需要以下幾個關鍵要素：

1. 有機質來源 (Source of Organic Matter)：

• 石油的生成始於豐富的有機質。這些有機質主要來源於海洋或湖泊中死亡的浮游生物（如藻類、細菌、小型動物等）沉積下來的生物遺骸。
• 有機質必須在缺氧的環境下被保存下來，否則會被好氧細菌分解。因此，富含有機質的沉積物通常形成於還原性的環境，例如缺氧的海洋盆地、潟湖、三角洲等。

2. 沉積與埋藏 (Sedimentation and Burial)：

• 富含有機質的沉積物（通常為泥岩、頁岩或碳酸鹽岩）需要被快速埋藏，以避免有機質的進一步分解和氧化。
• 隨著時間的推移，上覆沉積物的重量增加，溫度也隨之升高。

3. 生油階段 (Maturation/Generation Stage)：

• 當埋藏深度達到一定程度（通常約2-4公里），溫度升高到約60°C至170°C之間，有機質會經歷一系列複雜的化學變化，這個溫度範圍稱為「生油窗」(Oil Window)。
• 在這個溫度範圍內，複雜的大分子有機質（如腐殖質、類脂質）在高溫高壓和無氧條件下，通過熱裂解（thermal cracking）和生物化學作用，轉變為較簡單的烴類分子，即石油的形成過程，這個階段稱為「生油作用」(Generation)。
• 若溫度超過生油窗上限（高於170°C），石油會進一步裂解為天然氣（甲烷為主），這個階段稱為「氣窗」(Gas Window)。
• 若溫度低於生油窗，有機質可能僅轉化為有機質含量較高的沉積岩（如油頁岩），或未發生顯著轉變。