113 年 國立中央大學大氣科學學系大氣物理碩士班在職生《構造地質學》

此題主要考驗學生對海洋岩石圈隱沒帶大地構造的理解與繪製能力。海洋岩石圈隱沒帶是地球上最重要的構造變形區域之一，涉及複雜的地殼變形、岩漿活動與地震活動。

繪製海洋岩石圈隱沒帶大地構造元素：

繪製時應包含以下關鍵元素：

1. 隱沒板塊 (Subducting Plate): 通常為較老、較冷、密度較大的海洋板塊。
2. 俯衝板塊 (Overriding Plate): 通常為較年輕、較熱、密度較小的海洋板塊或大陸板塊。
3. 海溝 (Trench): 隱沒板塊開始向下彎曲並俯衝進入地函的區域，通常位於俯衝板塊的邊緣。
4. 弧前區 (Forearc): 位於海溝與火山弧之間的區域，可能包含前陸盆地、火山島弧或大陸邊緣。
5. 火山弧 (Volcanic Arc): 由於隱沒板塊脫水釋放流體，引起俯衝板塊上方的楔形地函部分熔融，形成的岩漿上升至地表，在地殼上形成一系列火山。若俯衝板塊上方為海洋板塊，則形成島弧；若為大陸板塊，則形成大陸火山弧。
6. 弧後區 (Backarc): 位於火山弧後方的區域，可能相對穩定，或經歷拉張（弧後擴張）、擠壓等變形。
7. 楔形地殼 (Wedge): 位於俯衝板塊與俯衝板塊上方的地殼之間的區域，常發生地震與變形。
8. 地震帶 (Seismic Zone / Wadati-Benioff Zone): 顯示俯衝板塊向下俯衝過程中，在不同深度引發的地震。

此題主要考驗學生對沉積岩中「原生構造」(primary structures)的認識，以及如何利用這些構造來判斷岩層的沉積順序（上下層位）。原生構造是在沉積物沉積時或沉積後不久，在沉積環境影響下形成的結構，它們通常具有方向性，可以指示沉積物搬運方向、水流方向或重力作用方向，進而幫助判斷岩層的頂部與底部。

介紹至少5種原生構造及其判斷層位上下之方法：

1. 交錯層理 (Cross-bedding / Cross-lamination):

   • 描述： 指較小的層理（laminae）或層（beds）以傾斜的角度切割較大的層理或層。依其規模可分為層理（lamination）和層（bedding）。大規模的交錯層理常見於沙丘、波痕等沉積環境。
   • 判斷層位： 交錯層理的傾斜方向通常指示沉積物搬運的方向。在一個交錯層理單元中，較平緩的底部層理是先沉積的，而傾斜的切割面（tangential foresets）是後續沉積的。因此，可以觀察交錯層理的傾斜方向，通常沉積物是從高處向低處（傾斜面指向下方）搬運堆積的。如果觀察到一個交錯層理單元，其傾斜的層理指向下方，則下方為層位的底部，上方為層位的頂部。

2. 波痕 (Ripples):

   • 描述： 指水流或風吹作用在沉積物表面形成的起伏狀紋路，常見於沙質或粉砂質沉積物。有對稱波痕（symmetrical ripples）和不對稱波痕（asymmetrical ripples）兩種。
   • 判斷層位： 不對稱波痕是判斷層位的關鍵。不對稱波痕的尖峰（crest）一側的坡度較陡，通常指向沉積物搬運的方向；而另一側坡度較緩。水流從緩坡側流向陡坡側。因此，陡坡面是向下沉積的方向，指示層位的底部；緩坡面是迎流面，指示層位的頂部。對稱波痕則通常由回流或波浪作用形成，較難判斷層位。

3. 泥裂 (Mud cracks / Desiccation cracks):

   • 描述： 當富含黏土的沉積物暴露在空氣中乾燥時，會因體積收縮而產生裂縫。

此題主要考驗學生對變質岩中「葉理」(foliation)概念的理解，特別是板岩、片岩和片麻岩這三種常見的變質岩，並要求描述其不同尺度下的特徵及成因。葉理是變質岩中最重要的構造特徵之一，反映了變質作用過程中礦物定向排列的現象。

一、板岩 (Slate)

• 中視尺度特徵 (Macroscopic Features):

  • 葉理 (Cleavage): 最顯著的特徵是極細緻、平整且連續的劈理 (slaty cleavage)。岩石可以沿著這些劈理面輕易地剝裂成薄片。
  • 顏色： 通常為暗灰色、黑色、綠色或紅色，顏色相對均勻，但可能夾有較細的色帶。
  • 表面： 表面光滑，常有絹絲般的光澤（由細小的雲母礦物引起）。
  • 層理 (Bedding): 原來的沉積層理（如泥岩或粉砂岩的層理）通常被葉理所取代或模糊化，但有時仍可見到。

• 微觀尺度特徵 (Microscopic Features):

  • 礦物組成： 主要由極細小的黏土礦物（如伊利ite）、雲母（主要是白雲母，有時有綠泥石）和石英組成。
  • 礦物定向： 細小的片狀或針狀礦物（主要是雲母）高度定向排列，與劈理面平行。這種定向排列是造成板岩劈理的關鍵。
  • 孔隙度： 孔隙度低，礦物緊密結合。

• 成因 (Origin):

  • 變質作用類型： 低度區域變質作用 (low-grade regional metamorphism)。
  • 原始岩石： 主要來自泥岩 (mudstone) 或粉砂岩 (siltstone)。
  • 過程： 在低的溫度和壓力條件下，原來的黏土礦物和雲母重新結晶，並在定向壓力 (directed pressure) 作用下，沿著一個優選平面（通常與最大壓縮應力方向垂直）定向排列，形成高度優選的片狀劈理。

二、片岩 (Schist)

• 中視尺度特徵 (Macroscopic Features):

  • 葉理 (Foliation): 具有明顯的片狀或絹狀葉理 (schistosity)。岩石可以沿著礦物層剝裂，但不如板岩平整，有時呈波浪狀或皺褶狀。
  • 礦物： 可見較大的片狀礦物，如雲母（白雲母、黑雲母）、綠泥石、陽起石等，這些礦物在岩石表面呈現絹絲般的光澤。
  • 顏色： 顏色多樣，常見有銀灰色、綠色、棕色、黑色等，常有明顯的顏色分帶或夾層。
  • 層理： 原來的沉積層理通常被變質葉理所取代，但可能殘存。

• 微觀尺度特徵 (Microscopic Features):

  • 礦物組成： 主要由中等大小的片狀或稜柱狀礦物組成，如雲母（白雲母、黑雲母）、綠泥石、陽起石、綠簾石、石榴子石等，輔以石英、長石等粒狀礦物。

此題主要考驗學生對岩石破壞力學（特別是破壞準則）的理解，包括摩爾-庫倫準則的應用、共軛斷層的形成機制，以及孔隙水壓對岩石強度的影響。

一、摩爾-庫倫破壞準則示意圖 (Mohr-Coulomb Failure Criterion Diagram)

摩爾-庫倫破壞準則是一個描述岩石在應力狀態下發生破壞（斷層）的準則。它基於兩個主要的應力分量：主應力（最大主應力 $\sigma_1$ 和最小主應力 $\sigma_3$）和岩石的內聚力 ($c$) 與內摩擦角 ($\phi$)。

示意圖繪製要點：

1. 坐標軸： 橫軸為平均應力 $\sigma_m = (\sigma_1 + \sigma_3)/2$；縱軸為剪應力 $\tau = (\sigma_1 - \sigma_3)/2$。
2. 摩爾圓 (Mohr Circle): 在應力空間中，描述某一點岩石所承受的應力狀態的圓。圓心在 $\sigma_m$ 軸上，半徑為 $\tau$。
3. 破壞包線 (Failure Envelope): 描繪岩石破壞時的應力狀態。根據摩爾-庫倫準則，破壞包線是一條直線，其方程為 $\tau_f = c + \sigma_m \tan\phi$。
   • $c$: 內聚力，表示當平均應力為零時的剪切強度。
   • $\phi$: 內摩擦角，表示平均應力對抗剪切強度的影響程度。
4. 繪製：
   • 畫出兩條相互垂直的軸，橫軸為 $\sigma_m$，縱軸為 $\tau$。
   • 畫出破壞包線：這是一條斜率為 $\tan\phi$ 的直線，與 $\tau$ 軸的截距為 $c$。
   • 畫出一個或多個摩爾圓：
     • 如果摩爾圓與破壞包線相切，表示岩石處於破壞狀態。
     • 如果摩爾圓在破壞包線下方，表示岩石未破壞。
     • 如果摩爾圓與破壞包線相交或在上方，則表示該應力狀態不可能存在（或岩石已破壞）。
   • 共軛斷層： 在破壞包線上，與摩爾圓相切的點代表了發生破壞時的剪應力。從圓心到切點的連線與 $\sigma_1$ 軸之間的夾角為 $\theta$。破壞面（斷層面）與最大主應力 $\sigma_1$ 的夾角 $\alpha$ 與 $\theta$ 相關，通常為 $\alpha = \theta - 90^\circ$ 或 $\alpha = 45^\circ + \phi/2$。共軛斷層是指在同一應力狀態下，兩組相互傾斜的斷層面，它們與最大主應力方向的夾角通常是對稱的。

二、淺部地殼中發育的共軛斷層組為何夾有銳角？

• 核心觀念： 共軛斷層是岩石在單軸壓縮（或剪切）條件下，以特定角度破裂形成的。
• 解釋：
  • 在單軸壓縮應力場下，最大主應力 $\sigma_1$ 是壓縮應力，最小主應力 $\sigma_3$ 通常是圍壓（或拉張應力）。
  • 根據摩爾-庫倫準則，岩石破壞面（斷層面）與最大主應力 $\sigma_1$ 的夾角 $\alpha$ 大約是 $45^\circ - \phi/2$ （對於剪切破壞）或 $45^\circ + \phi/2$ （對於拉張破壞，但斷層通常是剪切破壞）。
  • 然而，更精確的說法是，在摩爾圓圖上，斷層面是通過與摩爾圓相切的點，並且與 $\sigma_1$ 軸的夾角。
  • 共軛斷層： 在一個壓縮應力場中，通常會形成兩組相互傾斜的斷層面，它們分別與 $\sigma_1$ 軸形成夾角，且這兩組斷層面之間的夾角為 $2\alpha$ 或 $90^\circ - \phi$ （取決於定義）。
  • 淺部地殼： 淺部地殼的岩石通常相對較脆，內摩擦角 $\phi$ 較大。

此題主要考驗學生對斷層帶內岩石（斷層岩，fault rocks）的認識，以及它們如何反映地殼不同深度和不同變質環境下的應力狀態和變形機制。斷層岩是斷層活動過程中，岩石受到破碎、研磨、變質等作用形成的。

斷層岩的種類與地質環境對應：

隨著地殼深度的增加，溫度、壓力、應力狀態以及流體條件都會發生變化，這導致在斷層帶中形成的斷層岩也呈現出不同的特徵。一般而言，可以將斷層岩大致分為淺部（脆性變形）、中深度（塑性-脆性過渡）和深部（塑性變形）三個區域。

1. 淺部地殼 (Shallow Crust, 0-5 km, 脆性變形區 - Brittle Regime)

• 溫度與壓力： 低溫低壓。
• 應力狀態： 以脆性斷裂為主，應力集中。
• 常見斷層岩：
  • 斷層泥 (Fault gouge):
    • 特徵： 極細的黏土質或粉砂質碎屑物質，顆粒尺寸小於 0.0039 mm (約 4 微米)。具有塑性流動的性質，像泥一樣。
    • 成因： 主要由化學化學風化和機械破碎作用形成，黏土礦物含量高。在斷層面上的剪切運動中，岩石被研磨成細粉狀，並可能發生黏土化。
    • 代表環境： 淺部地殼，特別是含水層附近的斷層帶。
  • 斷層角礫岩 (Fault breccia):
    • 特徵： 由棱角狀、未經明顯研磨的岩石碎塊組成，碎塊尺寸較大，通常被斷層泥或細小的碎屑基質膠結。
    • 成因： 主要由脆性斷裂和破碎作用形成，碎塊是從原有岩石中直接崩裂下來的。
    • 代表環境： 淺部地殼，特別是較硬的岩石（如砂岩、火成岩）發生脆性斷裂時。

2. 中深度地殼 (Mid-Crustal Depth, 5-15 km, 塑性-脆性過渡區 - Transitional Regime)

• 溫度與壓力： 中等溫度和壓力。
• 應力狀態： 脆性斷裂與塑性流動並存。
• 常見斷層岩：
  • 糜棱岩 (Mylonite):
    • 特徵： 這是塑性剪切變形最典型的產物。岩石表現出明顯的流動構造，礦物顆粒被拉長、變形，甚至發生動態重結晶。常見有「眼球狀構造」(augen structure)，即較大的、變形的礦物晶體（如長石、石英）被流動的基質包裹。

此題主要考驗學生對褶皺幾何學（fold geometry）的理解，特別是「相似褶皺」(similar folds) 和「平行褶皺」(parallel folds) 的定義、形成機制，以及它們在地質構造中的應用，並連結到台灣的實際地質構造。

一、相似褶皺 (Similar Folds)

• 定義： 在相似褶皺中，褶皺軸面（axial surface）或其延伸大致垂直於岩層的厚度方向。換句話說，褶皺的各層岩石在彎曲過程中，其相對厚度保持不變，但彎曲的曲率（curvature）隨層位變化。更精確的說法是，岩層的厚度沿著垂直於褶皺軸面的方向（即沿著軸面法線方向）保持不變。
• 幾何特徵：
  • 褶皺的軸面傾向於保持平行。
  • 在褶皺的頂部（anticlinal crest）和底部（synclinal trough）區域，岩層的厚度可能相對均勻，但彎曲程度較大。
  • 相似褶皺通常發生在變形程度較高的情況下，或在具有較強剪切能力的岩層中。

二、平行褶皺 (Parallel Folds)

• 定義： 在平行褶皺中，岩層的厚度沿著褶皺的彎曲方向（即垂直於岩層面）保持不變。換句話說，所有層位的彎曲程度大致相同，褶皺的軸面可能不保持平行。
• 幾何特徵：
  • 褶皺的軸面傾向於發散或匯聚。
  • 在褶皺的頂部和底部，岩層的厚度大致與未變形時相等。
  • 平行褶皺通常發生在岩層厚度相對均勻且抗彎能力較強的沉積物中，例如厚層砂岩或石灰岩。

形成因素的控制 (Factors Controlling Fold Formation):

褶皺的形成與變形機制密切相關，主要受以下因素控制：

1. 岩性 (Lithology):

   • 均一性與層厚： 厚層、均一的岩石（如砂岩、石灰岩）傾向於形成平行褶皺，因為它們具有較高的抗彎剛度，變形時傾向於保持層厚不變。
   • 層間差異與剪切能力： 具有明顯層間差異（如泥岩夾砂岩）或弱層（如鹽層、泥岩）的岩石，在變形過程中，弱層可以提供潤滑作用，允許上層岩石相對滑動，有利於形成相似褶皺。
   • 礦物組成與變質程度： 某些礦物（如雲母）的存在或岩石的變質程度，會影響其變形行為。

2. 應力狀態 (Stress State):

   • 應力類型： 壓縮應力是褶皺形成的主要驅動力。
   • 應力梯度： 應力的變化和梯度影響褶皺的形態。
   • 應力強度與持續時間： 較強的應力或較長的變形時間會導致更複雜的褶皺和更高的變形程度。

3. 溫度與壓力 (Temperature and Pressure):

   • 脆性 vs. 塑性： 淺部高溫低壓環境傾向於脆性變形，可能形成斷層。中深部低溫高壓環境則有利於塑性變形，形成褶皺。
   • 流體壓力： 孔隙水壓的影響，特別是在中深部，可以降低有效應力，有利於塑性變形。

此題主要考驗學生對「雁行排列」(en echelon) 構造的理解，特別是與剪切變形相關的 S 形雁行排列礦脈，以及其形成過程和變形機制。雁行排列構造是剪切帶中常見的一種構造現象，指示了剪切的方向和岩石的變形方式。

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

• 定義： 雁行排列是指一系列平行或近乎平行的構造（如裂縫、礦脈、褶皺或斷層），它們在平面上呈階梯狀排列，如同飛鳥的翅膀在飛行時的隊形。
• S形： 「S形」指的是這些雁行排列的構造，當從一個端點延伸到另一個端點時，其整體走向呈現出類似英文字母「S」的彎曲形態。
• 礦脈 (Vein): 在地質學中，礦脈是指岩石裂縫被礦物（如石英、方解石、金屬硫化物等）充填後形成的構造。
• S形雁行排列礦脈： 指一系列呈階梯狀排列的礦脈，這些礦脈的整體排列方向呈現 S 形彎曲。

二、形成過程與變形機制

S形雁行排列礦脈的形成與剪切變形密切相關，通常是在一個連續的剪切帶 (shear zone) 中，由於岩石的拉伸或壓縮，導致在特定位置產生一系列的拉張裂隙，這些裂隙被礦物充填後就形成了礦脈。

主要形成過程與機制：

1. 剪切應力作用： 假設存在一個剪切應力場，作用在岩石上。例如，一個走滑斷層（strike-slip fault）的運動，會對周圍的岩石產生剪切應力。
2. 應力集中與拉張： 在剪切帶內部或邊緣，由於岩石的非均一性或應力集中，會產生局部區域的拉張。
   • 走滑斷層中的情況： 在一個走滑斷層的運動中，如果斷層面不是完全平直的，或者存在次級的剪切應力，就會導致斷層帶內或附近產生拉張區域。
   • Riedel 剪切模型 (Riedel Shear Model) 的應用： 這個模型描述了在一個主剪切帶（如走滑斷層）旁，會發育一系列次級的剪切帶。其中，Riedel 剪切 (R' 剪切，與主剪切帶夾角約 15-20 度) 是拉張性的，而 Y 剪切（或 P 剪切）是壓縮性的。
3. 拉張裂隙的形成： 在這些局部拉張的區域，岩石的抗拉強度被超過，就會產生拉張裂隙 (tension fractures)。這些裂隙通常與最大主應力方向（即拉張方向）垂直，與最小主應力方向（即壓縮方向）平行。

此題主要考驗學生對台灣地區板塊構造運動、造山過程及其時空演化的理解。台灣位於菲律賓海板塊與歐亞板塊的匯聚邊界，是世界上構造活動最活躍的地區之一，其造山運動的複雜性體現在南北部的差異上。

核心觀念：
台灣地區的造山運動是菲律賓海板塊向北西方向俯衝（或碰撞）到歐亞板塊之上的結果。然而，這種俯衝/碰撞過程並非均勻，且受到板塊邊界局部幾何形態、岩石圈性質、俯衝角度、以及早期構造背景等多重因素的影響，導致了南北部造山運動發育順序和時長的差異。

南北部差異的板塊構造解釋：

1. 板塊互動的複雜性：

   • 北部： 台灣北部是菲律賓海板塊（呂宋火山弧）開始與歐亞板塊碰撞的區域。在這裡，俯衝作用相對明顯，且早期存在一個向南俯衝的西太平洋板塊（或其殘餘）在呂宋弧下方俯衝，這使得北部地區的構造演化受到多個板塊相互作用的影響。
   • 南部： 台灣南部則更接近於菲律賓海板塊與歐亞板塊的「斜向碰撞」或「拖曳」區域。這裡可能涉及更複雜的剪切變形，以及歐亞板塊大陸邊緣的被動拉張或被動碰撞。

2. 俯衝板塊的幾何形態與角度：

   • 北部： 傳統觀點認為，在台灣北部，菲律賓海板塊（呂宋弧）的俯衝角度可能相對較陡，且俯衝的「前端」較早開始與歐亞大陸碰撞，推動了北部地區的造山運動。
   • 南部： 在台灣南部，俯衝的角度可能較為平緩，或者俯衝板塊的「前端」較晚才抵達，導致南部地區的碰撞造山作用相對較晚啟動。另一種觀點是，南部地區更多地受到向北的歐亞板塊「被動」拖曳，而非菲律賓海板塊的「主動」擠壓。