113 年 國立中央大學應用地質研究所碩士班在職生《構造地質學》

本題主要考查學生對於雷式剪切構造（Riedel shears）的理解與繪製能力。雷式剪切構造是描述在一個主要剪切帶（shear zone）內部，由於應力集中與應力狀態的局部變化，所形成的一系列次級剪切斷層。

解題步驟：

1. 核心觀念: 雷式剪切構造是在主要剪切帶（主斷層）發展過程中，由於剪切應力在剪切帶兩側或內部產生局部應力集中，進而形成一系列與主剪切帶有特定角度的次級剪切斷層。這些次級斷層通常以特定的角度排列，並以字母命名，如 R、R'、P、Y 等。
2. 繪圖示意:
   • 首先繪製一條代表主要剪切帶（或斷層）的線段，假設其為左行走滑斷層（sinistral strike-slip fault），表示右側塊體相對於左側塊體向左移動。
   • 在此主要剪切帶的影響範圍內，繪製一系列次級斷層。
   • R 剪切面 (R shears): 這些斷層與主要剪切帶的運動方向大致呈 30-45 度夾角，且其運動方向與主要剪切帶的運動方向相同（同向）。對於左行走滑斷層，R 剪切面會形成一個與主要斷層夾角約 15-30 度的斜向斷層，其運動方向也是左移。
   • R' 剪切面 (R' shears): 這些斷層與主要剪切帶的運動方向大致呈 30-45 度夾角，但其運動方向與主要剪切帶的運動方向相反（反向）。對於左行走滑斷層，R' 剪切面會形成一個與主要斷層夾角約 15-30 度的斜向斷層，其運動方向是右移。

本題主要考查學生對於莫爾圓、庫侖破壞準則以及注水誘發地震（或稱水力壓裂、流體誘發斷層滑動）機制的理解。

核心觀念：

1. 莫爾圓 (Mohr's Circle): 用來表示某一點上，在不同方向上的應力狀態。它是一個圓，圓心代表平均應力 ($\sigma_{avg}$)，半徑代表最大剪應力 ($\tau_{max}$) 或應力偏差 ($\sigma_1 - \sigma_3$)。圓上的點代表在特定平面上的正向應力 ($\sigma_n$) 和剪應力 ($\tau$)。
2. 庫侖破壞準則 (Coulomb Failure Criterion): 描述岩石在何種應力狀態下會發生破壞（斷裂或滑動）。公式為 $\tau = c + \mu \sigma_n$，其中 $\tau$ 是剪應力，$\sigma_n$ 是正向應力，$c$ 是黏聚力（cohesion），$\mu$ 是摩擦係數（friction coefficient）。在莫爾圓圖上，它表現為一條直線，稱為破壞包絡線（failure envelope）。當莫爾圓與破壞包絡線相交或相切時，岩石發生破壞。
3. 有效應力原理 (Effective Stress Principle): 在多孔介質中，總應力 ($\sigma$) 等於有效應力 ($\sigma'$) 和孔隙水壓力 ($P_p$) 之和，即 $\sigma = \sigma' + P_p$。有效應力決定了岩石的強度。當孔隙水壓力增加時，有效應力減小，岩石強度降低。

解題步驟：

1. 繪製初始應力狀態:
   • 繪製一個莫爾圓，代表斷層處在注入水之前的初始應力狀態。圓心位於平均應力軸上，半徑代表初始的最大剪應力。
   • 繪製庫侖破壞包絡線，假設其與剪應力軸的截距為黏聚力 $c$，與正向應力軸的截距與黏聚力及摩擦角有關 ($\mu = \tan \phi$, 其中 $\phi$ 為內摩擦角)。
   • 在圖中標示出初始狀態下，莫爾圓與破壞包絡線的關係。通常，在未注入水時，莫爾圓位於破壞包絡線的下方，表示岩石處於穩定狀態，斷層不會滑動。
2. 說明注水過程:
   • 當向斷層注入流體時，孔隙水壓力 ($P_p$) 會增加。

本題考查學生對板岩中急折構造（kink bands）的理解，包括其形貌特徵、形成原因及所需條件。

核心觀念：
急折構造（kink bands）是一種在具有明顯層理或劈理的變質岩石（特別是板岩、千枚岩、片岩等）中形成的構造，其特徵是岩石被一系列近乎平行、緊閉的彎曲所分割，形成明顯的「折帶」（band）和「寬帶」（interband）。

解題步驟：

1. 繪圖示意 (形貌):
   • 繪製一組平行線，代表板岩原來的層理或劈理（例如，片理 S1）。這些線條應該是大致平行的，表示均勻的變形。
   • 在這些平行線上，繪製出急折構造。急折構造通常表現為：
     • 折帶 (Kink band): 一個區域，其中原來的層理/劈理線條被急劇地彎曲，形成一個角度（通常是銳角），然後又恢復到接近原來的方向。
     • 寬帶 (Interband): 位於兩個折帶之間的區域，其中的層理/劈理線條方向與未變形區域的方向相似，或者僅有微小的彎曲。
     • 折角 (Angle of kink): 折帶內層理/劈理線條的彎曲角度，通常較為尖銳，形成「急」的特徵。
     • 頸部 (Neck): 折帶處層理/劈理線條彎曲最劇烈的區域。
     • 對稱性: 急折構造通常是對稱的，即折帶內部的彎曲與外部的直線區域形成一個角度，然後在另一側又恢復。
   • 示意圖應清楚顯示出彎曲的層理/劈理線條，並標示出折帶、寬帶、折角等特徵。可以繪製一個剖面圖來展示這種彎曲的形態。
2. 說明形成原因:
   • 急折構造的形成通常與單軸壓縮（uniaxial compression）或近單軸壓縮的應力狀態有關，特別是在較強的層理或劈理（如 S1）存在的情況下。

本題考查學生在等角投影（或稱 Wulff 網）上表示地質構造要素（岩層位態、斷層面位態、擦痕線位態）的能力，以及如何繪製這些要素在下半球投影。

核心觀念：

1. 等角投影 (Wulff Net): 一種用於繪製和分析地質構造的標準投影方法，將地球的半球投影到一個圓盤上。通常使用下半球投影，即觀察者位於地球上方，看向下方。
2. 構造要素的表示:
   • 岩層位態 (Bedding orientation): 由走向（strike）和傾角（dip）表示。在下半球投影中，可以表示為：
     • 極點 (Pole): 與岩層面垂直的線，代表岩層面的方向。極點的投影位置由其方位角（azimuth）和傾角（plunge）決定。
     • 大圓 (Great Circle): 代表岩層面的投影。
   • 斷層面位態 (Fault plane orientation): 同樣由走向和傾角表示。在投影中，斷層面通常表示為一條大圓弧。
   • 擦痕線位態 (Slickenline orientation): 代表斷層面上線狀構造（如擦痕）的傾角（pitch）和方向。擦痕線是沿斷層運動方向的線。在投影中，它也是一個點（代表該線的方向和傾角）。
3. 投影操作:
   • 走向 (Strike): 斷層面或岩層面與水平面的交線方向。
   • 傾角 (Dip): 斷層面或岩層面與水平面之間的夾角，方向是垂直於走向且指向傾沒方向。
   • 極點 (Pole): 與斷層面或岩層面垂直的線。如果斷層面走向為 S，傾角為 D，那麼其極點的方位角為 S+180°，傾角為 90°-D。
   • 擦痕線 (Slickenline): 沿斷層運動方向的線。其方位角就是運動方向的方位角，傾角就是側傾角（pitch）。

解題步驟：

1. 準備工具: 繪製下半球等角投影網（Wulff Net）。
2. 繪製岩層位態（極點）:
   • 露頭岩層位態：東西走向 (E-W)，10° 向南傾斜 (S)。
   • 走向是 E-W，所以方位角為 90° (東) 或 270° (西)。
   • 傾角是 10° 向南。
   • 岩層面的極點方向與岩層面垂直。如果岩層面是 E-W 走向，向南傾斜 10°，那麼極點的方向是向北傾斜 80° (90°-10°)。
   • 在 Wulff 網上，找到方位角為 90° (東) 或 270° (西) 的線上。
   • 找到傾角為 80° 的點。由於是向北傾斜，需要找到相對於赤道（0° 傾角）向北（頂點）傾斜 80° 的點。
   • 標示該點為岩層極點 (Pole of Bedding)。
3. 繪製斷層面位態（大圓）:
   • 斷層面位態：北偏西 30° (NW 30°)，60° 向南傾斜 (S)。
   • 走向是北偏西 30°，也就是方位角為 30° + 270° = 300° (或者說，與北向夾 30°，所以是 330°，如果是從北順時針算的話。題目說「北偏西 30 度」，通常是指與北向的夾角是 30 度，方向是偏西。所以方位角是 270° + 30° = 300°。但也有可能是指與西向夾 30 度，即 240°。在此假設是與北向夾 30°，方向偏西，即走向 330°，或方位角 330°。若題目指「北偏西 30 度」是走向，則通常是以北方為 0 度，順時針量測，所以是 330 度。或者，如果以羅盤方位角，則 NW 30° 就是 330°。讓我們假設走向為 330°。
   • 傾角為 60° 向南。
   • 在 Wulff 網上，找到走向為 330° 的大圓（或其對應的 150° 走向的大圓）。
   • 沿著這個大圓，找到傾角為 60° 向南（S）的位置。這需要找到斷層面的極點，其方位角為 330° - 90° = 240°，傾角為 90° - 60° = 30°。找到 240° 的線上，傾角 30° 向南。這個點就是斷層面的極點。
   • 畫出通過斷層面極點且與赤道相交的大圓。這個大圓代表斷層面。
   • 標示出斷層面的大圓。
4. 繪製擦痕線位態（點）:
   • 擦痕線側傾角 (pitch) 為 30° 向東南 (SE)。
   • Pitch 是指斷層面上的線與斷層面走向線（水平線）之間的夾角。方向是沿著斷層運動的方向。
   • 斷層面走向是北偏西 30° (330°) 和南偏東 150°。
   • 擦痕線方向是向東南（SE），側傾角是 30°。
   • 這意味著，在斷層面的大圓上，找到沿著 SE 方向，與斷層面走向線（水平線）成 30° 夾角的位置。
   • 在 Wulff 網上，我們需要找到斷層面大圓上的某一點。

本題考查學生對兩種不同類型劈理（cleavage）形成機制的理解：板劈理（slaty cleavage）和夾皺劈理（crenulation cleavage）。

核心觀念：
劈理是變質岩中一種重要的片狀或線狀構造，是岩石在變形過程中，礦物定向排列形成的。

解題步驟：

一、 板劈理 (Slaty Cleavage)

1. 形成原因: 板劈理是低級變質作用（如泥質岩的壓實、脫水、低溫變質）過程中，由塑性變形和礦物定向排列（preferred orientation）形成的。
2. 形成過程:
   • 初始岩石: 通常形成於泥岩、頁岩等細粒沉積岩中。這些岩石含有黏土礦物（如伊利石、綠泥石、白雲母）。
   • 應力作用: 在區域性變質作用下，岩石受到壓縮應力。
   • 脫水與壓實: 隨著變質作用的進行，岩石中的水分被排出，黏土礦物開始發生轉變。
   • 礦物定向: 黏土礦物（如黏土薄片）和新形成的細小片狀礦物（如細鱗狀白雲母、綠泥石）在壓力作用下，會平行於一個特定的平面發生定向排列。這個平面通常垂直於主要的壓縮應力方向，或與岩石的層理面（bedding plane）呈一定角度。
   • 劈理面的形成: 這種高度定向排列的細小礦物形成了岩石中一個非常細密、連續的劈平面。這個平面賦予了岩石「劈開」的能力，使其能夠沿著這些平面裂開成薄片，這就是板岩（slate）的特徵。
   • 與層理的關係: 板劈理的形成面（S1 劈理面）通常與原始的沉積層理面（S0）有一定角度，或者在某些情況下，如果變形均勻且強烈，可能幾乎平行。
3. 主要特徵:
   • 非常細密、連續的劈平面。
   • 岩石可以沿劈理面劈成薄片。
   • 主要由細小的片狀或針狀礦物（如白雲母、綠泥石）沿著劈理面定向排列形成。
   • 通常與應力場的壓力方向（最大壓縮應力方向）垂直。

本題為台灣構造地質的應用題，主要考查學生對台灣活動斷層的認識，特別是東部斷層，以及台灣主要地震與斷層的空間關聯性。

核心觀念：

1. 台灣活動斷層: 台灣位於環太平洋地震帶，地殼構造活躍，存在大量活動斷層。
2. 台灣東部構造: 台灣東部是菲律賓海板塊與歐亞板塊碰撞擠壓的劇烈變形區域，斷層密集，地震頻繁。主要斷層系統包括縱谷斷層帶、海岸山脈斷層、卑南山斷層、花東縱谷斷層系等。
3. 地震與斷層的關係: 地震的震源斷層破裂跡通常與地表活動斷層的展布有密切關係。

解題步驟：

(a) 請列出東部的活動斷層。(8分)

這部分需要學生記憶或查詢台灣東部的活動斷層名稱。台灣東部主要的活動斷層帶包括：

• 縱谷斷層帶 (Central Range Fault / Longitudinal Valley Fault): 這是台灣東部最主要的斷層系統，是菲律賓海板塊與歐亞板塊碰撞擠壓的結果，屬於複雜的變形帶。縱谷斷層帶又可細分為多個斷層段，例如：
  • 玉里斷層 (Yuli Fault)
  • 關山斷層 (Guanshan Fault)
  • 池上斷層 (Chishang Fault)
  • 鹿野斷層 (Luye Fault)
  • 卑南山斷層 (Beinan Shan Fault)
• 海岸山脈斷層: 位於海岸山脈西側，常與縱谷斷層帶有複雜的關係。
• 瑞穗斷層 (Ruisui Fault)
• 台東斷層 (Taitung Fault)
• 花蓮斷層 (Hualien Fault)
• 卓溪斷層 (Zhuoxi Fault)
• 利吉斷層 (Liji Fault)

考生需列出其中幾個較為重要且廣為人知的東部活動斷層，例如縱谷斷層帶的幾個主要斷層段（玉里、關山、池上、鹿野、卑南山）以及花蓮斷層、台東斷層等。

(b) 並徒手繪出一高約20公分的台灣外框,大略繪出這些斷層的地表跡位置。(8分)

這部分考驗學生的空間概念和繪圖能力。

1. 繪製台灣外框: 畫一個約 20 公分的台灣島輪廓。重點在於大致的南北長度、東西寬度比例，以及主要的海岸線特徵（如北部、東北部、東部、南部、西部海岸）。
2. 標示斷層位置:
   • 縱谷斷層帶: 這是最關鍵的。它大致沿著台灣島的東側，從花蓮附近向南延伸到台東地區，形成一個南北向的斷層帶，穿過花東縱谷。