114 年 國立中央大學地球科學學系地球物理碩士班一般生《普通地質學》

本題為名詞解釋題，主要測試考生對普通地質學中基礎名詞的理解與掌握程度。需逐一解釋每個名詞的定義、特徵及在地質學上的意義。

(1) turbidite：濁流沉積物，指由高密度濁流（turbidity current）搬運並沉積的沉積物。其沉積序列通常呈現一標準的粗細分級（Bouma sequence），包含從底部到頂部的 turbidite 序列：Ta (底部塊狀砂岩)、Tb (平行層砂岩)、Tc (波痕砂岩)、Td (粉砂質泥岩)、Te (頂部泥岩)。常見於深海扇或斜坡環境。

(2) debris flows：碎屑流，是一種高濃度的泥石流，由大量岩石碎屑、土壤、泥土和水混合而成，通常具有很高的流速和搬運能力。其沉積物通常為未分級的、具有雜亂排列的巨石和細粒基質。常見於山區、斜坡或河流系統中，受降雨、地震或火山活動觸發。

(3) attitude of a fault plane：斷層面的產狀，指描述斷層面在空間中的取向，通常用傾向（strike）和傾角（dip）來表示。傾向是斷層面與水平面相交線的方位角，傾角是斷層面與水平面之間的夾角。

(4) mud diapir：泥底劈，是一種由密度較低的泥岩或頁岩向上侵入周圍較密度較高的沉積岩層而形成的結構。其形成通常與盆地的沉積作用和壓力差異有關，可能導致地表隆起或形成構造。

本題旨在測試考生對礦物物理性質的理解及其代表的意義，並以石英為例進行說明。

礦物物理性質的意義：

1. 晶系 (Crystal System)：指礦物內部原子排列所形成的對稱性，決定了礦物的基本外形。例如，立方晶系礦物常呈立方體或八面體，三方晶系礦物常呈稜柱狀。晶系是礦物分類的重要依據之一。
2. 硬度 (Hardness)：指礦物抵抗刻劃或磨損的能力，通常使用摩氏硬度計（Mohs scale）來表示，從1（滑石）到10（鑽石）。硬度反映了礦物化學鍵的強度，鍵越強，硬度越大。
3. 解理 (Cleavage)：指礦物沿著特定的晶面方向，在外力作用下容易破裂的性質。解理的優劣程度（完好、良好、差）和方向（單一、多組）與礦物的晶體結構有關。
4. 斷口 (Fracture)：指礦物沿非晶面方向破裂時所呈現的表面形態。常見的斷口有貝殼狀（conchoidal）、參差狀（uneven）、參差狀（hacky）等。斷口也與礦物的化學鍵強度和結構有關。
5. 顏色 (Color)：礦物呈現的顏色，可能受礦物本身的化學成分、微量雜質或結構缺陷影響。某些礦物的顏色是其鑑定的重要依據，但有些礦物的顏色會因為雜質而變化，稱為假色。
6. 條痕 (Streak)：指礦物粉末的顏色，通常是將礦物在未施釉的瓷板上刻劃後留下的痕跡。條痕的顏色比礦物本身的顏色更穩定，對於某些礦物的鑑定很有幫助。

本題要求繪製地殼岩石循環圖，並標示出主要的過程。岩石循環是地質學中的核心概念之一，描述了岩石在不同種類之間轉變的連續過程。

岩石循環圖繪製要點：

1. 三大岩類：需包含沉積岩 (Sedimentary Rocks)、變質岩 (Metamorphic Rocks) 和火成岩 (Igneous Rocks)。
2. 主要作用：
   • 岩漿 (Magma)：地下熔融的岩石。
   • 結晶作用 (Crystallization)：岩漿冷卻凝固形成火成岩。
   • 火成岩 (Igneous Rocks)：由岩漿結晶形成。
   • 風化與侵蝕 (Weathering and Erosion)：火成岩、變質岩或沉積岩在地表受到破壞、分解並被搬運。
   • 沉積物 (Sediments)：風化侵蝕產生的碎屑或溶解物。
   • 搬運與沉積 (Transportation and Deposition)：沉積物被搬運並堆積。
   • 壓實與膠結 (Compaction and Cementation) / 成岩作用 (Lithification)：沉積物被壓實並由礦物膠結，形成沉積岩。
   • 沉積岩 (Sedimentary Rocks)。
   • 變質作用 (Metamorphism)：岩石在高溫高壓下發生物理或化學變化，形成變質岩。此作用可發生在任何種類的岩石上。
   • 變質岩 (Metamorphic Rocks)。
   • 部分熔融 (Partial Melting)：變質岩或火成岩在高溫下發生部分熔融，重新形成岩漿。

本題要求根據提供的三項標準，分析中橫太魯閣峽谷地區可能發生的塊體運動。太魯閣峽谷是台灣東部重要的峽谷地形，以其陡峭的地形、豐富的變質岩以及頻繁的塊體運動而聞名。

分析太魯閣峽谷的塊體運動：

1. 材料性質 (Material Nature)：

   • 岩石 (Rock)：太魯閣峽谷主要由變質岩組成，如大理岩、片岩、片麻岩等。這些岩石可能以塊體、岩塊或節理裂隙發達的岩體形式參與塊體運動。
   • 未固結物質 (Unconsolidated Material)：峽谷坡面上也覆蓋有大量的崩積土、碎屑、風化殘餘物、土壤等未固結的物質。這些物質更容易發生流動或滑動。

2. 移動速率 (Rate of Movement)：

   • 低速 (Slow)：例如蠕變（creep），坡面上的土壤或岩體以極緩慢的速度（每年幾公分或幾毫米）持續變形或移動。這在太魯閣峽谷的某些斜坡上可能存在，尤其是在土壤飽和或溫差較大的情況下。
   • 中等 (Moderate)：例如岩石滑動（rock slide）、土方滑動（earth slide）或土石流（debris flow）的初期階段。速度介於幾公分到數公尺每秒。
   • 高速 (Rapid)：例如岩石崩落（rock fall）、岩屑崩塌（rock avalanche）或土石流爆發時。速度可達數十公尺每秒甚至更高。

3. 移動方式 (Mode of Movement)：

   • 墜落 (Fall)：岩塊或土體從陡峭的懸崖或邊坡上自由墜落。在太魯閣峽谷的懸崖峭壁上非常常見，例如岩石崩落 (rock fall)。
   • 滑動 (Slide)：岩體或土體沿著一個或多個相對平滑的剪切面整體滑動。
     • 岩石滑動 (Rock Slide)：當岩體沿著斷層、節理或層面滑動。
     • 土方滑動 (Earth Slide)：當未固結的土體沿著一個剪切面滑動。
   • 流動 (Flow)：物質以類似流體的運動方式移動，通常發生在材料飽和或具有流變性質時。

本題為兩部分，第一部分要求繪製聖安德列斯斷層區域的降伏應力包絡面 (Yield Stress Envelope, YSE) 並解釋不同深度下的變形機制；第二部分要求結合 YSE 說明不同深度下可能產生的地質構造與岩石類型。

核心觀念：岩石圈在不同溫度、壓力及應力條件下，會表現出不同的變形行為，可透過降伏應力包絡面來描述。聖安德列斯斷層是典型的轉形斷層，其變形機制與深度密切相關。

(1) 繪製 YSE 並解釋變形機制

繪製 YSE 的資訊：

• 斷層類型：走向滑移斷層 (Strike-slip fault)。
• 位置：大陸岩石圈邊界。
• 岩石圈厚度：約 100 公里。
• 孕震深度 (Seismogenic depth)：淺於 20 公里。這代表地震（脆性破裂）主要發生在這個深度範圍。
• 莫荷面深度 (Moho depth)：約 30 公里。莫荷面是地殼與地幔的界面，此資訊代表此區域的地殼厚度。
• 橫軸：軸差應力 ($\sigma_1 - \sigma_3$, $\Delta\sigma$)，單位 MPa。
• 縱軸：深度 (0 公里至 100 公里)。

YSE 的基本組成：
YSE 通常包含兩個主要的降伏曲線：

• 脆性降伏 (Brittle Yield)：代表岩石因應力超過其抗拉強度或抗壓強度而發生破裂（斷層）。常見的脆性降伏準則有莫爾-庫侖準則 (Mohr-Coulomb criterion)。其強度隨深度（壓力）增加而增加。
• 延性降伏 (Ductile Yield)：代表岩石因應力超過其流動強度而發生塑性變形（蠕變、流動）。其強度隨溫度（深度）增加而減小。

繪製步驟與解釋：

• 深度 0-20 公里（上部地殼，脆性變形主導）：
  • YSE 繪製：此範圍內，壓力較低，脆性破裂的強度也相對較低。YSE 的脆性降伏曲線較接近縱軸。軸差應力較小即可導致破裂。
  • 變形機制：在此深度範圍，岩石圈溫度較低，變形主要以脆性破裂為主。聖安德列斯斷層在此區域是活躍的斷層，頻繁發生地震，是脆性斷層運動的典型區域。斷層面上的剪切應力超過岩石的抗剪強度，導致岩石破裂，產生地震。
• 深度 20-30 公里（過渡帶，脆性與延性混合）：
  • YSE 繪製：隨著深度增加，壓力增大，脆性破裂的強度增加。同時，溫度也開始升高，延性變形的強度開始下降。YSE 的脆性降伏曲線向右移動（強度增加），延性降伏曲線開始出現並向左移動（強度下降）。
  • 變形機制：在此深度，岩石可能同時表現出脆性和延性行為。斷層帶可能同時存在地震性的脆性破裂和非地震性的延性流動。
• 深度 30-100 公里（下部地殼至上部地幔，延性變形主導）：
  • YSE 繪製：此範圍內，溫度顯著升高，岩石的延性顯著增強，而脆性破裂的能力大大降低。

本題要求簡述台灣本島及主要離島的火成岩分布、分類、年代、地體構造環境及成因。台灣位於菲律賓海板塊與歐亞板塊的碰撞邊界，地質活動複雜，因此存在多樣的火成岩。

1. 火成岩分布與分類：

• 台灣本島：

  • 北部：主要為大屯火山群，屬於第四紀的安山岩 (andesite) 及玄武岩 (basalt)。
  • 東部：
    • 海岸山脈：主要為鹼性玄武岩、安山岩、英安岩 (dacite) 及少量流紋岩 (rhyolite)，屬於第三紀的噴發岩。
    • 宜蘭地區：龜山島為典型的第四紀火山島，主要為安山岩。
  • 其他地區：零星分布的火山岩，如澎湖群島。

• 離島：

  • 澎湖群島：主要為第四紀的玄武岩，是台灣最主要的玄武岩分布區，形成壯觀的柱狀節理。
  • 綠島：為第四紀火山島，主要為安山岩。
  • 蘭嶼：為第四紀火山島，主要為安山岩，部分為輝石安山岩。
  • 金門、馬祖：主要為花崗岩 (granite) 及少量花崗閃長岩 (granodiorite)，屬於侵入岩，形成年代較早（侏羅紀至白堊紀）。

2. 火成岩年代：

• 北部火山群 (大屯火山群)：第四紀（約 200 萬年前至今），部分噴發活動仍在進行。
• 龜山島：第四紀（約 70 萬年前至今）。
• 澎湖群島：第四紀（約 1700 萬年前至 450 萬年前，部分年輕的玄武岩約 600 萬年前）。
• 綠島、蘭嶼：第四紀（約 200 萬年前至今）。
• 海岸山脈：第三紀（約 2300 萬年前至 500 萬年前）。
• 金門、馬祖：侏羅紀至白堊紀（約 2 億年前至 6500 萬年前）。

3. 地體構造環境：

• 碰撞帶 (Collision Zone)：台灣本島大部分的火成岩，特別是北部大屯火山群、東部海岸山脈、龜山島、綠島、蘭嶼，都形成於菲律賓海板塊與歐亞板塊的碰撞帶。
  • 大屯火山群：形成於隱沒帶上方的火山弧環境，岩漿來自於太平洋板塊隱沒於菲律賓海板塊之下所產生的熔融。