114 年 國立中央大學地球科學學系地球物理碩士班一般生《構造地質學》

本題主要在探討斷層在不同埋藏深度下，由於圍壓、溫度及流體壓力等條件的差異，所形成的斷層岩石種類、代表的地質環境，以及其與地殼形變和地震的關聯。

斷層岩石隨深度變化：

1. 地表至淺部地殼 (約 0-5 km)：

   • 岩石類型：碎裂岩 (Fault breccia)、角礫岩 (Fault gouge)。這些岩石是透過脆性斷裂作用，將原有的岩石破碎、磨損形成。碎裂岩通常是指斷裂後斷片尺寸較大，仍保有一定骨架結構；角礫岩則是指斷裂產物非常細碎，呈粉末狀或泥狀。
   • 地質環境：低溫、低壓，岩石呈現脆性變形。此深度範圍的斷層作用以滑動和錯動為主，伴隨岩石的破碎。
   • 地殼形變與地震：此深度範圍是地震最頻繁的區域，因為岩石在此條件下容易累積應力直至脆性破裂，釋放出能量形成地震。斷層帶通常呈現明顯的破裂面。

2. 中深部地殼 (約 5-15 km)：

   • 岩石類型：斷層泥 (Fault mylonite) / 壓碎糜棱岩 (Cataclasite Mylonite)。在此深度，圍壓和溫度升高，岩石的變形機制從單純的脆性破裂逐漸轉變為延性變形與脆性變形的混合。岩石在斷層帶內被持續研磨、塑性流動，形成細粒、具定向性的糜棱結構。

本題旨在探討沉積岩或火山岩中，在岩石形成過程中就存在的「原生構造」（Primary Structures），以及如何利用這些構造來判斷岩層的原始堆疊順序，也就是「層位上下」。

原生構造是指在沉積物沉積或火山熔岩噴發後，在岩石固結成岩之前，由物理、化學或生物作用所形成的構造。它們的形成方向性與地層的原始堆疊方向一致，因此是判斷層位上下（正倒）的重要依據。

以下介紹至少八種原生構造及其判斷層位上下之方法：

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

   • 描述：在主要層理之上，有傾斜的小層理。這些小層理的傾角方向指示了沉積物搬運的方向。
   • 判斷方法：在交錯層理中，通常有一個較大的、傾斜的表面（斜面），其下方會有被侵蝕的表面。沉積物是從較高處的斜面滾落堆積在下方，所以沉積物堆積的方向（即斜面的延伸方向）總是朝向層位的「上方」。反之，侵蝕面則指向層位的「下方」。

2. 波痕 (Ripples)：

   • 描述：水流或風力作用在鬆散沉積物表面形成的皺褶狀或紋理狀構造。有對稱波痕 (Symmetrical ripples) 和不對稱波痕 (Asymmetrical ripples)。
   • 判斷方法：不對稱波痕是判斷層位的關鍵。其形成機制是水流從一側吹過，在迎風坡堆積，在背風坡形成滑落面。滑落面的方向總是朝向沉積物搬運的方向，也就是層位的「上方」。迎風坡的坡度較緩，背風坡的坡度較陡。對稱波痕則通常由來回擺動的水流形成，判斷性較差。

3. 裂縫 (Mud cracks / Desiccation cracks)：

   • 描述：泥質沉積物在乾燥收縮時形成的裂縫。通常呈多邊形。
   • 判斷方法：裂縫通常開口朝上，越深的裂縫，其開口端會被後來的沉積物填滿。因此，裂縫的尖端指向層位的「下方」，而開口端指向層位的「上方」。

4. 雨痕 (Rain imprints / Raindrop imprints)：

   • 描述：雨滴擊打在濕潤的泥質表面所留下的微小凹痕。
   • 判斷方法：雨滴落下時，會在泥面形成一個小坑，濺起的泥土會堆積在坑的邊緣，形成一個微小的「裙邊」。這個裙邊通常朝向雨滴來的方向，也就是層位的「下方」。

本題考查的是變質岩石學中兩種重要的礦物定向構造：crenulation cleavage 和 S-C fabric。這兩種構造都與變質岩的變形和變質作用密切相關，但它們的形成機制和形態有所不同。

1. Crenulation Cleavage (褶皺劈理)

• 定義：Crenulation cleavage 是一種在已形成的片理（如原來的 S1 或 S0）之上，再次發育的、更細密的劈理。它通常是在變質作用過程中，岩石發生了褶皺變形，導致原來的片理面發生多次彎曲、褶皺，並在褶皺的軸部形成新的、與原片理呈角度的劈理面。
• 形成機制：當岩石中已經存在一個或多個主要的片理面（S 面），然後岩石受到進一步的應力作用，發生了第二次的變形。這個變形作用會使原來的片理面彎曲成微小的褶皺。在這些微小褶皺的軸部，礦物會重新定向排列，形成新的、更細密的劈理面，稱為 crenulation cleavage。這些新的劈理面可以平行於褶皺的軸面（crenulation axial plane cleavage），或者與原片理面呈一定角度。
• 形態：通常表現為一種「多級」的劈理。在顯微鏡下，可以看到原來的較粗的片理（如雲母片）被彎曲成小褶皺，而在這些褶皺的軸部，新的細小礦物（如細小的雲母、氯石）重新定向排列，形成一組新的、更細密的片理。

2. S-C Fabric (S-C 構造)

• 定義：S-C fabric 是一種在強烈的剪切變形作用下形成的構造，由兩組不同方向的礦物定向面組成：S 面（主片理面）和 C 面（剪切面）。
• 形成機制：S-C fabric 通常在斷層帶、剪切帶等區域形成，代表了單一方向的強烈剪切應力。
  • S 面 (Schistosity/Slaty cleavage)：這是岩石原有的、或在變形過程中形成的、較為平緩的片理面，通常代表了岩石經歷的早期變形或變質作用。在 S-C fabric 中，S 面通常是彎曲的，並受到 C 面的影響。
  • C 面 (C-plane/Shear plane)：這是由單一方向的剪切應力所形成的、與剪切方向大致平行的次級剪切面。在這個平面上，礦物（尤其是長條狀或片狀礦物）會發生定向排列，呈現出明顯的剪切滑移跡象。
  • S 面和 C 面通常呈一個角度（一般為 15°-30°），C 面相對於 S 面是「下盤」（hanging wall）向「上盤」（footwall）移動的方向。
• 形態：在宏觀上，S-C fabric 表現為岩石具有兩組明顯的、相互交叉的紋理。在顯微鏡下，S 面上的礦物（如雲母）被 C 面上的礦物（如石英、長石）所切割、滑移和重新排列。

本題考查的是岩石力學中的摩爾-庫倫破壞準則，以及其在地殼變形（尤其是斷層形成）和三軸試驗中的應用，並深入探討有效應力的概念及其對岩石破壞的影響。

一、 摩爾-庫倫破壞準則示意圖

摩爾-庫倫破壞準則 (Mohr-Coulomb failure criterion) 是描述岩石在應力狀態下發生破壞（斷裂）的準則。它認為岩石的破壞不僅取決於正向應力（σ），也取決於剪應力（τ），並且與岩石本身的內聚力（c）和內摩擦角（φ）有關。

在摩爾圓 (Mohr's circle) 的 τ-σ 座標系中，破壞準則表示為一條直線。這條直線稱為破壞包絡線 (failure envelope)。

• 圖示說明：

  • 繪製一個 τ-σ 座標系，縱軸為剪應力 τ，橫軸為正向應力 σ。
  • 從原點出發，畫一條與 σ 軸呈 φ 角的直線。這條直線就是破壞包絡線。
  • 內聚力 (cohesion, c) 是當剪應力為零時，岩石的抗剪強度，對應於破壞包絡線與 τ 軸的交點。
  • 內摩擦角 (friction angle, φ) 是破壞包絡線與 σ 軸（或與 τ 軸呈 φ 角）的夾角，代表岩石顆粒間的摩擦阻力。
  • 當一個應力狀態（由一個摩爾圓表示）與破壞包絡線相切或相交時，岩石就會發生破壞。

  🖼️【此處應繪製一個 τ-σ 座標系，其中包含：縱軸 τ (剪應力)，橫軸 σ (正向應力)，一條從 τ 軸上某點 (c) 出發，與 σ 軸夾角為 φ 的直線 (破壞包絡線)，以及一個或多個摩爾圓。當摩爾圓與破壞包絡線相切時，表示岩石達到破壞極限。】

二、 淺部地殼與三軸試驗中發育的共軛斷層組為何夾有銳角？

• 核心觀念：共軛斷層的形成與岩石破壞時的應力狀態和破壞準則直接相關。
• 說明：
  1. 最大主應力 (σ₁) 與最小主應力 (σ₃)：在大多數地殼變形和三軸試驗中，岩石承受的應力狀態可以簡化為三個相互垂直的主應力：最大主應力 (σ₁)、中間主應力 (σ₂) 和最小主應力 (σ₃)。通常 σ₁ ≥ σ₂ ≥ σ₃。
  2. 摩爾圓與破壞：在 τ-σ 座標系中，σ₁ 和 σ₃ 可以確定一個摩爾圓。當這個摩爾圓與摩爾-庫倫破壞包絡線相切時，岩石發生破壞。
  3. 剪切破壞面：摩爾-庫倫準則預測，破壞通常發生在兩個傾角不同的剪切面上。這兩個剪切面的法線（即 σ₁ 和 σ₃ 的方向）與破壞面的夾角為 90° - φ/2。
  4. 共軛斷層：這兩個剪切面就是我們觀察到的共軛斷層。它們之間的夾角 (θ) 與內摩擦角 (φ) 的關係為：
     $\theta = 2 \times (90^\circ - \frac{\phi}{2}) = 180^\circ - \phi$

本題旨在探討泥質岩石（如頁岩、泥岩）在不同溫壓條件和應變累積下，所經歷的韌性（延性）變形過程，以及在此過程中形成的各種變形組構（Deformation fabrics）及其形成機制。泥質岩石主要由黏土礦物、石英、長石等細粒礦物組成，其變形行為與砂質岩石或火成岩有所不同。

泥質岩石的韌性變形組構隨溫壓和應變增加的演化過程，通常與變質作用的級別（低綠色片岩相到綠色片岩相及更高）相關。

1. 低溫、低壓、低應變（如沉積壓實、淺埋藏）

• 組構：
  • 裝載定向 (Load casting)：由於上方沉積物的重力作用，導致下方的泥質沉積物發生塑性變形。
  • 塑性變形 (Plastic deformation)：黏土礦物在外力作用下發生滑移和重新定向。
  • 輕微的礦物定向：黏土礦物開始沿著一個方向排列，形成初步的片理。
• 形成機制：
  • 黏土礦物滑移 (Clay mineral slip)：黏土礦物層之間的範德華力較弱，允許其發生滑移。
  • 孔隙流體遷移 (Pore fluid migration)：孔隙水在壓力梯度下移動，幫助礦物重新排列。
  • 顆粒重排 (Grain rearrangement)：細小的顆粒在應力下相互滑動和重新堆積。

2. 溫和變質條件（綠色片岩相，約 300-400 °C, 數百 MPa 壓力）

• 組構：
  • 變質壓實 (Pressure solution)：溶解-沉澱作用開始顯著，顆粒接觸處溶解，並在低應力區域沉澱。
  • 片岩理 (Schistosity / Slaty cleavage)：黏土礦物（如伊利石、滑石、綠泥石）在高壓下轉變為更穩定的片狀礦物（如雲母），並沿著一個方向高度定向排列，形成明顯的片理。這是泥質岩石進入變質岩階段的典型特徵。
  • 微褶皺 (Microfolds)：岩石內部發生小尺度的褶皺變形。
• 形成機制：
  • 壓溶 (Pressure solution)：在顆粒接觸的高應力區域，礦物溶解，並在低應力區域沉澱。這是形成定向礦物和產生體積縮小的關鍵機制。