114 年 國立中央大學地球科學學系地球物理碩士班在職生《普通地質學》

本大題為名詞解釋，共計十小題，每小題3分，總計30分。此題旨在測試考生對普通地質學基本名詞的理解與掌握程度。以下將逐一解釋各名詞。

(1) turbidite:
turbidite 指的是濁流沉積物，通常發生在水底斜坡上，由高濃度的懸浮沉積物所組成的濁流（turbidity current）快速移動並沉降所形成的沉積構造。其典型特徵為依據重力分選作用形成的遞變層理（graded bedding），即粗粒沉積物在底部，向上逐漸變細。
【答案】濁流沉積物，指由濁流沉降形成的沉積物，常具遞變層理。

(2) debris flows:
debris flow 指的是土石流，是一種以岩石碎屑、土壤、泥土、水及空氣混合而成的半流體或流體狀物質，藉由重力作用沿著斜坡快速移動的現象。其流速快、攜帶大量物質，破壞力極強。
【答案】土石流，指由岩屑、土壤、泥水等混合物藉重力沿斜坡快速移動的現象。

(3) attitude of a fault plane:
attitude of a fault plane 指的是斷層面的空間方位，通常由三個參數描述：走向（strike）、傾角（dip）及傾向（dip direction）。走向是斷層面與水平面交線的方向，傾角是斷層面與水平面之間的夾角，傾向則是斷層面傾斜的方向。
【答案】斷層面的空間方位，包含走向、傾角和傾向。

(4) mud diapir:
mud diapir 指的是泥岩底衝構造（泥岩底闢），是一種由較輕、具有塑性的泥岩或泥岩混同層，因受到上方較重岩層的壓力而向上侵入，穿過上覆岩層，形成類似火山頸的構造。常發生在沉積盆地中，與油氣聚集有關。
【答案】泥岩底衝構造，指塑性泥岩因浮力向上侵入上覆岩層形成的構造。

(5) weathering of rocks:
weathering of rocks 指的是岩石風化作用，是指岩石在接近地表或地表，在水、空氣、溫度變化、生物等作用下，發生物理、化學

本題考查礦物的物理性質及其意義，並以石英為例進行說明。礦物的物理性質是鑑定礦物的重要依據，它們反映了礦物的內部結構和化學成分。

礦物物理性質的意義：

• 晶系 (Crystal System): 礦物的晶系由其內部原子排列的規則性決定，反映了礦物晶體結構的對稱性。不同的晶系（如立方晶系、四方晶系、六方晶系、三方晶系、單斜晶系、斜方晶系、三斜晶系）代表了不同的原子排列方式，是鑑定礦物的重要基礎。
• 硬度 (Hardness): 硬度是指礦物抵抗刮蝕的能力，通常以摩氏硬度計（Mohs hardness scale）來表示。硬度反映了礦物內部化學鍵的強度，鍵越強，硬度越高。例如，鑽石（硬度10）的碳原子之間是強共價鍵，而滑石（硬度1）則是由較弱的范德華力連接。
• 解理 (Cleavage): 解理是指礦物沿著特定的晶面方向，在外力作用下容易破裂並形成光滑平面的現象。這反映了礦物晶體結構中，某些晶面方向上的化學鍵較弱，容易斷裂。
• 斷口 (Fracture): 斷口是指礦物在非解理方向上斷裂時所形成的表面形態。如果礦物沒有明顯的解理，或者斷裂方向不規則，則會表現出不同的斷口形態，如貝殼狀斷口（conchoidal fracture）、參差狀斷口（irregular fracture）、土狀斷口（earthy fracture）等。這也與礦物內部的化學鍵強度和結構有關。
• 顏色 (Color): 礦物的顏色可以由其化學成分（如含有特定過渡金屬離子）或結構缺陷引起。有些礦物顏色穩定，而有些則因雜質的種類和含量不同而變化很大（如石英）。
• 條痕 (Streak): 條痕是指礦物粉末的顏色，是將礦物在粗糙的瓷板上劃過的痕跡顏色。條痕通常比礦物本身的顏色更穩定，有助於鑑定。
• 光澤 (Luster): 光澤是指礦物表面反射光線的性質，與礦物表面的光滑度和其折射率有關。

本題要求繪製地殼中三大岩類的岩石循環圖，並標示出各種作用。岩石循環是一個連續的過程，描述了岩石在地表和地殼內部如何轉變，是地質學的核心概念之一。

岩石循環圖說明：

岩石循環圖通常以三個主要的岩石類型為核心：火成岩（Igneous rocks）、沉積岩（Sedimentary rocks）和變質岩（Metamorphic rocks）。圖中會用箭頭表示各種地質作用，指示岩石之間的轉變途徑。

主要的岩石類型及其形成：

1. 火成岩 (Igneous Rocks):
   • 形成：由岩漿（magma）或熔岩（lava）冷卻結晶而成。
   • 來源：岩漿來自地殼深處或地函的部分熔融。
2. 沉積岩 (Sedimentary Rocks):
   • 形成：由已存在的岩石（火成岩、變質岩或沉積岩本身）經過風化、侵蝕、搬運、沉積，再經過壓實、膠結（成岩作用）而形成。
3. 變質岩 (Metamorphic Rocks):
   • 形成：由已存在的岩石（火成岩、沉積岩或變質岩）在壓力、高溫或化學流體作用下，發生礦物成分和結構的改變，但未達熔融狀態。

岩石循環圖中的主要作用：

1. 岩漿 (Magma) / 熔岩 (Lava):
   • 部分熔融 (Partial Melting): 地殼或地函的岩石在高溫高壓下發生部分熔融，形成岩漿。
   • 岩漿形成 (Magma Formation): 熔融過程產生岩漿。
2. 火成岩的形成與轉變：
   • 結晶作用 (Crystallization): 岩漿或熔岩冷卻後，礦物開始結晶，形成火成岩。
   • 風化與侵蝕 (Weathering and Erosion): 地表火成岩受到風化（物理、化學、生物）作用而破碎、分解，並被侵蝕搬運。
   • 變質作用 (Metamorphism): 火成岩在地下深處或受熱、受壓時，會轉變為變質岩。
3. 沉積物的形成與轉變：
   • 風化與侵蝕 (Weathering and Erosion): 所有地表的岩石（火成岩、沉積岩、變質岩）都會被風化和侵蝕，產生碎屑、溶解質等沉積物。
   • 搬運 (Transportation): 沉積物由水、風、冰川等搬運。
   • 沉積 (Deposition): 搬運的沉積物在低窪地區（如海洋、湖泊、盆地）堆積下來。
   • 成岩作用 (Lithification): 沉積物經過壓實（compaction）和膠結（cementation），形成沉積岩。
4. 沉積岩的轉變：
   • 風化與侵蝕 (Weathering and Erosion): 沉積岩在地表也會被風化和侵蝕。

本題要求結合塊體運動的三項分類標準，探討台灣中橫太魯閣峽谷地區可能發生的塊體運動及其分類。太魯閣峽谷地形陡峻，地質複雜，是台灣地質活動活躍的區域，因此塊體運動頻繁。

塊體運動的三項分類標準：

1. 材料性質 (Material Type):
   • 岩石（Rock）：移動的主要是堅硬的岩石塊體。
   • 未固結物質（Unconsolidated Material）：移動的主要是鬆散的土壤、砂礫、泥土等。
2. 移動速率 (Rate of Movement):
   • 低速（Slow）：每年移動幾公分到幾公尺。
   • 中等（Moderate）：每年移動數公尺到數十公尺。
   • 高速（Rapid）：瞬間移動數十公尺到數百公尺。
3. 移動方式 (Mode of Movement):
   • 墜落（Falling）：岩石或土體從陡坡上自由落下。
   • 滑動（Sliding）：岩石或土體沿著一個或多個界面滑動。
   • 流動（Flowing）：物質像液體一樣流動。

太魯閣峽谷地區的塊體運動分析與分類：

太魯閣峽谷位於中央山脈，以大理岩、片岩等變質岩為主，地形極為陡峭，且受斷層、節理等構造影響，加上豐沛的降雨，使得塊體運動成為該地區重要的地質災害。

1. 岩石墜落 (Rock Fall):

   • 材料性質: 岩石（大理岩、片岩）。
   • 移動速率: 高速。
   • 移動方式: 墜落。
   • 說明: 在峽谷陡峭的峭壁上，因岩石節理發達、風化作用或地震誘發，岩石塊體可能從高處崩落，沿著陡坡滾動或跳躍。這是太魯閣峽谷非常常見的塊體運動形式。

2. 岩石滑動 (Rock Slide) / 潛移 (Creep):

   • 材料性質: 岩石。
   • 移動速率: 低速（潛移）到中等（岩石滑動）。
   • 移動方式: 滑動。
   • 說明: 當岩石層的底界面（如斷層面、節理面）傾向斜坡且坡度足夠時，岩石塊體可能沿著界面緩慢滑動（潛移），或在特定條件下（如地震、降雨飽和）發生較快速的滑動。這些滑動的岩體可能形成較大的滑動面。

本題考查聖安德列斯斷層的降伏應力包絡面（Yield Stress Envelope, YSE）及其在地質圈不同深度下的變形機制與構造產物。這是一個結合岩石力學和構造地質學的題目。

核心觀念：

• 降伏應力包絡面 (Yield Stress Envelope, YSE): 描述岩石在不同圍壓（深度）下，達到破裂或塑性變形（降伏）所需的應力狀態。通常以軸差應力（$\Delta \sigma = \sigma_1 - \sigma_3$）為縱軸，深度或圍壓為橫軸。
• 變形機制 (Deformation Mechanisms): 在不同應力、溫度、壓力條件下，岩石會表現出不同的變形行為，如脆性破裂（brittle failure）、黏塑性變形（ductile deformation）等。
• 岩石圈結構 (Lithosphere Structure): 岩石圈包含地殼和上部地幔，其力學性質隨深度變化，溫度升高，圍壓增加，導致岩石的變形行為改變。

(1) 繪製 YSE 並解釋變形機制：

繪製 YSE 的步驟與要素：

1. 座標軸定義:

   • 縱軸：軸差應力 ($\Delta \sigma = \sigma_1 - \sigma_3$)，單位 MPa。
   • 橫軸：深度（從地表 0 km 到岩石圈底部 100 km）。

2. YSE 的形態:

   • 脆性破裂 (Brittle Failure): 在較淺、較冷的區域，岩石主要表現為脆性破裂。其降伏應力隨圍壓（深度）增加而增加，通常呈現近似線性的上升趨勢。這個區域的應力狀態由莫爾-庫侖破裂準則（Mohr-Coulomb failure criterion）描述。
   • 黏塑性變形 (Ductile Deformation): 在較深、較熱的區域，岩石的溫度和壓力升高，使其變得更具延展性，發生黏塑性變形。其降伏應力隨圍壓（深度）增加而減緩上升，甚至可能趨於平緩或下降（如高溫下的流動）。此區域的應力狀態可能由實驗室測得的岩石流動律（flow law）描述。
   • YSE 的峰值: YSE 通常會呈現一個峰值，代表在某一深度，岩石達到最大的抗剪強度。在此峰值以上，岩石處於彈性狀態；在此峰值或包絡面以上，岩石則會降伏。

3. 聖安德列斯斷層的資訊應用:

   • 孕震深度 < 20 km: 表示斷層在 20 km 深度以淺是活躍的脆性斷層，會累積應力並發生地震。這意味著在 20 km 以淺，岩石圈的應力狀態（$\Delta \sigma$）會達到脆性破裂的強度。
   • 莫荷面深度約 30 km: 莫荷面（Mohorovičić discontinuity, Moho）通常是地殼與地幔的界面，在此深度下，岩石（主要是地幔橄欖岩）的溫度和壓力更高，變形機制轉向黏塑性。這代表 30 km 深度是從地殼變質到地幔岩石的關鍵深度，也是力學性質改變的重要界線。
   • 100 km 的岩石圈厚度: 這是我們考慮的深度範圍。

繪製示意圖 (請自行想像或繪製)：

• 橫軸從 0 km 到 100 km。
• 縱軸為 $\Delta \sigma$ (MPa)。
• 在 0-20 km 區域，YSE 呈現較陡峭的上升曲線（代表脆性破裂），其上界線標示為「脆性斷層區」。
• 在 20-30 km 區域，YSE 的斜率可能開始減緩，進入一個過渡區。
• 在 30 km 深度（莫荷面附近），岩石性質改變，YSE 的斜率進一步減緩，甚至可能趨於平緩或略微下降（代表黏塑性變形）。這個區域的應力上限較低。
• 整個包絡面會呈現一個「包」的形態，應力狀態落在包絡面內表示彈性變形，落在包絡面外表示降伏。

解釋變形機制：

• 淺層 (0-20 km): 該區域溫度較低，岩石主要表現為脆性。聖安德列斯斷層在此深度處於活躍的走向滑移狀態，累積的應力（$\Delta \sigma$）達到脆性破裂的強度，導致地震的發生。這是一個典型的脆性斷層區。
• 中層 (20-30 km): 隨著深度增加，溫度和壓力升高，岩石的延展性逐漸增強。此處可能為脆性變形向黏塑性變形的過渡區。斷層在此深度可能表現出混合的變形特徵，累積的應力可能仍能引發地震，但破裂方式可能開始變化。
• 深層 (30-100 km): 該區域溫度高，岩石（尤其是地幔岩石）具有較好的延展性，主要發生黏塑性變形。聖安德列斯斷層在此深度不再是地震活動活躍的區域，而是以緩慢的蠕變或流動方式變形。

本題考查台灣及其主要離島的火成岩分布、分類、年代、地體構造環境及成因。台灣位於環太平洋火山帶，其火成岩的分布與地殼構造活動密切相關。

一、火成岩分布與分類：

台灣島及離島的火成岩主要分布在以下幾個區域：

1. 台灣東部及外海：

   • 分類： 多為中性至基性火山岩（如玄武岩、安山岩）及相關的侵入岩。
   • 分布： 龜山島（宜蘭外海）是典型的火山島，主要由安山岩構成。綠島和蘭嶼（台東外海）也屬於火山島，主要由安山岩、玄武岩組成，並有相關的侵入岩。台灣東部海岸地區，如成功鎮附近，也有部分安山岩質火山岩。
   • 特徵： 這些火山活動與菲律賓海板塊向歐亞板塊的隱沒作用有關。

2. 澎湖群島：

   • 分類： 以基性火山岩為主，主要是玄武岩。
   • 分布： 整個澎湖群島，包括大小島嶼，均由玄武岩熔岩流覆蓋而成。
   • 特徵： 這些玄武岩噴發形成熔岩高原，有時可見柱狀節理。

3. 台灣西部及北部：

   • 分類： 較少，偶見酸性至中性的火山岩或侵入岩。
   • 分布： 陽明山國家公園一帶（大屯火山群）是台灣北部最活躍的火山區域，主要噴發物為安山岩、英安岩等。北部地區偶爾也有一些早期形成的花崗岩或閃長岩侵入體。
   • 特徵： 大屯火山群的活動與區域性的構造應力、地殼薄弱帶有關。

4. 金門、馬祖：

   • 分類： 主要為酸性侵入岩，如花崗岩。
   • 分布： 金門、馬祖的基盤岩石主要是花崗岩。
   • 特徵： 這些花崗岩是較古老的侵入岩體，形成於較早期的地質時期。

二、火成岩年代：

• 澎湖玄武岩： 主要噴發時間集中在約 1700 萬年前至 400 萬年前之間，其中較年輕的噴發活動約在 80 萬年前。
• 大屯火山群： 活動年代較年輕，主要活躍期約在 280 萬年前至今，部分噴發物年代可達數萬年。
• 龜山島、綠島、蘭嶼： 火山活動年代相對較新，大多在數百萬年至今，例如綠島的火山活動約在 100 萬年前至 20 萬年前，蘭嶼的火山岩年代約在 500 萬年前。
• 金門、馬祖花崗岩： 年代較為古老，屬於中生代，約在 1 億 5 千萬年前至 8 千萬年前之間形成。

三、地體構造環境與火成岩成因：

台灣及其離島的火成岩成因與其所處的地體構造環境密切相關。

1. 台灣東部、龜山島、綠島、蘭嶼 (弧火山作用 - Arc Volcanism):
   • 構造環境: 菲律賓海板塊（海洋板塊）向歐亞板塊（大陸板塊）的隱沒帶。
   • 成因: 當海洋板塊隱沒至大陸板塊之下時，會將含水的沉積物帶入地函。