114 年 國立中央大學地球科學學系地球物理碩士班在職生《構造地質學》

本題主要探討地殼不同深度與不同應力狀態下，斷層作用所形成的斷層岩石種類、其所代表的地質環境，以及與地震活動的關聯。斷層岩石的種類與其形成環境，是反映地殼變形行為的重要指標。

斷層岩石種類與地質環境

斷層作用發生在不同深度、溫度、壓力及流體條件下，會產生不同特徵的斷層岩石。我們可以將地殼大致劃分為上部、中部與下部，並探討各部位的斷層岩石：

1. 上部地殼 (淺部、低溫高壓)：

   • 斷層泥 (Fault gouge)： 主要由細小的黏土礦物和碎屑組成，顆粒細小，無明顯的層理或結構。在高壓、低溫、含水條件下，岩石脆性破裂後，由於摩擦和研磨作用，原有礦物被粉碎成細粒，並可能發生水化作用形成黏土礦物。
   • 斷層角礫岩 (Fault breccia)： 由相對較大的、棱角狀的岩石碎塊組成，這些碎塊被細粒的基質（可能是斷層泥或砂泥）膠結。這是岩石在脆性斷裂帶中，因強烈的研磨和破碎作用形成的。
   • 地質環境與變形： 此深度範圍（約數公里至十餘公里）岩石呈現脆性變形為主。斷層作用常與地震活動密切相關，斷層的滑動或閉鎖再破裂，是造成淺源地震的主要原因。此區流體（水）的壓力對斷層的強度有顯著影響（有效應力）。

2. 中部地殼 (中深部、中溫中壓)：

   • 糜棱岩 (Mylonite)： 具有強烈的片理化（foliation）和線理（lineation）結構，礦物呈現變形、拉長、壓扁或旋轉的現象。這是岩石在延性變形條件下，經過長時間的應變累積，礦物發生動態重結晶（dynamic recrystallization）、流動變形（plastic flow）和碎裂（fracture）等作用的結果。
   • 地質環境與變形： 此深度範圍（約十餘公里至二十餘公里）岩石的變形行為介於脆性與延性之間，但延性變形（如流變）開始佔主導地位。斷層在此區域可能表現為糜棱帶（mylonitic zone），其活動較為漸進，較少引發強烈的地震，但可能與長時間的應變累積有關。

3. 下部地殼 (深部、高溫低壓或高溫高壓)：

   • 超糜棱岩 (Ultramylonite)： 糜棱岩的一種極端形式，原岩結構幾乎完全消失，呈現高度細粒化、均質化的層狀或葉狀

本題考查的是沉積構造（Primary Structures），這些構造形成於沉積物沉積或沉積後、固結成岩之前，是判斷岩層原始沉積方位（例如哪一面是頂部、哪一面是底部）的重要依據。

至少8種 Primary Structure 及其判斷層位上下之方法

Primary structures 指的是在地層形成過程中，由沉積物本身的物理、化學、生物作用所形成的構造，它們是判斷岩層原始方位（top/bottom facing）的關鍵線索。以下介紹八種常見的 primary structure：

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

   • 描述： 在厚層的沉積體（如砂岩）中，可以看到一系列傾斜的薄層。這些傾斜的薄層（laminae）相對於較大的沉積單元（bed）而言，傾角可達數十度。
   • 判斷層位： 在斜坡交錯層理（planar cross-bedding）或槽狀交錯層理（trough cross-bedding）中，傾斜層理的頂面（top surface）通常是沉積物堆積的結果，而底部（bottom surface）則是侵蝕面。因此，傾斜層理向哪個方向傾斜，該方向就是沉積的「前進」方向，而較平坦、較大的層面是其頂部。層理傾斜方向的下方（即向下堆積的那個方向）為岩層的頂部。
   • 形成機制： 通常由風或水流搬運沉積物，在移動的沙波（ripples）或沙丘（dunes）上堆積形成。

2. 波痕 (Ripples)：

   • 描述： 沉積物表面形成的微小起伏，有平行波痕（ripple marks）和斜紋波痕（current ripples）之分。
   • 判斷層位： 在斜紋波痕中，波峰（crests）和波谷（troughs）之間，波峰處的沉積物會被水流或風力 आगे 搬運，堆積在下一個波峰的前方。因此，波痕的迎風坡（windward side）或來流側（upcurrent side）通常較陡，而背風坡（leeward side）或背流側（downcurrent side）則較緩。在沉積物堆積後，較陡的一側（背風坡）是其頂部。
   • 形成機制： 由流體（風或水）流過沉積物表面時，引起底層顆粒的移動和堆積形成。

3. 泥裂 (Mud cracks / Desiccation cracks)：

   • 描述： 在富含黏土的沉積物（如泥岩、粉砂岩）因乾燥收縮而形成的裂縫。
   • 判斷層位： 泥裂通常呈現V字形，裂縫的開口朝向表面。在沉積物固結成岩後，上覆的沉積物會填充進這些裂縫。因此，裂縫的開口方向朝上，是岩層的頂部；裂縫的尖端朝下，是岩層的底部。
   • 形成機制： 沉積物（尤其是黏土）在暴露於空氣中乾燥時，因水分散失而收縮，產生應力並開裂。

4. 層狀沉積 (Laminations)：

   • 描述： 沉積物在細微尺度上呈現的平行或不平行的薄層結構。
   • 判斷層位： 在沉積物堆積過程中，不同成分、顆粒大小或顏色的層理，通常是自下而上依序堆積的。因此，連續的、平行的細紋理層理，其頂部通常較平整，而底部可能存在前一薄層的頂面。

本題考查的是變質岩中常見的兩種葉理構造：Crenulation cleavage 與 S-C fabric，需要理解其定義、形成機制及兩者間的差異。

Crenulation Cleavage

• 定義： Crenulation cleavage 是一種在已形成的主要變質葉理（如原有的 S1 或 S2 葉理）上，又疊加形成的微觀或亞微觀尺度的褶皺和劈理。它是在變質過程中，當岩石已經存在一個或多個主要的變質葉理（S面）時，又受到新的應力作用，導致原有的 S 面發生微褶皺，並在褶皺的兩翼或軸部形成新的、更細密的劈理（cleavage）。
• 形成機制： 主要是在較低的變質程度（低溫低壓）下，岩石受到應力作用，導致已存在的 S 面（如片理、層理）發生微褶皺。這些微褶皺的軸部或兩翼，可能因礦物的定向排列或壓扁，或因黏土礦物的定向生長，而形成新的、更細密的劈理。它代表了變質過程中的疊加變形（superposition of deformation）。
• 特徵： 表現為細密的平行或近平行線條，通常與原有的 S 面呈一角度。在顯微鏡下，可以看到礦物在褶皺的兩翼被重新定向或壓扁。

S-C Fabric

• 定義： S-C fabric 是一種在剪切帶（shear zone）中常見的、指示剪切方向的疊加葉理系統。它由兩組明顯不同的面系組成：
  • S 面 (S-plane)： 代表原有的或在剪切帶形成過程中早期形成的變質葉理，通常呈彎曲狀或波狀。
  • C 面 (C-plane)： 代表剪切帶內發育的剪切面，通常是較平直的、平行於剪切帶邊界的剪切面，礦物沿此面定向排列，指示剪切運動的方向。
• 形成機制： S-C fabric 主要在塑性剪切帶中形成，是岩石在單一方向的強烈剪切應力作用下，發生延性變形（塑性流動）的結果。在剪切過程中，原有的 S 面被拉長、彎曲，並向 C 面（剪切面）傾斜，同時新的 C 面沿著剪切應力的方向發育，並容納主要的剪切變形。
• 特徵： S 面和 C 面通常會形成一個銳角，且 S 面會被 C 面切割。C 面通常是主要的變形面，其法線方向指示了剪切帶的相對運動方向。

兩者之間的差異

| 特徵 | Crenulation Cleavage | S-C Fabric |

本題要求繪製摩爾-庫倫破壞準則圖，並解釋淺部地殼斷層的銳角成因以及有效應力的概念與影響。這是構造地質學中關於岩石力學與斷層形成的重要概念。

摩爾-庫倫破壞準則示意圖

摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）破壞準則是一個廣泛應用的岩石破壞模型，它描述了岩石在受到應力作用時，何時會發生破壞。該準則基於兩個主要概念：剪應力和正向應力。

圖示說明：

1. 摩爾圓 (Mohr Circle)： 在一個應力狀態下，我們可以繪製一個以平均應力 $(\sigma_1 + \sigma_3)/2$ 為圓心，以半徑 $(\sigma_1 - \sigma_3)/2$ 為半徑的圓。其中 $\sigma_1$ 是最大主應力，$\sigma_3$ 是最小主應力。圓上的點代表了作用在不同方向平面上的正向應力（橫坐標）和剪應力（縱坐標）。
2. 破壞包絡線 (Failure Envelope)： 這是由摩爾-庫倫準則定義的一條直線。當一個摩爾圓與破壞包絡線相切時，表示岩石達到破壞狀態。
   • 破壞包絡線的方程式： $\tau = c + \sigma_n \tan \phi$
     • $\tau$：作用在破壞面上的剪應力。
     • $c$：黏聚力 (cohesion)，表示在零正向應力下的剪切強度。
     • $\sigma_n$：作用在破壞面上的正向應力 (normal stress)。
     • $\phi$：內摩擦角 (angle of internal friction)，代表岩石顆粒間的摩擦強度。
   • 圖示： 破壞包絡線是一條與橫坐標（正向應力）有一定夾角 $\phi$ 的直線，並在縱坐標（剪應力）上有一個截距 $c$。
3. 共軛斷層 (Conjugate Faults)： 當摩爾圓與破壞包絡線相切時，切點所對應的應力狀態，決定了破壞發生的平面。在三軸壓縮試驗或淺部地殼的應力狀態下（$\sigma_1 > \sigma_2 > \sigma_3$），通常會有兩組共軛的破壞面，這兩組破壞面之間的夾角為 $2\alpha$，其中 $\alpha = 45^\circ + \phi/2$。這兩組破壞面就是共軛斷層。

示意圖繪製：

• 繪製一個坐標系，橫坐標為正向應力 $\sigma_n$，縱坐標為剪應力 $\tau$。
• 繪製一條直線，與橫坐標夾角為 $\phi$，與縱坐標的截距為 $c$。此即為破壞包絡線。
• 繪製一個摩爾圓，使其與破壞包絡線相切。
• 從圓心向切點畫一條半徑，該半徑與橫坐標的夾角為 $\alpha$。
• 標示出此時的 $\sigma_1$ (最大主應力) 和 $\sigma_3$ (最小主應力)。
• 說明共軛斷層面與 $\sigma_1$ 的夾角為 $\alpha = 45^\circ + \phi/2$。

🖼️【此處應繪製摩爾-庫倫破壞準則示意圖，包含坐標軸、破壞包絡線、摩爾圓、切點、內摩擦角 $\phi$、黏聚力 $c$、最大主應力 $\sigma_1$、最小主應力 $\sigma_3$ 以及共軛斷層面與 $\sigma_1$ 的夾角 $\alpha$。】

(1) 淺部地殼與三軸試驗中發育的共軛斷層組為何夾有銳角？

• 解釋： 在淺部地殼和典型的三軸壓縮試驗中，岩石主要承受壓縮應力狀態，其中最大主應力 ($\sigma_1$) 通常是垂直方向（重力），最小主應力 ($\sigma_3$) 則是水平方向。
• 根據摩爾-庫倫破壞準則，當岩石達到破壞極限時，會沿著兩組共軛的平面發生滑動，形成斷層。這兩組斷層面與最大主應力 ($\sigma_1$) 的夾角為 $\alpha = 45^\circ + \phi/2$。
• 銳角成因：
  • 內摩擦角 ($\phi$) 的影響： 大多數岩石的內摩擦角 $\phi$ 是大於 0 的。因此，$\alpha = 45^\circ + \phi/2$ 這個角度必然大於 $45^\circ$。
  • 兩斷層面夾角： 兩組共軛斷層面之間的夾角是 $2\alpha = 2(45^\circ + \phi/2) = 90^\circ + \phi$。
  • 為何是「銳角」？ 題目中的「銳角」通常是指斷層面與 $\sigma_1$ 的夾角 $\alpha$。由於 $\phi > 0$，$\alpha$ 必定大於 $45^\circ$。但如果題目指的是兩組斷層面之間的夾角 $2\alpha$，那這個夾角是鈍角（大於 $90^\circ$）。
  • 更精確的說法： 在壓縮狀態下，兩組共軛斷層面分別與 $\sigma_1$ 夾角為 $45^\circ + \phi/2$，與 $\sigma_3$ 夾角為 $45^\circ - \phi/2$。因此，兩組斷層面之間的夾角是 $2\alpha = 90^\circ + \phi$。

本題考查的是泥質岩石在變質作用過程中，隨著溫度、壓力及應變的增加，所經歷的韌性變形（延性變形）過程及其形成的變形組構（fabric）。這需要理解變質岩石學和構造地質學中關於變形機制的概念。

韌性變形組構的形成過程機制

泥質岩石（富含黏土礦物和細粒碎屑的沉積岩，如泥岩、頁岩）在變質作用和構造應力作用下，會經歷一系列的韌性變形。這些變形過程與溫度、壓力、流體、應變率以及岩石的礦物成分密切相關。隨著溫壓條件和應變的增加，泥質岩石會依序出現以下幾種韌性變形組構：

1. 壓實與定向（Compaction and Preferred Orientation）：

   • 環境： 早期、較低的溫壓條件，沉積後期或淺埋藏階段。
   • 機制： 沉積物在自身重力壓實作用下，顆粒間的孔隙被擠壓，黏土礦物（如伊利石、高嶺石）被壓扁，並傾向於沿著水平方向（與最大壓應力方向垂直）定向排列。這形成了一種初級的、微觀的定向結構。
   • 組構： 初始的層理（bedding）和微弱的礦物定向。

2. 黏土礦物轉變與形態變化（Clay Mineral Transformation and Morphological Changes）：

   • 環境： 隨著溫度和壓力升高，進入低級變質（如泥質板岩、千枚岩階段）。
   • 機制：
     • 水熱重結晶 (Hydrothermal recrystallization)： 黏土礦物（如伊利石、綠泥石）在孔隙水的參與下，發生化學轉變和重結晶。例如，高嶺石和伊利石可能轉變為雲母（Mica），如白雲母（muscovite）和黑雲母（biotite）。
     • 礦物定向： 新形成的雲母等片狀礦物，傾向於在應力場中定向排列，形成新的變質葉理（S面）。
   • 組構：
     • 板岩劈理 (Slaty cleavage)： 緊密排列的細小雲母等片狀礦物沿著一個優選平面（S面）定向，使得岩石能夠沿此平面劈開，形成光滑的劈理面。
     • 千枚岩光澤 (Phyllitic sheen)： 隨著雲母顆粒增大，劈理面會出現明顯的光澤，這是由較大的雲母片反射光線所致。

3. 微褶皺與 Crenulation Cleavage (Microfolding and Crenulation Cleavage)：

   • 環境： 變質程度進一步升高，或受到後期的應力疊加。
   • 機制： 已形成的變質葉理（S面）在新的應力作用下發生微褶皺。褶皺的軸部或兩翼，因礦物的重新定向、壓扁或黏土礦物的定向生長，形成更細密的劈理，即 crenulation cleavage。
   • 組構： 表現為明顯的微褶皺，褶皺的頂面和底面之間存在一個角度，並且在褶皺翼部可以看到較為細密的平行線條或片狀礦物的定向。

4. 糜棱岩化（Mylonitization）：

   • 環境： 較高的溫度、壓力條件，以及較強的剪切應力（例如在剪切帶中）。