114 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》

本題旨在探討構造地質學在實際工程與資源探勘上的應用。構造地質學研究岩石在地殼變動中所產生的變形，包括褶皺、斷層、節理等。這些構造不僅影響地表地形，更與地下資源的分布、工程建設的穩定性息息相關。

以下列舉構造地質學在實務上的幾個主要應用面向：

1. 石油與天然氣探勘：

   • 圈閉構造的形成：油氣的儲集需要特定的地質構造（圈閉）來阻止其向上逸散。構造地質學家透過分析區域的地質構造，如背斜構造 (anticlines)、斷層封閉 (fault traps) 或地層不整合 (unconformities)，來預測油氣可能儲集的區域。例如，一個良好的背斜構造，其頂部通常會聚集油氣。
   • 斷層對油氣分布的影響：斷層可能作為油氣運移的通道，也可能成為封閉體。了解斷層的性質（例如，是否為封閉性斷層）對於評估儲層的有效性至關重要。

2. 地下水資源探勘與管理：

   • 含水層的連通性：節理、斷層等構造裂隙是地下水滲流的重要通道。構造分析有助於了解不同含水層之間的連通性，評估地下水補給和排泄途徑，對於地下水資源的開發與管理（如規劃抽水井位置、預測地下水流動方向）至關重要。
   • 污染物的擴散：污染物質也可能沿著構造裂隙擴散，因此了解構造對地下水流動的影響，對於地下水污染防治和修復工作具有指導意義。

3. 礦產資源探勘：

   • 礦脈的形成與分布：許多金屬礦床（如金、銀、銅、鉛、鋅等）常與特定的構造環境有關，例如與斷層帶、褶皺軸部或岩漿侵入體相關。構造分析可以幫助鎖定礦脈可能產生的區域和延伸方向。

本題主要考查岩石在不同應力狀態下所表現出的脆性變形與韌性變形行為，以及其對應的應力-應變曲線特徵與地質意義。

核心觀念：岩石的變形行為受應力大小、應變速率、溫度、壓力及岩石本身的性質（如成分、結構、孔隙度）等因素的影響。在高溫、高壓、低應變速率下，岩石傾向於表現韌性變形；在低溫、低壓、高應變速率下，岩石傾向於表現脆性變形。

繪製應力-應變曲線：
縱軸為軸差應力 $\sigma_1 - \sigma_3$ (differential stress)，橫軸為軸向應變 $\epsilon_1$ (axial strain)。

1. 脆性變形 (Brittle Deformation)

   • 繪圖：
     • 從原點開始，應力與應變大致呈線性關係，代表彈性變形階段。
     • 達到彈性極限後，應力繼續增加，應變增加的幅度可能變大，但仍相對線性。
     • 最終達到強度極限 (peak strength)，應力達到最大值。
     • 超過強度極限後，應力迅速下降，應變急劇增加，此為破壞階段，最終形成斷裂（如節理、斷層）。
   • 曲線特徵：
     • 初始階段為彈性變形。
     • 在達到最大應力點（強度極限）後，發生突然的強度下降，直至完全破壞（斷裂）。
     • 應變量通常較小。
   • 意義：
     • 描述了岩石在相對低溫、低壓條件下的行為。
     • 斷裂是主要的變形機制，例如形成節理 (joints) 或斷層 (faults)。
     • 在地表附近或淺層地殼中常見。

2. 韌性變形 (Ductile Deformation)

   • 繪圖：
     • 從原點開始，應力與應變同樣大致呈線性關係，代表彈性變形階段。
     • 達到彈性極限後，應力繼續增加，但曲線變得越來越平緩，應變增加幅度較大，且應力仍能持續增加（或在達到極大值後緩慢下降）。

本題要求繪製並標示Z型、S型及M型寄生褶皺在一個背斜構造中的相對位置。這需要理解寄生褶皺的形成機制及其在宏觀構造（如背斜）上的空間分布規律。

核心觀念：
寄生褶皺 (Parasitic folds) 是指在較大的褶皺（主體褶皺，如背斜或向斜）的兩翼（limbs）上，由於應力集中或岩性差異等因素而形成的較小褶皺。它們的形態、走向和傾向上通常與主體褶皺有特定的關係。

• 背斜 (Anticline)：一個向上彎曲的褶皺，兩翼向外傾斜。
• 寄生褶皺的類型：
  • Z型褶皺：從平面上看，其形態類似英文字母「Z」。在背斜兩翼上，Z型褶皺通常與主體褶皺的傾動方向（plunge）有關。
  • S型褶皺：從平面上看，其形態類似英文字母「S」。
  • M型褶皺：從平面上看，其形態類似英文字母「M」。M型褶皺通常是由兩個相鄰的S型或Z型褶皺組合而成，或者是在同一側產生反向彎曲。

繪製示意圖：
我們需要繪製一個典型的背斜構造，然後在其兩翼上繪製出Z型、S型和M型寄生褶皺。繪製時需注意以下幾點：

1. 主體背斜：繪製一個向上彎曲的圓弧作為背斜的軸部，兩側的岩層向外（向下）傾斜。
2. 寄生褶皺的相對位置：
   • Z型褶皺：在背斜的右翼（從頂部向下看，右側的岩層），Z型褶皺的軸部通常與背斜的傾動方向（如果存在）有一定的夾角，且其彎曲方向與主體背斜的彎曲方向相反。更精確地說，在背斜的右翼，Z型褶皺的頂部（凸起）朝向與主體背斜軸部相同的方向（假設是向右傾斜），但整個褶皺的形態是「Z」字形。
   • S型褶皺：在背斜的左翼（從頂部向下看，左側的岩層），S型褶皺的軸部通常也與主體褶皺的傾動方向有關。在背斜的左翼，S型褶皺的頂部（凸起）朝向與主體背斜軸部相同的方向（假設是向右傾斜），但整個褶皺的形態是「S」字形。
   • M型褶皺：M型褶皺通常出現在同一翼上，可能是在Z型或S型褶皺的基礎上，進一步產生反向彎曲，形成一個「M」的形狀，或者是在一個較大的褶皺內部產生兩個較小的、反向彎曲的褶皺。在背斜的兩翼上，M型褶皺可以看作是兩個相鄰的、方向相反的彎曲。

繪圖步驟與示意：

假設我們繪製一個從左到右傾斜的背斜。

• 主體背斜：繪製一個向上拱起的弧形，兩翼向右下方傾斜。
• 右翼上的寄生褶皺：
  • Z型：在右翼的岩層上，繪製一個小褶皺，其軸部與背斜軸部大致平行，但其彎曲方向在平面投影上形成Z字形。例如，如果背斜軸部向右傾斜，則Z型褶皺的開放方向（或凸起方向）也大致向右，但其內部有反向彎曲。
  • M型：在右翼上，可以繪製一個更複雜的褶皺，或者在Z型褶皺的基礎上，再加入一個反向彎曲，形成M的形狀。例如，一個小波峰後跟一個小波谷，再跟一個小波峰。

本題考查對新鮮節理表面特徵的理解及其所蘊含的地質資訊。節理是岩石中常見的無充填的張性裂隙，其表面的特徵能夠提供形成節理的應力狀態、作用時間、甚至可能的地質歷史。

核心觀念：
節理 (Joints) 是岩石中由於應力作用而產生的、沒有明顯相對滑移的張性裂隙。新鮮的節理面是指未經風化、侵蝕或後續沉積物充填的節理表面。

新鮮節理面上的特徵：

1. 光滑度 (Smoothness)：

   • 特徵：節理面通常相對光滑，因為它們主要由張力作用產生，沒有大規模的剪切滑移。
   • 意涵：表明節理形成時，作用的應力場以張力為主，且節理形成後，其相對兩側沒有發生顯著的剪切運動。

2. 應力痕跡 (Stress-related features)：

   • 張力裂痕 (Tension gashes / Wing cracks)：在節理的尖端或邊緣，常會發育出與主節理方向略有夾角的小型張性裂痕。這些裂痕的形態和方向可以指示形成節理時的局部應力方向。
   • 壓力脊 (Pressure ridges)：在某些節理面上，可能可以看到一些微小的、平行的脊狀突起，它們的形成與應力集中和張力擴張有關。
   • 放射狀節理 (Plumose structure / Feather fractures)：在一些節理面上，尤其是砂岩等較均質的岩石中，可以看到從節理起始點（origin）向外輻射延伸的微細紋路，類似羽毛的紋路。這指示了張力應力擴張的方向。
   • 起始點 (Origin)：節理的形成通常有一個起始點，從這個點開始張力應力擴張，形成節理面。有時可以在節理面上找到這個起始點的痕跡。

3. 平整度與彎曲度 (Planarity and Curvature)：

本題要求解釋五個構造地質學名詞。這些名詞代表了岩石變形過程中不同類型的結構或特徵。

核心觀念：
構造地質學研究岩石變形，理解這些名詞是描述和分析地質構造的基礎。

(a) 葉理 (Foliation)

• 定義：葉理是一種在變質岩和某些沉積岩中常見的、岩石內部礦物或結構呈線狀或片狀排列的現象，使其具有一種或多種定向的平面或線理。
• 形成機制：主要是在變質作用過程中，定向壓力（應力）作用下，新生的或原有礦物（如雲母、角閃石）沿著特定的方向定向排列（定向生長），或原有礦物受壓變形、重結晶、溶解-沉澱等作用形成。在沉積岩中，平行層理的沉積物可能因後期壓力作用而產生初步的葉理。
• 種類：常見的葉理包括片理 (schistosity)、片麻理 (gneissic banding)、板狀構造 (slaty cleavage) 等。
• 地質意義：葉理指示了變質作用時的應力方向和應變歷史，是研究變質岩形成環境和構造演化的重要指標。

(b) 縫合線 (Stylolites)

• 定義：縫合線是沉積岩（特別是碳酸鹽岩，如石灰岩、白雲岩）表面出現的鋸齒狀、相互嵌合的線條或帶。
• 形成機制：主要是在埋藏過程中，由於圍壓作用，岩石中的可溶性成分（如碳酸鈣）在壓力較大的點（如顆粒接觸處）發生溶解，並在壓力較小的區域（如溶解的空隙）重新沉澱。這個溶解-沉澱的過程導致岩石表面形成凹凸相互嵌合的縫合線。
• 特徵：通常呈現鋸齒狀、犬齒狀或波紋狀，並可能伴隨有暗色的黏土或有機質殘留物。
• 地質意義：縫合線指示了岩石在埋藏過程中經歷了壓力溶解作用，反映了圍壓的大小和溶解-沉澱的過程。它們也可能影響岩石的滲透性。

(c) 變形條帶 (Deformation bands)

• 定義：變形條帶是砂岩及其他鬆散或半固結沉積物中，由細粒物質（通常是砂粒磨損後產生的細沙和粉砂）聚集而成的、與節理或斷層相關的狹窄帶狀區域。

本題為典型的構造地質學立體投影（Wulff net 或 Schmidt net）應用題，要求根據給定的傾角、走向和擦痕線的傾角、走向，在下半球投影面上繪製斷層面、擦痕線和岩層極點，並標示出它們的相對位置。

核心觀念：

• 立體投影 (Stereographic Projection)：一種將三維空間的平面、線、點等幾何元素投影到一個球面上，再將球面上的圖形轉換到一個二維平面上的方法，常用於表示地質構造的空間方位。下半球投影常用於表示地層、斷層、節理等的位態。
• 位態 (Attitude)：用走向 (strike) 和傾角 (dip) 及傾斜方向 (dip direction) 來描述平面。
• 走向 (Strike)：水平線與平面相交的方位。
• 傾角 (Dip)：平面與水平面之間的最小夾角。
• 傾斜方向 (Dip Direction)：平面垂直於走向線向下傾斜的方位。
• 極點 (Pole)：垂直於某一平面（如地層面）的直線與投影球面的交點。極點的位態與原平面的位態有轉換關係。
• 大圓 (Great Circle)：投影面上表示平面（如斷層面）的線，其圓心與投影球心重合。
• 擦痕線 (Slickenlines)：斷層面上指示斷層運動方向的線條。其位態由其走向和傾角（或稱側傾角 pitch）描述。
• 側傾角 (Pitch)：擦痕線相對於斷層面水平方向（走向）的傾角。

題目數據整理：

1. 露頭岩層位態：

   • 走向 (Strike): N-S (南北走向)
   • 傾角 (Dip): 10°
   • 傾斜方向 (Dip Direction): E (向東傾斜)
   • 要求：表示為極點 (pole)。

2. 斷層面位態：

   • 走向 (Strike): N60°E (北偏東60度，即 E60°N，或 S60°W，或 W60°S)
   • 傾角 (Dip): 60°
   • 傾斜方向 (Dip Direction): S (向南傾斜)。由於走向是 N60°E，向南傾斜意味著斷層面朝向 SW 方向傾斜，這與 S60°W 的走向配合。
   • 要求：表示為大圓 (great circle)。

3. 擦痕線位態：

   • 位於斷層面上
   • 側傾角 (Pitch): 30°
   • 方向: 向西南 (SW)
   • 要求：標示在斷層面的大圓上。

繪製步驟：

第一步：準備投影圖

• 繪製一個標準的下半球立體投影圖（Wulff net）。
• 標示出基本方位：N, S, E, W，以及 NE, NW, SE, SW。
• 標示出刻度，方便讀取角度。

第二步：繪製岩層極點 (Pole of bedding)

• 岩層位態：N-S 走向，10° 向東傾斜。
• 轉換關係：一個平面的極點的走向與平面走向垂直，傾角為 90° - 原平面傾角。
• 計算極點位態：
  • 原平面走向 N-S，則極點的走向為 E-W。
  • 原平面傾角 10° 向東，則極點的傾角為 $90° - 10° = 80°$。
  • 由於原平面向東傾斜，其法線（極點）應指向與東方相反的方向，即西方。或者更精確地說，極點的傾斜方向與原平面極點的走向相交，且極點的傾斜方向指向原平面法線的「上方」或「下方」。
  • 更簡單的理解：若原平面走向為 X，傾角為 D，則極點的走向為 X+90°，傾角為 90°-D。如果原平面向東傾斜，其法線（極點）的方位角將在 E-W 方向上，且其傾斜方向是指向與原平面傾斜方向相反的一側。
  • 精確計算：如果岩層走向為 N-S，傾角為 10°E。則其走向線為 E-W 方向。極點的走向就是 E-W。極點的傾角為 $90° - 10° = 80°$。由於原平面向東傾斜，其法向量 (極點) 的傾斜方向是向西的。所以極點的位態是：走向 E-W，傾角 80° 向西。
• 繪製：在投影圖上找到 E-W 方向，然後沿著 E-W 方向，向西量取 80° 的位置，標記為一個點，記為 P_bedding。

第三步：繪製斷層面的大圓 (Great Circle for fault plane)

• 斷層面位態：走向 N60°E，傾角 60° 向南。
• 轉換關係：斷層面的大圓就是表示斷層面本身的。
• 繪製：

  • 先找到走向 N60°E。這條線在投影圖上就是斷層面的走向。

  • 然後找到相對於走向線向下傾斜 60° 的位置。

  • 一個簡單的方法是：找到走向 N60°E 和 S60°W 的線。向南傾斜 60°，意味著其傾斜方向是 S。

  • 在 Wulff net 上，找到走向 N60°E。然後確定其傾斜方向為 S。在 Wulff net 上，找到走向 N60°E 的線，並找到其在 S 方向上，距離走向線 60° 的點。

  • 更標準的方法：

    1. 找到走向 N60°E。
    2. 找到其垂直方向，即 N30°W 和 S30°E。
    3. 在 Wulff net 上，找到走向 N60°E 的線。
    4. 找到其傾斜方向 S。
    5. 在 S 方向上，從走向線向下量取 60°。
    6. 繪製通過此點且具有正確走向的大圓。

  • 簡便繪法 (利用走向和傾角)：

    1. 確定走向 N60°E。
    2. 找到與走向 N60°E 垂直的兩個方向，即 N30°W 和 S30°E。
    3. 在 Wulff net 上，找到走向 N60°E 的線。