115 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》

本題主要在探討蛇綠岩系的組成、形成機制以及其在地質作用下的抬升出露過程。蛇綠岩系是研究板塊構造和早期地球歷史的重要線索。

核心觀念：
蛇綠岩系代表了海洋地殼及其上覆地幔的部分，其形成與大洋中脊的擴張作用密切相關。蛇綠岩的抬升出露則與板塊碰撞、造山運動等構造過程有關。

詳解：

1. 蛇綠岩系的主要組成岩石與物質種類：
   蛇綠岩系（Ophiolite）是上覆地幔楔（Peridotite）之上，由一系列海底沉積物、火山岩、岩脈、岩床以及超基性岩石組成的岩石組合。其標準的垂直序列，從上到下依序為：

   • 上覆沉積物 (Pelagic Sediments)： 通常是薄層的放射蟲燧石、深海黏土、碳酸鹽沉積物（如紅土、白堊、頁岩等）。
   • 枕狀熔岩 (Pillow Lavas)： 主要為玄武岩，是海底火山噴發的產物，因岩漿在水中快速冷卻而形成枕狀外觀。
   • 岩牆群 (Dike Swarms)： 垂直或近垂直的細長岩脈，主要成分為輝綠岩（Diabase），代表了曾經存在的岩漿通道，為上覆熔岩提供岩漿。
   • 輝長岩岩床 (Gabbroic Plutons)： 具有粒狀結構的基性侵入岩，代表了曾經位於岩漿房中的岩漿冷卻結晶產物。
   • 變質上幔岩 (Metamorphosed Upper Mantle Rocks)： 主要為方輝橄欖岩（Harzburgite）和二輝橄欖岩（Lherzolite），是地幔的組成部分，通常呈蛇紋石化（Serpentinization）的變質狀態。

2. 蛇綠岩系在板塊構造作用下的抬升出露條件：
   蛇綠岩系形成於活躍的大洋中脊（Mid-ocean Ridge）或弧前盆地（Back-arc Basin）的擴張環境，代表了新生代的海洋地殼。

本題旨在探討岩漿生成的主要控制因素，以及依據 SiO2 含量對不同類型岩漿的分類與特徵比較。這是岩石學中的基礎概念。

核心觀念：
岩漿生成主要受溫度、壓力、揮發份（如水）及岩石成分影響。岩漿依 SiO2 含量可分為超基性、基性、中性及酸性岩漿，其物理性質（如黏滯度、噴發方式）及礦物成分有顯著差異。

詳解：

1. 控制岩漿生成的主要因素：
   岩漿的生成（部分熔融）是固體岩石在高溫高壓下達到熔點而形成的熔融體。其生成主要受以下四個因素控制：

   • 溫度 (Temperature)： 溫度是岩漿生成最直接的因素。當溫度升高至岩石的熔點以上時，岩石便開始熔融。地溫梯度、地幔柱（Mantle Plume）或地殼局部熱源的影響都會導致局部溫度的升高。
   • 壓力 (Pressure)： 壓力對岩石的熔點有顯著影響。
     • 靜岩壓力 (Lithostatic Pressure)： 隨著埋深的增加，靜岩壓力增大。對於大多數岩石，壓力增大會提高其熔點（如 SiO2 系統）。
     • 減壓熔融 (Decompression Melting)： 然而，在地幔中，由於揮發份（水）的含量很低，其熔點隨壓力減小而降低。因此，當岩石（如地幔楔）因地殼抬升或對流上升而減壓時，即使溫度不變，也可能發生熔融，這是洋中脊和熱點火山活動的主要岩漿來源。
   • 揮發份 (Volatiles)： 主要指水 (H₂O) 和二氧化碳 (CO₂)。揮發份的加入能顯著降低岩石的熔點。
     • 水： 在地殼和上地幔的溫度範圍內，水的存在可以大幅降低常見岩石（如玄武岩、花崗岩）的熔點，甚至低於沒有水的條件。這也是俯衝帶火山活動（島弧火山）產生大量岩漿的重要原因，因為俯衝的海洋板塊會釋放出結合水。
     • 二氧化碳： 在高壓、無水的地幔深部，CO₂ 的加入也能降低熔點，但其作用不如水顯著。
   • 岩石成分 (Rock Composition)： 不同礦物有不同的熔點。岩石的整體化學成分決定了其熔融的難易程度。例如，富含石英（SiO₂）的岩石相較於富含鎂鐵的岩石，在相同溫度下更容易部分熔融，且熔融體中 SiO₂ 含量會相對富集。

2. 依 SiO₂ 含量分類及比較岩漿特徵：
   岩漿依其 SiO₂ 含量通常可分為四類，其物理性質（黏滯度、氣體溶解度）及噴發方式、所形成的岩石類型有顯著差異：

   | 分類 | SiO₂ 含量 (%) | 主要成分 | 密度 (g/cm³) | 黏滯度 (Viscosity) | 氣體溶解度 | 噴發方式 | 主要岩石類型 |

本題主要探討區域變質作用中，以黏土礦物為主要成分的沉積岩（泥岩、頁岩）在變質度（Prograde Metamorphism）逐漸增強過程中所經歷的礦物組合和組織變化。這是區域變質岩石學的核心內容。

核心觀念：
區域變質作用是溫度和壓力共同作用的結果。隨著變質度的升高，原岩中的黏土礦物會發生脫水反應，轉變為更穩定的高溫、高壓礦物，同時岩石的變質組織（如片理）也會逐漸發育。

詳解：

以富含黏土礦物（如伊利石、綠泥石、高嶺石）的沉積岩（如泥岩、頁岩）為例，在區域變質作用的條件下，隨著溫度和壓力的逐步升高（變質度增加），其礦物組合和組織會發生一系列演化：

1. 低度變質 (Low-grade Metamorphism)：

   • 溫度範圍： 約 200-350°C
   • 壓力範圍： 中等至高壓
   • 主要礦物組合：
     • 原有的黏土礦物（如伊利石、綠泥石）仍然存在，但可能開始發生細微的化學變化。
     • 開始形成一些新的變質礦物，如氯代閃石 (Chlorite)、白雲母 (Muscovite)（通常是較小的片狀）。
     • 可能出現石英 (Quartz) 和長石 (Feldspar)（如鈉長石）。
   • 主要組織：
     • 板岩 (Slate)： 這是泥岩或頁岩在低度變質下形成的典型岩石。其特徵是具有極佳的劈理（Slaty Cleavage），可以沿著薄片狀的變質礦物（主要是白雲母和綠泥石）的定向排列被輕易地劈開。這種劈理是疊瓦狀排列的片狀礦物在外加壓力作用下定向排列形成的，與原岩的層理（Sedimentary Bedding）通常呈斜交。
   • 演化過程： 原有的黏土礦物在溫度壓力升高時，開始脫水並重結晶，形成更為有序的白雲母和綠泥石。

2. 中度變質 (Medium-grade Metamorphism)：

   • 溫度範圍： 約 350-500°C
   • 壓力範圍： 中等至高壓
   • 主要礦物組合：
     • 綠泥石 (Chlorite) 開始分解，並與其他組分反應生成石榴子石 (Garnet) 或紅簾石 (Epidote)（在中低壓條件下）。
     • 白雲母 (Muscovite) 的尺寸和數量增加，排列更為規整。
     • 斜長石 (Plagioclase) 開始形成。
     • 在較高壓力下，可能出現藍閃石 (Glaucophane)（藍閃石相）。
     • 黑雲母 (Biotite) 開始形成，這是中度變質的重要指標礦物。
   • 主要組織：
     • 千枚岩 (Phyllite)： 這是板岩變質度進一步升高後的產物。

本題旨在比較海洋地殼與大陸地殼的差異，並探討這些差異所造成的地質意義。這是地球科學中關於地殼結構與演化的基本概念。

核心觀念：
海洋地殼與大陸地殼在形成過程、物質組成、物理性質及演化歷史上存在根本性差異，這些差異決定了它們在地質構造、板塊運動和地球表面形態上的不同表現。

詳解：

本題旨在探討喀斯特地形（Karst Topography）在不同發育階段（幼年期、壯年期、老年期）所呈現的地表與地下特徵。這是地貌學中關於喀斯特作用的經典問題。

核心觀念：
喀斯特地形是由可溶性岩石（主要是碳酸鹽岩，如石灰岩）受水（含有 CO₂ 形成弱酸）溶蝕作用而形成的。其發育過程是一個從初步溶蝕到複雜地貌系統形成，最終可能被填埋或被其他地貌取代的演化過程。

詳解：

喀斯特地形的發育過程可大致分為幼年期、壯年期和老年期三個階段：

1. 幼年期 (Youthful Stage)：

   • 特徵： 溶蝕作用剛剛開始，地表形態變化不大，但地下系統開始發育。
   • 地表地形特徵：
     • 溶蝕痕跡 (Solution Features)： 地表岩石表面可能出現一些微小的溶蝕凹坑（如溶蝕杯，solution pits）、溝槽（如石灰岩皺紋，lapies/rillenkarren）。
     • 初期落水洞 (Early Sinkholes/Dolines)： 較小的、淺的、圓形的洼地可能開始出現，這是地表水匯集並開始向下滲漏溶蝕的結果。
     • 原有的地貌形態仍明顯： 如河流、山丘等，尚未被喀斯特特徵所主導。
   • 地下地形特徵：
     • 初期裂隙溶洞 (Initial Cave Passages)： 沿著岩石中的裂隙和節理，地下水開始進行溶蝕，形成狹窄的垂直或水平的裂隙型溶洞。
     • 地下水流通道： 地表水開始匯入裂隙，形成初期的地下水流通道。

2. 壯年期 (Mature Stage)：

   • 特徵： 溶蝕作用活躍，地下系統發育成熟，地表形態也發生顯著改變，喀斯特特徵成為主導。
   • 地表地形特徵：
     • 大型落水洞 (Sinkholes/Dolines)： 數量眾多且規模巨大，形態多樣，有碗狀、漏斗狀、圓筒狀等。這是喀斯特地貌最典型的特徵，代表了地下溶洞頂部坍塌或地下水沿著較大裂隙溶蝕擴大所致。
     • 地下河 (Underground Rivers)： 地表河流消失，轉而在地下流動，形成複雜的地下河網絡。
     • 喀斯特平原 (Karst Plain)： 在落水洞密集、地表水消失的地區，形成廣闊的平坦或微起伏的喀斯特平原。

本題旨在探討沙漠的氣候定義、成因，解釋其在南北緯 30° 附近聚集的原因，並說明雨影沙漠的形成機制。這是氣候學和地貌學中的重要概念。

核心觀念：
沙漠是極度乾旱的地區，降水量遠少於蒸發量。其形成與全球大氣環流、副熱帶高壓帶、海陸分布、地形以及洋流等因素密切相關。

詳解：

1. 從氣候觀點定義沙漠：
   從氣候學角度看，沙漠是指年平均降水量極少，且蒸發量遠大於降水量的地區。通常，年降水量低於 250 毫米（或 10 英寸）的地區被視為沙漠。更重要的是，這些地區的潛在蒸發量（Potential Evapotranspiration, PET）遠高於實際降水量，導致土壤和地表水嚴重匱乏，植被稀疏或缺乏。

2. 沙漠形成的氣候條件：
   沙漠的形成通常與以下一種或多種氣候條件有關：

   • 副熱帶高壓帶控制 (Subtropical High-Pressure Belts)： 在南北緯約 30° 附近，存在穩定的副熱帶高壓帶。在高壓帶中，空氣下沉，絕熱增溫，空氣的相對濕度降低，雲量稀少，降水不易形成。這是全球最大面積沙漠（如撒哈拉沙漠、阿拉伯沙漠、澳大利亞中部沙漠）的主要成因。
   • 大陸內部（遠離海洋）(Continentality)： 位於大陸深處的地區，距離海洋遙遠，來自海洋的水汽難以到達，導致降水稀少。例如，中亞的沙漠。
   • 寒流影響 (Cold Ocean Currents)： 在大陸西岸，若有強烈的寒流經過，會使近海的空氣降溫。當暖濕的海洋空氣遇到寒冷的洋面時，會產生霧，但空氣的穩定性很高，不易形成對流和降水。這些地區雖然有來自海洋的水汽，但卻形成海岸沙漠，如秘魯沿岸的阿塔卡馬沙漠、非洲西南部的納米比沙漠。
   • 地形阻擋（雨影效應）(Rain Shadow Effect)： 山脈阻擋了濕潤氣流，濕氣被抬升遇冷凝結形成降水，背風坡的空氣下沉增溫，變得乾燥，形成「雨影沙漠」。
   • 極地地區 (Polar Regions)： 雖然極地地區寒冷，但空氣中的水汽含量極低，降水量也非常少，屬於寒漠（Polar Desert），如南極洲和北極部分地區。