115 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的生成機制與其對應的斷層產狀。斷層的形成與發展受到圍岩的應力狀態、溫度、壓力以及岩石的力學性質影響，這些因素會隨著埋藏深度的增加而改變。

1. 淺部地殼（低溫、低壓、脆性變形主導）：

   • 產狀：在此深度範圍內，岩石主要承受脆性變形，斷層呈現明顯的破裂面（fault plane）。常見的斷層類型包括正斷層（normal faults）、逆斷層（reverse faults）和走向滑移斷層（strike-slip faults）。斷層帶的厚度通常較薄，破裂面上的擦痕（slickensides）和階梯狀結構（step-downs/ups）能指示運動方向。
   • 成因：淺部地殼的岩石較冷且未受高度變質，其抗拉強度與抗壓強度相對較低，容易在外力作用下發生斷裂。當地殼受張力作用時，形成正斷層；受壓力作用時，形成逆斷層；受剪切作用時，形成走向滑移斷層。這些斷層通常是應力集中區域的結果。

2. 中深度地殼（溫度與壓力升高，介於脆-韌變形之間）：

   • 產狀：隨著深度增加，溫度和壓力升高，岩石的力學行為變得更加複雜，開始出現韌性變形的影響。斷層的表現可能從清晰的破裂面逐漸轉變為更寬、更瀰漫的斷層帶（fault zone）。斷層帶內可能包含碎裂岩（breccia）、糜棱岩（mylonite）的早期形態，以及塑性流動的產物。斷層面的運動可能伴隨有壓碎、研磨和一定的蠕變。

這三種褶皺模型（fault-bend folding, fault-propagation folding, trishear folding）都是用來解釋在逆衝斷層（thrust fault）系統中，如何產生褶皺，特別是與斷層運動相關的褶皺。它們描述了斷層在移動過程中，如何與上盤（hanging wall）的岩層相互作用，進而形成褶皺。

1. Fault-Bend Folding（斷層彎折褶皺）：

   • 概念：此模型假設逆衝斷層的斷層面本身並非單一平面，而是包含有不同傾角的段落。當斷層沿著傾斜的平面滑動時，會遇到傾角改變的彎折點（bend）。岩層被斷層拖曳上升，在斷層彎折處，上盤岩層會被壓縮，進而形成褶皺。
   • 過程：想像一個斷層面，它包含一個較平緩的段落，接著有一個傾角較陡的彎折，然後又回到一個較平緩的段落。當上盤岩層被向上滑動時，會先沿著平緩段移動。當它到達陡峭的彎折段時，由於斷層面傾角變大，但岩層試圖保持其原始的連續性，於是岩層在這裡被壓縮，形成一個緊閉的褶皺（通常是緊閉的背斜，anticline）。一旦岩層越過彎折點，又回到平緩的斷層面，褶皺的發展就停止了，形成一個「斷層彎折」的褶皺。
   • 特徵：這種褶皺通常是封閉的，褶皺軸（fold axis）與斷層的走向大致平行，褶皺的形態與斷層彎折的幾何形狀直接相關。

2. Fault-Propagation Folding（斷層延展褶皺）：

   • 概念：此模型假設逆衝斷層的斷裂面並非無限延伸，而是會終止在岩層內部。當斷層向前推進（propagation）時，它會帶動上盤岩層運動。由於斷層終止於岩層內部，上盤岩層的運動會在其前方堆積並被壓縮，形成褶皺。
   • 過程：斷層從一個點開始，沿著斷層面向前推進，但它最終會停止在岩層內部，形成一個斷層尖端（tip line）。當斷層向前推進時，其上盤岩層會被拖曳上升。在斷層尖端的前方，岩層受到壓縮，會開始彎曲形成褶皺。

本題旨在探討泥質岩石（argillaceous rocks）在不同變形和變質程度下的微觀結構（組構）和宏觀表現（產狀）。泥質岩石主要由黏土礦物、石英、長石、方解石等細粒礦物組成，其變形行為與礦物成分、溫度、壓力、流體等因素密切相關。

1. 淺度變形與變質（例如：沉積岩、壓實作用）

• 中視尺度（宏觀）：
  • 組構：岩石呈現層狀（laminated）或塊狀（massive）。礦物顆粒之間以接觸或微小孔隙分隔。黏土礦物呈現隨機或平行於沉積層理的排列。
  • 產狀：未經顯著變形，保持其沉積時的層理。可能發生壓實作用，導致孔隙度降低，岩石變密實，但結構上仍保留層理。
• 微觀尺度：
  • 組構：主要由微細的黏土礦物（如伊利石、綠泥石、高嶺石）、石英、長石顆粒組成。黏土礦物多呈片狀，排列相對雜亂或平行於層理。孔隙發育。
  • 產狀：未有明顯的變形特徵。

2. 中度變形與變質（例如：低級變質岩，如泥岩變成的板岩）

• 中視尺度（宏觀）：
  • 組構：發展出明顯的片理（foliation），最典型的是板理（slaty cleavage），使得岩石可以沿著特定平面劈開，形成薄片。這種片理通常與原始的沉積層理（bedding）不平行。
  • 產狀：形成板岩（slate）。板岩具有優良的劈開性，常被用作建材。
• 微觀尺度：
  • 組構：原來的黏土礦物轉變為低溫變質礦物，如黑雲母（biotite）、白雲母（muscovite）、綠泥石（chlorite）等。這些片狀礦物在變形過程中，沿著應力較小的方向定向排列，形成優勢的片理。石英和長石顆粒可能發生變形，出現應變影（undulose extinction）或邊緣侵蝕。
  • 產狀：礦物定向排列是形成板理的關鍵。

本題主要探討地質流體（尤其是孔隙水）對岩石力學行為，特別是其破壞準則的影響，並要求結合淺部地殼的摩爾-庫倫準則及中深部地殼的較高溫環境來闡述。

核心觀念：地質流體的存在，特別是孔隙水壓力（pore water pressure），會顯著影響岩石的強度和破壞模式。其主要機制是通過改變岩石的有效應力（effective stress）。

有效應力原理：由 Terzaghi 提出，有效應力 ($\sigma'$) 是總應力 ($\sigma$) 與孔隙水壓力 ($P_w$) 之間的差值，即 $\sigma' = \sigma - P_w$。岩石的力學強度（如抗剪強度）主要取決於有效應力，而不是總應力。孔隙水壓力越高，有效應力越小，岩石的強度也就越低。

(a) 淺部地殼的摩爾-庫倫破壞準則

• 摩爾-庫倫破壞準則（Mohr-Coulomb Failure Criterion）：

  • 這個準則描述了岩石在拉伸或壓縮狀態下，達到破壞時的應力條件。它將破壞視為剪切破壞，並與岩石的內聚力（cohesion, $c$）和內摩擦角（angle of internal friction, $\phi$）有關。
  • 在有效應力表示下，對於單軸壓縮（uniaxial compression）而言，破壞時的最大剪應力 ($\tau_f$) 與最大主應力 ($\sigma_1'$) 和最小主應力 ($\sigma_3'$) 的關係為：
    $\tau_f = c + \sigma_n' \tan\phi$
    其中 $\sigma_n'$ 是破壞面上垂直方向的有效應力。
  • 在主應力空間中，摩爾-庫倫準則表示為一條直線（或平面），當應力狀態達到此準則線時，岩石發生破壞。

• 地質流體（孔隙水壓力）的影響：

  • 在淺部地殼，岩石的孔隙中充滿了孔隙水。當孔隙水壓力 ($P_w$) 升高時，根據有效應力原理 ($\sigma' = \sigma - P_w$)，所有方向的有效應力都會降低。
  • 降低岩石強度：由於岩石的破壞強度與有效應力成正比（$\sigma_n' \tan\phi$），孔隙水壓力的升高會直接降低岩石的有效應力，進而降低其抗剪強度。這意味著，在相同的總應力作用下，高孔隙水壓力的岩石更容易達到破壞準則，發生斷層活動（如正斷層的形成）。
  • 誘發斷層活動：當孔隙水壓力足夠高，接近或等於圍岩壓力時（稱為「破裂壓力」或「靜水壓力」），有效應力會變得非常小，岩石幾乎失去強度，容易發生大規模的斷裂和滑動，形成斷層。這種現象在地震發生時尤為重要，流體滲入斷層帶會降低斷層的摩擦力，促使斷層滑動。

本題要求繪製並描述以琉球隱沒系統為代表的聚合性板塊邊緣（convergent plate boundary）的架構與主要大地構造元素。琉球隱沒系統是菲律賓海板塊向北西方向隱沒於歐亞板塊（或稱巽他板塊/中國板塊）之下的典型例子，屬於一個活動的弧-溝系統。

繪製說明：
由於無法直接繪圖，此處以文字描述架構，並建議考生在考卷上繪製示意圖。示意圖應包含從深部到淺部的主要構造，並標示清楚各個元素。

架構與大地構造元素描述：

一個典型的聚合性板塊邊緣，特別是俯衝帶（subduction zone），其架構從俯衝板塊的深部到碰撞板塊的淺部，包含一系列連續的構造單元。以琉球隱沒系統為例，從海溝向陸側延伸，主要構造元素包括：

1. 隱沒帶（Subduction Zone）：

   • 定義：這是兩個板塊相互碰撞、其中一個板塊（通常是較老、較冷的海洋板塊）向下俯衝到另一個板塊之下的區域。
   • 琉球系統：菲律賓海板塊（海洋板塊）在此向北西方向俯衝於歐亞板塊（陸殼或較年輕的海洋板塊）之下。

2. 海溝（Oceanic Trench）：

   • 定義：在俯衝帶的迎俯衝側，俯衝的海洋板塊形成一個狹長、深邃的海底凹陷。
   • 琉球系統：位於菲律賓海板塊俯衝的邊緣，例如琉球海溝（Ryukyu Trench）。這是俯衝作用最直接的地表表現。

3. 楔狀體/前緣地殼（Accretionary Wedge / Forearc Basin）：

   • 定義：在海溝的陸側，俯衝的海洋板塊會將其攜帶的沉積物、以及被刮下來的海洋地殼碎片，堆積在碰撞板塊的邊緣，形成一個向海側傾斜的楔狀構造。有時在楔狀體與火山弧之間存在一個前緣盆地。
   • 琉球系統：琉球海溝的陸側是琉球弧的前緣，有明顯的沉積物堆積和淺層逆衝斷層活動。

4. 火山弧（Volcanic Arc）：

   • 定義：當俯衝的海洋板塊下降到足夠深度時，其上的水會被釋放出來，降低上覆地幔楔（mantle wedge）的熔點，導致地幔部分熔融，形成岩漿。這些岩漿上升並噴發到碰撞板塊的表面，形成一列火山。