115 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》

構造地質學（Structural geology）是地質學的一個分支，主要研究地殼岩石的變形過程及其產生的各種地質構造。這些構造是岩石在應力作用下發生形變的結果，包括褶皺（folds）、斷層（faults）、節理（joints）、劈理（cleavage）以及其他各種岩石變形現象。

構造地質學的研究內容主要包括：

1. 應力與應變（Stress and Strain）: 研究作用在岩石上的內在力量（應力）以及由應力引起的岩石形狀或體積的改變（應變）。這包括彈性、塑性、脆性變形等。
2. 地質構造的描述與分類: 詳細描述各種地質構造的外觀、幾何形態、產狀（走向、傾角、傾斜方向等），並對其進行分類。

這題主要考驗對節理與劈理基本定義的理解，以及在實際地質觀察中如何區分它們，並從中解讀地質歷史。

定義節理(joint)及劈理(cleavage)? (6分)

• 節理 (Joint)：節理是指岩石中出現的裂隙，但裂隙的兩側岩塊沒有明顯的相對移動。節理通常是岩石在應力作用下發生脆性破壞的結果，例如張力或剪切應力。它們可以獨立存在，也可以與斷層、褶皺等其他構造同時出現。節理的空間分布通常較為規律，可能呈平行排列或相互交叉。

• 劈理 (Cleavage)：劈理是一種在變質岩（特別是泥質岩，如板岩、千枚岩、片岩）中發展出來的，近乎平面的，平行於岩石內微小礦物（如雲母、綠泥石）的定向排列，或是平行於層理的薄層狀構造。劈理的形成與岩石在壓力作用下的塑性變形有關，通常與區域變質作用和構造變形同時發生。劈理代表了岩石在變形過程中形成的一種新的擇優解理面，通常與最大的應力方向（σ1）或最小的應力方向（σ3）的垂直方向大致平行。

當兩種構造同時出現在板岩露頭時,如何分辦?(4分)

在板岩露頭中區分節理與劈理，可以從以下幾個方面進行觀察：

1. 空間關係與形態:
   • 劈理：通常呈現出非常規律、緊密且近乎平行的層狀或片狀劈開面，使得板岩容易沿這些面片狀剝落。劈理面上的礦物（如雲母、綠泥石）通常有明顯的定向排列，用手觸摸時可能感覺到一定的光滑度。劈理的產狀（走向、傾角）通常與岩石的褶皺軸面或區域變質帶的走向、傾角大致平行。
   • 節理：通常是明顯的裂隙，裂隙兩側岩塊沒有相對滑動的證據（或移動非常微小）。節理面的形態可能不規則，或者呈網狀、平行狀分布，但其間距通常比劈理大，且裂隙面可能較粗糙，沒有明顯的礦物定向排列。

本題主要考查斷層岩的定義、種類以及根據產狀進行分類的方法。

說明斷層岩(fault rocks)? (5分)

斷層岩（Fault rocks）是指在斷層帶內，由於斷層運動過程中岩石遭受強烈擠壓、研磨、破碎、膠結等作用而形成的特殊岩石類型。這些岩石的形成與斷層兩盤的相對運動密切相關，其物質成分、結構、紋理都反映了斷層的活動歷史。斷層岩不僅是斷層存在的證據，其本身的特徵也提供了關於斷層運動方式（如剪切、擠壓、張力）、運動強度、斷層帶的溫度壓力條件等重要信息。

根據產狀如何分類?(10分)

斷層岩的分類可以根據其形成時的物理狀態（如流動性、膠結程度）以及在斷層帶中的空間分布和形態來進行。一種常見的分類方式如下：

1. 碎裂岩 (Breccia)：

   • 形成: 由岩石在斷層帶中被強烈破碎、研磨、壓實但未發生明顯流動而形成。
   • 特徵: 由 Angular（棱角狀）或 subangular（次棱角狀）的岩石碎塊組成，碎塊粒度可以從細砂到巨塊不等，這些碎塊被細粒的基質（matrix）膠結或填充。
   • 產狀: 通常呈帶狀或透鏡狀分布於斷層帶內部或兩側。

2. 糜棱岩 (Mylonite)：

   • 形成: 由岩石在斷層帶中經歷高溫、高壓條件下，發生塑性變形（如蠕變、流動）而形成。
   • 特徵: 具有明顯的糜棱結構，其特徵是原來的礦物顆粒被拉長、變形，並呈定向排列，形成精細的葉理或帶狀構造。新的細粒礦物（如雲母、石英）也可能在變形過程中生成並定向排列。

本題考查複背斜的定義、特徵、成因。

繪圖及文字說明複背斜(anticlinorium)? (5分)

文字說明:
複背斜（Anticlinorium）是一種規模宏大、結構複雜的褶皺系統。它並非單一的褶皺，而是由一系列緊密排列、規模較小的背斜和向斜組成，這些較小的褶皺共同構成一個更大、更緩的背斜輪廓。換句話說，複背斜是一個大型的、由許多次級褶皺疊加而成的「背斜中的背斜」。其軸面通常是水平或緩傾斜的，整體形態呈現一個巨大的隆起。

繪圖:
繪製時，可以畫一個大致呈弓形或波浪狀的寬緩曲線代表複背斜的整體輪廓。在其內部，用一系列較小的、相互緊密連接的背斜（向上彎曲）和向斜（向下彎曲）來填充，這些小褶皺的軸面方向大致與大尺度複背斜的軸面方向一致。

      /----\      /----\
     /      \    /      \
----/--------\--/--------\----  <-- 複背斜整體輪廓 (較緩)
   / \      / \/ \      / \
  /   \    /    \  \    /   \   <-- 內部次級小褶皺 (較陡峭)
 /     \--/      \--\--/     \

（上述為文字示意圖，實際繪圖應為平滑曲線，展現大尺度背斜輪廓包裹許多小尺度背斜和向斜。）

其形成的條件為何?(5分)

本題主要考查斷層關聯褶皺的定義以及三種具體類型的斷層關聯褶皺的圖示與說明。

什麼是斷層關聯褶皺(fault-related folds) (5分)?

斷層關聯褶皺（Fault-related folds）是指在斷層運動過程中，與斷層的形成和發展密切相關的一類褶皺。這類褶皺的幾何形態、空間分布和形成機制都與斷層的幾何形態、運動方式以及斷層所處的應力環境緊密聯繫。它們可以是在斷層滑動過程中，由於斷層面的彎曲、斷層兩盤的相互作用，或者斷層滑動過程中應力場的改變而形成的。

請舉三種斷層關聯褶皺,以繪圖及文字說明表示?(15分)

以下舉例三種常見的斷層關聯褶皺：

1. 拖曳褶皺 (Drape folds / Drag folds)

   • 文字說明: 拖曳褶皺是指當一個相對堅硬的岩層（例如砂岩、石灰岩）在一個斷層面（通常是較軟的頁岩或鹽層）上滑動時，由於斷層面本身不平整或者下伏岩層的變形，導致上覆岩層被「拖曳」而形成的褶皺。這種褶皺通常發生在斷層的兩盤，特別是當斷層面有彎曲（如彎曲的斷層面、階梯狀斷層）或斷層兩盤的岩性差異很大時。褶皺的軸面和翼部通常與斷層面大致平行。
   • 繪圖:

            /----\
           /      \  <-- 拖曳褶皺 (上覆岩層)
     -----/--------\-----  <-- 斷層面 (彎曲或不平整)
         /          \
        /            \ <-- 下伏岩層
     

     圖示中，上覆的較硬岩層因斷層滑動而被拖曳形成褶皺，斷層面是關鍵。

2. 諧和褶皺 (Conjugate folds)

   • 文字說明: 諧和褶皺是指在斷層帶中，由於剪切應力作用，形成一對大致相互平行，但方向相反的褶皺。這對褶皺的軸面通常是相互平行的，且與主要的剪切應力方向呈一定角度。它們的形成與斷層帶內的剪切變形有關，例如在剪切帶內，岩石可能發生旋轉和彎曲，形成成對的褶皺。

核心觀念

本題考查「線理是否位於斷層面上」的判斷，以及斷層面上的「視傾角（apparent dip）」關係。

已知斷層面位態為：

• 走向：$N40^\circ W=320^\circ$
• 傾向：$NE=050^\circ$
• 真傾角：$\delta=47^\circ$

若一條線理位於斷層面上，則該線理的趨向（trend）與俯角（plunge）必須符合此斷層面的幾何關係。

對於趨向為 $T$ 的線，令其與傾向的夾角為 $\theta$，則其視傾角 $p$ 滿足：

$$\tan p=\tan\delta\cos\theta$$

若以走向與線理趨向的夾角 $\alpha$ 計算，也可寫成：

$$\tan p=\tan\delta\sin\alpha$$

其中：

• $\delta$ 為真傾角；
• $p$ 為該方向上的視傾角，也就是線理的俯角；
• 線理沿傾向方向時，視傾角最大，等於真傾角；
• 線理沿走向方向時，視傾角為 $0^\circ$。

本題中：

$$\tan47^\circ\approx1.072$$

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解題方法

先以斷層面的走向 $320^\circ$ 與傾向 $050^\circ$ 作為判斷基準。

• 若線理趨向與傾向相同，應有 $p=47^\circ$。
• 若線理趨向與走向平行，應有 $p=0^\circ$。
• 其他方向則應具有介於 $0^\circ$ 與 $47^\circ$ 之間的視傾角，並可由上式計算。

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選項分析

（a）$30^\circ,\ N50^\circ E$

線理趨向為 $N50^\circ E=050^\circ$，正好與斷層面傾向一致。

因此，該方向上的線理若位於斷層面上，應沿最大下傾方向，其俯角必須等於真傾角：

$$p=\delta=47^\circ$$

但選項給出的俯角為 $30^\circ$，不符合：

$$30^\circ\ne47^\circ$$

因此，該線理不在此斷層面上。

（a）非。

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（b）$0^\circ,\ 140^\circ$

趨向 $140^\circ$ 與走向 $320^\circ$ 互為反方位：

$$320^\circ-180^\circ=140^\circ$$

所以此線理與斷層面走向平行。

沿走向方向的線，其水平投影完全沿著斷層面，沒有垂直落差，因此俯角為：

$$p=0^\circ$$

核心觀念

本題考查共軛剪破裂與主應力軸的幾何關係：

• $\sigma_2$ 軸：為兩個共軛剪破裂面的交線。
• $\sigma_1$ 軸：平分兩剪破裂面之間的銳角。
• $\sigma_3$ 軸：平分兩剪破裂面之間的鈍角，且與 $\sigma_1$、$\sigma_2$ 彼此正交。

題目要求使用下半球立體投影，因此各軸最後以「傾伏角／傾伏方位」表示。

解題方法

兩破裂面為：

$$S_1=020^\circ,\quad \delta_1=32^\circ\mathrm{SE}$$ $$S_2=205^\circ,\quad \delta_2=41^\circ\mathrm{NW}$$

將兩個破裂面分別畫成大圓。由於兩面走向近似平行、傾向相反，其銳角約為：

$$180^\circ-(32^\circ+41^\circ)=107^\circ$$

兩面另一側的夾角為：

$$180^\circ-107^\circ=73^\circ$$

因此，$\sigma_1$ 位於兩破裂面的銳角平分線上，$\sigma_3$ 位於鈍角平分線上。

$\sigma_2$ 軸：兩破裂面的交線

兩大圓的交點即為兩破裂面的交線，讀取其下半球位置可得：

$$\sigma_2 \approx 3^\circ/022^\circ$$

也就是：

• 傾伏角：約 $3^\circ$
• 傾伏方位：約 $022^\circ$

$\sigma_1$ 軸：銳角平分線

在立體投影圖上，$\sigma_1$ 為兩大圓銳角區域的角平分線。由兩破裂面幾何平分可得：

$$\sigma_1 \approx 5^\circ/112^\circ$$

因此：