109 年 國立中山大學海洋科學系碩士班乙組《普通地質學》

本題考查元素起源的相關知識。絕大多數的元素，包括氫和氦，是在宇宙大爆炸初期形成的。質量較小的恆星在生命週期結束時，通過核融合產生碳、氮、氧等較重的元素。而質量更大的恆星則在生命週期結束時，通過超新星爆炸，將更重的元素（如鐵及其以上的元素）散播到宇宙空間。行星、黑洞和星際介質並非元素形成的主要地點，而是元素存在的場所或影響其分佈的因素。

本題考查對地球內部構造及其各層特性的理解。

• (A) 岩石圈 (Lithosphere) 是地球最外層的剛性層，包含了地殼 (Crust) 以及上部地函 (Upper Mantle) 的一部分。此敘述正確。

本題考查海底擴張假說 (Seafloor Spreading Hypothesis) 的主要證據。海底擴張假說是板塊構造學說的重要組成部分，解釋了海洋地殼如何從中洋脊生成並向兩側擴張。

• (A) 山脈走向 (Mountain Range Trends)：山脈的形成通常與板塊碰撞 (聚合型邊界) 有關，而非海底擴張的主要證據。
• (B) 海洋沉積物分佈 (Oceanic Sediment Distribution)：雖然沉積物的厚度和年齡可以提供一些資訊，但並非海底擴張最直接、最有力的證據。

本題考查對板塊邊界地理位置的認識。板塊邊界是地球上地殼活動最頻繁的區域，常伴隨地震、火山活動和造山運動。

• (A) 紅海 (Red Sea)：紅海位於非洲板塊和阿拉伯板塊之間的裂谷，是典型的離散型板塊邊界，正在進行海底擴張。
• (B) 斯里蘭卡 (Sri Lanka)：斯里蘭卡島位於印度板塊的南部，遠離印度板塊與歐亞板塊的碰撞邊界（喜馬拉雅山脈），也遠離其東部的俯衝帶。因此，它被認為位於板塊內部，相對穩定。

本題考查礦物 (Mineral) 的定義。礦物是天然存在的、固態的、具有特定化學成分和有序原子結構的無機物。

• (A) 自然金 (Native Gold)：金 (Au) 是一種元素，可以以單質形式天然存在，具有固態、特定化學成分 (Au) 和原子結構，因此是礦物。

本題考查對包溫反應序列 (Bowen's Reaction Series) 的理解，這是描述岩漿結晶過程的理論。包溫反應序列分為兩個分支：不連續反應序列（從橄欖石到輝石、角閃石、黑雲母）和連續反應序列（斜長石）。

• (A) 高溫礦物化學式的矽:氧比值較高：在高溫下，岩漿中的離子活動性較強，更容易形成結構較複雜、矽氧鍵較多的礦物。例如，在不連續序列中，從高溫的橄欖石 (olivine) 到低溫的黑雲母 (biotite)，矽氧比值逐漸增加。此敘述正確。
• (B) 低溫礦物的抗風化能力較強：在包溫反應序列中，越晚結晶（溫度越低）的礦物，其結構越穩定，與地表環境的化學成分越接近，因此抗風化能力越強。

本題考查沉積岩的基本構造。

• (A) 層理 (Bedding)：層理是沉積岩最顯著的特徵之一，是指沉積物在沉積過程中，由於沉積環境、物質來源或時間的變化，形成的一層一層可區分的水平或傾斜的層次。每一層的厚度、成分、顆粒大小、顏色等可能不同。

本題考查在變質岩中用來指示變質條件（如溫度、壓力）的指標礦物 (Index Minerals)。指標礦物通常只在特定的變質環境中穩定存在，其出現或消失可以幫助地質學家判斷變質岩的變質程度和類型。

• (A) 綠泥石 (Chlorite)：綠泥石是低溫、低壓變質作用（如綠色片岩相）的常見指標礦物，代表較低的變質程度。
• (B) 石榴石 (Garnet)：石榴石是一個固溶體系列，但其許多端元（如鐵鋁榴石、鎂鋁榴石）是中溫、中壓至高溫、高壓變質作用的良好指標礦物，在綠色片岩相、藍片岩相、角閃岩相等中廣泛出現。

本題考查火山活動的主要成因。火山活動通常發生在地殼變薄、岩石熔融或岩漿上升的區域。

• (A) 熱點 (Hotspot)：熱點是指地函深處的熱柱（地函柱）上升，在地表形成火山活動，例如夏威夷群島和黃石公園。這是火山活動的重要成因。
• (B) 造山運動 (Orogeny)：造山運動是指板塊碰撞導致地殼隆起、褶皺和斷裂，形成巨大的山脈。雖然造山運動本身不是直接的火山成因，但在板塊碰撞的區域，尤其是在聚合型板塊邊界，可能會伴隨火山活動（例如，在俯衝帶的上方）。然而，造山運動最主要的結果是形成褶皺和斷層，而不是直接產生大量的火山。

本題考查地震波 (Seismic Waves) 的特性。地震波包括體波（P波和S波）和面波（雷利波和拉夫波）。

• (A) P波 (Primary wave) 的傳遞速度比S波 (Secondary wave) 快。P波是壓縮波，S波是剪切波。P波速度約為 5-8 km/s，S波速度約為 3-5 km/s。此敘述正確。
• (B) S波傳遞時，介質的運動方向垂直於波的傳遞方向。S波是橫波，介質的振動方向與波的傳播方向垂直。此敘述正確。
• (C) 震波傳遞速度受物質組成與物質相影響。

地層對比 (Stratigraphic Correlation) 是將不同地點的地層序列進行比對，以確定它們之間的相對關係和時代。以下列舉三種常用的地層對比方法：

1. 岩性對比 (Lithologic Correlation)

   • 方法： 這種方法是根據地層的岩石類型（如砂岩、頁岩、礫岩、石灰岩等）、顏色、顆粒大小、成分、結構（如層理、交錯層理）等岩性特徵進行對比。
   • 簡述用法： 在兩個或多個地點，尋找具有相似岩性序列的地層。例如，如果一個地區的鑽孔顯示從下到上為礫岩、砂岩、頁岩，而在另一個地區也發現了相似的岩性序列，則可以認為這些地層是相互對應的。這種方法適用於地層變化較為平緩、岩性較為獨特的區域。

2. 化石對比 (Fossil Correlation)

   • 方法： 這種方法是利用地層中發現的動植物化石來確定地層的相對時代。有些化石（指示化石或標準化石）在較窄的時間範圍內廣泛分佈，並且容易識別，非常適合用於地層對比。
   • 簡述用法： 在不同地點的地層中採集化石，識別出指示化石。

定年法 (Dating Methods) 是確定岩石、礦物或地質事件年代的方法。這裡列舉兩種常見的地質定年方法：

1. 放射性同位素定年法 (Radiometric Dating)
   • 定年材料： 主要適用於火成岩和變質岩，有時也適用於沉積岩中的特定礦物或火山灰層。常見的定年體系包括：
     • 鉀-氬定年法 (K-Ar dating)：定年材料為含有鉀 (K) 的礦物（如雲母、長石、角閃石）或火山岩。
     • 鈾-鉛定年法 (U-Pb dating)：定年材料為含有鈾 (U) 和鉛 (Pb) 的礦物，尤其是鋯石 (Zircon)。
     • 碳-14 定年法 (C-14 dating)：定年材料為有機物質（如木材、骨骼、貝殼、碳酸鹽沉積物）。
   • 使用限制：
     • 適用範圍： 主要適用於具有放射性同位素的岩石或礦物，通常是火成岩和變質岩。對於沉積岩，通常只能定年其中夾雜的火山灰層或特定礦物，而無法直接定年沉積物本身。
     • 時間範圍： 不同的同位素體系有不同的半衰期，適用於不同的時間尺度。例如，C-14 定年法適用於數萬年內的年輕樣本，而 U-Pb 定年法則適用於數百萬年到數十億年的樣本。
     • 樣本污染： 樣本容易受到外界污染，影響定年結果的準確性。
     • 閉鎖溫度/壓力： 放射性同位素的定年是基於「閉鎖溫度/壓力」的概念。當岩石冷卻到一定溫度以下時，同位素的「父代」和「子代」才會被鎖在礦物晶格中，開始計時。因此，高溫變質作用或岩石的再加熱可能導致「重置」定年時鐘。

地形地貌是由各種內外營力共同作用形成的。以下列舉三種主要的營力及其代表性地形和成因：

1. 構造作用 (Tectonic Forces)

   • 代表性地形： 山脈 (Mountain Ranges)
   • 簡述成因： 構造作用主要指地球內部的力量，如板塊運動（擠壓、張裂、錯動）導致的地殼變形。
     • 擠壓作用（如板塊碰撞）會引起地殼褶皺、斷裂和抬升，形成高大的褶皺山脈（如喜馬拉雅山脈、阿爾卑斯山脈）或斷塊山脈。
     • 張裂作用（如大陸裂谷）會導致地殼斷裂、下陷，形成裂谷和火山。

2. 風化與侵蝕作用 (Weathering and Erosion)

   • 代表性地形： 峽谷 (Canyon)

化石燃料（石油、天然氣）儲集在地下岩層中，其形成需要幾個基本條件：生油岩（產生烴類）、輸油通道（將烴類運送到儲集層）、儲集層（具有足夠孔隙和滲透性的岩石）、以及圈閉構造（阻止烴類進一步聚集或散失的構造）。這裡列舉兩種常見的圈閉構造：

1. 背斜構造 (Anticline Trap)
   • 簡述： 背斜是地層向上彎曲形成的拱形構造。在背斜構造中，較輕的石油和天然氣會向上聚集在拱頂，而下方的孔隙則被水填充。
   • 簡圖：

          /-----\
         /       \
        /         \
       /     O     \  <-- 石油 (Oil)
      /    /|\     \
     /    / | \     \ <-- 儲集層 (Reservoir Rock)
     

   / / | \
   /----/----------\ <-- 蓋層 (Cap Rock)

生物作用，即使不包含人類活動，也能對地球的物理、化學和地質過程產生深遠影響。一個經典的例子是：

藍綠藻 (Cyanobacteria) 對地球大氣和海洋的影響

• 事例： 在地球早期，大氣中幾乎沒有氧氣。約 25 億年前，一種叫做藍綠藻（或稱藍細菌）的生物演化出來，它們能夠進行光合作用，利用陽光、水和二氧化碳產生能量，並釋放出氧氣作為副產品。
• 影響：
  1. 氧氣的產生與累積： 藍綠藻通過光合作用，逐漸將地球大氣中的氧氣含量從幾乎為零提升到現在的約 21%。這個過程被稱為「大氧化事件」(Great Oxidation Event)。

臺灣位於環太平洋火山帶，是歐亞板塊、菲律賓海板塊和太平洋板塊的交界處，地殼活動劇烈，多地震。同時，臺灣又位於西太平洋颱風帶，每年受多次颱風侵襲。這兩大因素的結合，對臺灣及其周圍海域的地形、水文、輸砂及海底地貌產生了複雜而顯著的影響。

(1) 陸上地形 (Terrestrial Topography)

• 板塊構造影響：
  • 高聳山脈的形成： 臺灣位於菲律賓海板塊與歐亞板塊的聚合邊界，強烈的碰撞與擠壓作用，使得地殼快速抬升、褶皺和斷裂，形成了高聳陡峻的中央山脈。這使得臺灣地形極為崎嶇，有「高山島」之稱。
  • 地震與斷層： 頻繁的地震活動造成地表錯動、斷層崖形成，也可能引起山體滑坡、崩塌等地質災害，進一步改變地形。
• 颱風影響：
  • 沖蝕與崩塌： 颱風帶來強烈的降雨和地表徑流，加速了山區岩石和土壤的沖蝕作用。陡峭的山坡在強降雨的衝擊下，極易發生大規模的山體滑坡、土石流和崩塌，劇烈地改變地表形態，形成許多沖溝、崩蝕地形。
  • 地貌更新： 颱風的侵襲是臺灣山區地貌更新的動態過程，不斷地移除舊的風化產物，並將其向下游搬運。

(2) 河川水文 (River Hydrology)

• 板塊構造影響：
  • 水系發育： 劇烈的地殼抬升和破碎的地質構造，使得臺灣的河川普遍年輕、短、陡、急。河川流速快，侵蝕力強。
  • 斷層與盆地： 斷層可能阻礙或改變河道，形成斷層湖或斷層谷。地殼下降的區域可能形成盆地，成為河流沉積的場所。
• 颱風影響：
  • 劇烈的洪水： 颱風是臺灣最主要的降雨來源，其帶來的強降雨（常有數百毫米甚至上千毫米）會在短時間內注入河川，導致河川水位急劇升高，形成毀滅性的洪水。
  • 水文變化劇烈： 颱風過後，河川的流量、含沙量、水溫等水文要素都會發生劇烈變化。枯水期與豐水期（颱風季）的差異極大。
  • 地下水補充： 颱風雨水也能在一定程度上補充臺灣西部的地下水。

(3) 河川輸砂 (River Sediment Load)

人為二氧化碳排放導致全球暖化，這一過程對地球的岩石圈、水圈和大氣圈都產生了廣泛而深刻的影響。

(1) 對岩石圈的影響 (Impacts on the Lithosphere)

• 化學風化加速： 大氣中 CO₂ 增加，導致降雨的酸度增加（形成碳酸），這會加速岩石的化學風化作用。尤其是碳酸鹽岩（如石灰岩）和矽酸鹽岩，其溶解和分解速率會加快。
• 土壤變化： 溫度升高和降雨模式改變會影響土壤的濕度、溫度和微生物活動，進而改變土壤的化學性質和形成過程。某些地區的土壤可能因乾旱而鹽鹼化，或因強降雨而加劇侵蝕。
• 融冰與冰川退縮： 全球暖化導致高山冰川和極地冰蓋融化，這不僅是水圈的變化，也直接影響岩石圈。冰川的退縮會解除對下方岩石的壓力，可能引發冰川後回彈（isostatic rebound），同時冰川融水和冰川本身也會加劇對岩石的侵蝕和搬運。
• 永凍土融化： 高緯度地區的永凍土 (permafrost) 融化，會導致地表沉降、滑坡，破壞地基，並釋放出儲存在其中的甲烷和二氧化碳，進一步加劇溫室效應。
• 海平面上升與海岸侵蝕： 海平面上升會導致海水入侵沿海地區的地下水，改變沿海岩石的化學環境，並加劇海岸侵蝕。

(2) 對水圈的影響 (Impacts on the Hydrosphere)

• 海洋暖化與酸化：
  • 暖化： 海洋吸收了大量的熱量，導致海水溫度升高。這會影響海洋生態系統（如珊瑚白化）、改變洋流模式，並導致海水膨脹，是海平面上升的原因之一。
  • 酸化： 海洋吸收了約 30% 的人為 CO₂。CO₂ 溶解於水形成碳酸，降低海水 pH 值，導致海洋酸化。這對依賴碳酸鈣骨骼或外殼的海洋生物（如珊瑚、貝類、浮游生物）造成嚴重威脅，影響整個海洋食物鏈。