115 年 國立中山大學海洋科學系碩士班乙組《普通地質學》

此題主要考查變質岩的物理性質及其在建材和工程上的應用。

變質岩（如大理岩、板岩、片岩）經過變質作用後，礦物顆粒會重新排列組合，通常會變得更加緻密且具有較高的強度。大理岩是由石灰岩在高溫高壓下變質而成，質地細緻，易於雕刻，常用作建築裝飾石材。板岩則是由泥岩或頁岩變質而成，具有明顯的片理，易於劈裂成薄片，常用於屋頂建材或地板。片麻岩通常由花崗岩或其他火成岩變質而成，具有明顯的條帶狀構造，質地堅硬，也可用作建築材料。

此題考查對地溫梯度基本概念的理解與實際數值的記憶。

地溫梯度 (Geothermal Gradient) 是指地溫隨深度增加的速率，通常以每單位深度溫度上升的度數來表示。全球平均的地溫梯度大約是 $25^\circ\text{C}$ 至 $30^\circ\text{C}$ / 公里，換算成每 100 公尺就是 $2.5^\circ\text{C}$ 至 $3.0^\circ\text{C}$ / 100 公尺。這個數值在不同地區會有差異，例如在火山活動活躍或地殼較薄的地區，地溫梯度會較高；而在穩定的大陸地區，地溫梯度則可能較低。

此題考查臺灣造山帶的變質作用分佈與變質程度的變化趨勢。

臺灣位於菲律賓海板塊與歐亞板塊的聚合邊界，構造活動劇烈，形成了複雜的變質岩帶。一般而言，造山帶的變質作用強度與構造擠壓的程度、地殼抬升的高度以及岩漿活動的影響有關。

臺灣的構造剖面，從西部的麓山帶（屬於西部麓山帶，主要為沉積岩和淺變質岩）、雪山山脈（包含部分淺變質岩，如板岩、千枚岩）到中央山脈核心區（包含高度變質的片岩、片麻岩），變質程度是逐漸增高的。中央山脈的核心區域承受了最強的造山應力，岩層被深埋且承受高溫高壓，因此變質程度最高，生成了許多高級變質岩。

此題考查臺灣周邊海底地形的知識。

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的交界處，是一個地質活動非常活躍的區域。其周邊的海底地形複雜多樣，包括：
(A) 海底峽谷：河流在陸地上切割形成的峽谷，當延伸至海岸時，常會繼續切割海底，形成海底峽谷，臺灣西部的海岸附近就有海底峽谷。
(B) 海溝：位於板塊隱沒帶，是海底地形中最深的部分，例如琉球海溝和馬尼拉海溝都位於臺灣東部和南部海域。
(D) 大陸坡：指從大陸棚邊緣陡降至深海平原的地形，臺灣東部和西部都有明顯的大陸坡。

此題考查常見岩石及其主要組成礦物的配對。

我們來逐一分析各選項：
(A) 石灰岩 (Limestone) 的主要成分是碳酸鈣，也就是方解石 (Calcite)，而非石英 (Quartz)。
(B) 砂岩 (Sandstone) 的主要成分是石英顆粒，但其膠結物可能是方解石、氧化鐵或二氧化矽。因此，砂岩的主要成分是石英顆粒，而不是方解石。

此題考查臺灣地區的板塊構造背景及其演化過程。

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的聚合邊界，是世界上構造最活躍的地區之一。
(A) 臺灣並非穩定的陸塊，自新生代以來，構造活動非常劇烈。
(B) 臺灣的地理位置正好處於菲律賓海板塊與歐亞板塊的碰撞帶。菲律賓海板塊向北西方向俯衝，擠壓歐亞板塊，形成了臺灣地區複雜的造山運動，包括中央山脈的隆升、褶皺與斷裂。

此題考查臺灣海岸山脈的岩石類型及其成因。

海岸山脈是臺灣東部的一系列年輕的火山岩和沉積岩組成的山脈，其形成與菲律賓海板塊向臺灣東部隱沒有關。當菲律賓海板塊向北西方向隱沒於歐亞板塊之下時，在隱沒帶上方會產生火山活動，噴發出大量的安山岩質岩漿。

(A) 安山岩 (Andesite) 是一種中性火山岩，是典型的弧火山岩，在聚合型板塊邊界非常常見。臺灣的海岸山脈主要由安山岩質的火山岩構成，如集塊岩、熔岩流等。

核心觀念

地溫梯度是指地球內部溫度隨深度增加的變化率，定義為：

$$\frac{dT}{dz}$$

其中 $T$ 為溫度，$z$ 為深度。一般而言，地球內部溫度會隨深度增加而升高，平均地殼地溫梯度約為每公里 $20\sim30^\circ\text{C}$，但實際數值會因地區、岩性、熱流及構造環境而有所不同。

地球內部的熱源主要包括：

• 地球形成時殘留的原始熱；
• 地函與地核內部的熱；
• 放射性元素衰變產生的熱；
• 岩漿活動與板塊構造所造成的局部熱異常。

因此，地殼溫度並非固定不變，而是會隨深度與地質環境改變。

解題方法

本題是判斷敘述正誤。可先掌握地溫梯度的基本方向：

1. 地表接受太陽能，但地下深處主要受到地球內部熱源影響。
2. 從地表往地下，溫度通常逐漸升高。
3. 海洋地殼通常較薄，且洋中脊等區域具有較高熱流，因此平均地溫梯度通常較大。
4. 地殼內部溫度會隨深度、地區與地質活動而改變，不可能「穩定不變」。

因此，直接檢查各選項是否符合上述原則即可。

選項分析

(A) 海洋地殼的地溫梯度較大陸地殼大

此題考查臺灣地震頻繁的主要原因。

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的聚合邊界，是世界上地震最活躍的地區之一。這種地震活動的頻繁性與板塊運動密切相關。

(A) 地殼快速冷卻造成的體積收縮是某些地區（如某些盆地沉降）可能導致地震的原因，但不是臺灣地震頻繁的主要原因。

此題考查礦物的硬度以及在臺灣岩石中的常見程度。

我們需要比較選項中幾種常見礦物的硬度，並結合其在臺灣岩石中的普遍性來判斷。這裡的硬度是指莫氏硬度 (Mohs hardness)。

礦物的莫氏硬度：
(A) 方解石 (Calcite): 3
(B) 石英 (Quartz): 7
(C) 長石 (Feldspar): 6 - 6.5
(D) 黑雲母 (Biotite): 2.5 - 3

硬度比較：石英 (7) > 長石 (6-6.5) > 方解石 (3) ≈ 黑雲母 (2.5-3)。
因此，硬度最高的是石英。

接著，我們需要確認這些礦物在臺灣岩石中的常見程度。
臺灣的岩石組成非常多樣，包括變質岩、火成岩和沉積岩。

• 石英 (Quartz) 是地殼中最常見的礦物之一，廣泛存在於各種岩石中，特別是砂岩、花崗岩、變質岩（如石英岩、片岩）等。

此題考查地熱資源與特定地質環境的關聯性。

地熱資源的形成與地球內部的熱量有關。地球內部熱量的主要來源是放射性元素的衰變和地球形成時殘留的熱量。這些熱量會透過熱傳導和對流傳遞到地表。

(A) 穩定的古老大陸核心區，通常地殼較厚，地熱流相對較低，不利於地熱資源的開發。
(B) 大型河流沖積平原，主要是沉積作用形成的，其地質結構通常不利於熱量聚集，且地熱流也無特殊高值。
(C) 活動性板塊邊界與火山帶，是地殼變動劇烈、岩漿活動頻繁的區域。

此題考查臺灣及其周邊地區的地質現象與相應的構造背景。

我們逐一分析各選項：
(A) 琉球海溝 (Ryukyu Trench) 位於臺灣東北部，是菲律賓海板塊向北西方向隱沒於歐亞板塊之下形成的。因此，「歐亞板塊隱沒於菲律賓海板塊之下」是錯誤的。正確應為菲律賓海板塊隱沒於歐亞板塊之下。
(B) 臺灣的西部平原（例如嘉南平原、彰化平原）主要位於歐亞板塊內部，地質構造相對穩定，以沉積物堆積為主，並非活躍的火山帶。

此題考查臺灣地熱資源的空間分佈。

臺灣位於環太平洋火山地震帶，地熱資源豐富。其主要分佈區域與以下地質條件有關：

1. 板塊碰撞擠壓帶：帶來地殼變形和熱量。
2. 火山活動區：淺部地幔熱物質上湧，或岩漿庫殘留熱量。
3. 變質岩帶：部分變質岩含有較高的放射性元素，可提供熱源。

選項分析：
(A) 西部沿海平原：主要為沖積平原，地殼相對穩定，地溫梯度不高，不利於地熱資源的開發。
(B) 中央山脈中段：雖然中央山脈是變質岩帶，且有地熱活動，但其地熱資源的集中程度不如火山區。

此題考查地熱開發的關鍵要素。

地熱發電的原理是利用地下高溫的熱能來加熱流體（通常是水），產生蒸氣來驅動渦輪機發電。因此，一個地區即使有較高的地溫梯度（表示地下溫度高），但若要有效開發地熱，還需要具備其他條件：

1. 足夠的熱源：高地溫梯度代表有足夠的熱量。
2. 循環的流體：需要有地下水或其他流體能夠在地下熱儲層中循環，將熱能帶到地表。
3. 滲透性好的岩石：岩石需要有足夠的孔隙度和裂隙，讓流體能夠流通並吸收熱量。

選項分析：
(A) 缺乏可循環的地下流體：如果地下缺乏足夠的水或其他流體，即使溫度很高，也無法有效地將熱能傳遞到地表，也就無法進行有效的地熱開發。這是開發地熱的關鍵限制因素之一。
(B) 地表地殼溫度過低：題目已經假設該地有「較高地溫梯度」，表示地下溫度足夠高，地表溫度不是主要限制因素。

此題考查臺灣變質岩帶的形成與其所反映的地質作用。

臺灣地區的變質岩帶，例如中央山脈的片岩、片麻岩，以及雪山山脈的板岩、千枚岩，都是在高溫高壓的變質環境下形成的。這些變質作用通常與造山運動過程中的擠壓、抬升和深埋有關。

(A) 古生代大陸裂解與張裂作用：這類作用與板塊分離、形成裂谷或大洋有關，與臺灣變質岩帶的形成環境（擠壓造山）不符。

此題屬於簡答題，要求說明臺灣變質岩帶的形成原因及其在地體構造演化上的意義。

一、臺灣變質岩帶的形成原因：

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的聚合邊界，是一個地質活動極為活躍的區域。變質岩帶的形成主要與以下幾個因素有關：

1. 板塊碰撞擠壓：菲律賓海板塊向北西方向俯衝（或碰撞）歐亞板塊，造成強烈的水平擠壓力。這種擠壓作用使得地殼岩石產生褶皺、斷裂，並將岩層深埋。
2. 地殼抬升與深埋：在造山運動過程中，地殼岩層經歷劇烈的變形，部分岩層被深埋至地殼深處，承受高溫高壓的環境。例如，中央山脈的變質岩（如片岩、片麻岩）是在數百 MPa 的壓力與數百攝氏度的高溫下形成的。
3. 區域變質作用：在地殼深處的高溫高壓條件下，原有的沉積岩、火山岩或變質岩會發生化學成分和礦物組成的改變，形成新的變質岩。臺灣的變質岩帶主要是由區域變質作用（Regional Metamorphism）形成的，其範圍廣泛，變質程度 varies。
4. 熱源：地殼深處的放射性元素衰變產生的熱量，以及地幔熱物質的上湧，都為變質作用提供了必要的熱能。

二、變質岩帶對理解臺灣地體構造演化的意義：

臺灣變質岩帶的存在，是臺灣地體構造演化歷史的直接證據，具有重要的意義：

此題為一計算題，要求根據地表溫度和地溫梯度，計算達到特定溫度所需的鑽井深度。

已知條件：
地表溫度 $T_0 = 20^\circ\text{C}$
地溫梯度 $G = 30^\circ\text{C}/\text{km}$
目標溫度 $T_{target} = 150^\circ\text{C}$

目標溫度與地表溫度的溫差為：
$\Delta T = T_{target} - T_0 = 150^\circ\text{C} - 20^\circ\text{C} = 130^\circ\text{C}$

此題要求舉出兩種臺灣常見的岩石或礦物，並說明其形成環境或分布區域。

以下提供兩種常見的岩石及其說明：

1. 岩石：砂岩 (Sandstone)

• 主要成分：通常以石英顆粒為主，也可能含有長石、岩屑等，並由方解石、二氧化矽或氧化鐵等膠結。
• 形成環境：砂岩是典型的沉積岩，主要形成於陸地或海洋的沉積環境，例如河流、湖泊、三角洲、淺海或海灘。這些環境需要有足夠的沉積物（砂粒）供應，並在相對穩定的條件下堆積、壓密和膠結。
• 分布區域：臺灣西部平原及其附近的山麓地區（如苗栗、台中、雲林、嘉義等地）廣泛分佈著新近紀和第四紀的砂岩，是臺灣主要的沉積岩分佈區。這些砂岩是臺灣重要的油氣儲層。

2. 岩石：板岩 (Slate)

• 主要成分：由泥岩或頁岩經過低級區域變質作用形成，主要礦物為雲母（白雲母、綠泥石）、石英，並具有明顯的片理（cleavage）。
• 形成環境：板岩形成於中低溫、中低壓的區域變質環境，通常與造山運動的擠壓作用有關。岩石被深埋後，在壓力作用下，薄片狀礦物（如雲母）會平行排列，形成易於劈裂的片理。
• 分布區域：臺灣的雪山山脈和中央山脈的北部、西部地區廣泛分佈著板岩，是這些地區重要的變質岩類型。

此題要求說明臺灣造山帶的形成過程，並闡述其與鄰近海溝及島弧系統的關係。

一、臺灣造山帶的形成過程：

臺灣造山帶的形成是一個複雜且持續進行的過程，主要歸因於兩個主要板塊：歐亞板塊（Eurasian Plate）和菲律賓海板塊（Philippine Sea Plate）的碰撞與相互作用。

1. 板塊碰撞與擠壓：臺灣位於這兩個板塊的聚合邊界。在數百萬年前至今，菲律賓海板塊持續向北西方向移動，擠壓歐亞板塊。這種擠壓作用是臺灣造山運動的根本動力。
2. 俯衝作用：
   • 東部：在臺灣東部，菲律賓海板塊向北西方向俯衝（隱沒）到歐亞板塊之下，形成了琉球海溝（Ryukyu Trench）。這個俯衝帶是地震活動頻繁的區域。
   • 南部：在臺灣南部，歐亞板塊則向北西方向俯衝（隱沒）到菲律賓海板塊之下，形成了馬尼拉海溝（Manila Trench）。
3. 陸-陸碰撞與變形：隨著菲律賓海板塊持續向北西推動，原本屬於歐亞板塊邊緣的陸緣地體（包括大陸地殼和上覆的沉積層）受到了強烈的擠壓和變形。這種擠壓導致了：
   • 褶皺與斷裂：地層發生大規模的褶皺，並產生眾多的逆斷層和衝斷層。
   • 地殼增厚與抬升：岩層不斷被擠壓、推覆，導致地殼厚度顯著增加，並伴隨著大規模的地殼抬升，形成了臺灣高聳的山脈，如中央山脈、雪山山脈。
   • 變質作用：深埋在地殼深處的岩石在高溫高壓下發生區域變質作用，形成了廣泛的變質岩帶。
4. 轉換斷層：在臺灣東部，陸-陸碰撞的介面並非完全垂直於板塊運動方向，而是呈現出一定的斜交性。這導致碰撞帶並非簡單的對撞，而是一個複雜的轉換斷層系統，例如花東縱谷就位於一個主要的轉換斷層帶上，兼具碰撞和轉換的特徵。

此題要求說明岩石中常見的膠結物質，以及其在岩石形成過程中的重要性。

一、岩石中常見的膠結物質：

膠結物質（Cement）是指填充在沉積物顆粒之間的空隙中，將這些顆粒黏結在一起的礦物。常見的膠結物質包括：

1. 碳酸鈣 (Calcite, $CaCO_3$)：這是最常見的膠結物質之一。它通常由溶液中的碳酸鈣沉澱形成，常見於石灰岩、砂岩和礫岩中。
2. 二氧化矽 (Silica, $SiO_2$)：主要以石英（Quartz）或玉髓（Chalcedony）的形式出現。二氧化矽膠結的岩石通常非常堅硬，例如石英砂岩（quartz arenite）、石英礫岩（quartz conglomerate）。
3. 氧化鐵 (Iron Oxides)：如赤鐵礦（Hematite, $Fe_2O_3$）和褐鐵礦（Goethite, $FeO(OH) \cdot nH_2O$）。氧化鐵膠結的岩石常呈現紅色、黃色或棕色，例如鐵質砂岩。
4. 黏土礦物 (Clay Minerals)：如伊利石（Illite）、綠泥石（Chlorite）、高嶺石（Kaolinite）等。黏土膠結物比較軟，常見於泥岩、粉砂岩和部分砂岩中。
5. 硫酸鹽類 (Sulfates)：如石膏（Gypsum, $CaSO_4 \cdot 2H_2O$）和硬石膏（Anhydrite, $CaSO_4$）。較少見，但可能在特定鹽湖或乾旱環境中形成。

二、膠結物質在岩石形成過程中的重要性：

此題為申論題，要求比較雪山山脈與中央山脈變質岩帶的岩性與變質程度的異同，並闡述其對臺灣造山作用的意義。

一、雪山山脈與中央山脈變質岩帶的異同：

1. 岩性 (Lithology)：

   • 相同點：兩者都含有豐富的變質岩，主要包括板岩 (Slate)、千枚岩 (Phyllite)、片岩 (Schist) 和片麻岩 (Gneiss)。這些岩石主要由泥質、砂質或碳質的沉積岩變質而成。
   • 不同點：
     • 雪山山脈：變質程度相對較低，以板岩、千枚岩為主，部分地區有較低級的片岩。這些岩石通常保有較多的沉積結構或層理。
     • 中央山脈：變質程度普遍較高，尤其是在其核心區域，含有大量高級變質岩，如高壓的藍閃石片岩（部分地區）、豐富的片岩和片麻岩。中央山脈核心區的變質岩顯示了更劇烈的變質條件。

2. 變質程度 (Metamorphic Grade)：

   • 相同點：兩者都屬於區域變質作用的範疇，是臺灣造山運動的產物。
   • 不同點：
     • 雪山山脈：屬於低級變質作用 (Low-grade metamorphism)，變質條件約為 $200^\circ\text{C} - 400^\circ\text{C}$ 和數百 MPa 的壓力。
     • 中央山脈：變質程度普遍較高，從低級變質到高級變質作用 (High-grade metamorphism) 都有分佈。其核心區域（如大南澳變質帶）經歷了更高的溫度（可能超過 $500^\circ\text{C}$）和壓力，形成了片麻岩和高級片岩。這反映了中央山脈是臺灣地殼變形最劇烈、抬升最高的區域。

二、對臺灣造山作用的意義：

雪山山脈和中央山脈的變質岩帶，是臺灣造山作用歷史的重要記錄，其意義如下：

此題要求討論臺灣東部與西部地震的構造背景與成因差異。

臺灣東部與西部地震的成因與特性差異：

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的聚合邊界，地質構造複雜，地震活動頻繁。東部和西部由於所處的構造位置和板塊作用不同，其地震的成因與特性也存在顯著差異。

一、臺灣東部地震：

1. 構造背景：

   • 臺灣東部是菲律賓海板塊向北西方向俯衝（隱沒）至歐亞板塊之下的區域，形成了琉球海溝。
   • 同時，東部海岸山脈為一個年輕的火山弧，與俯衝作用相關。
   • 花東縱谷是歐亞板塊與菲律賓海板塊碰撞擠壓形成的一個複雜的轉換斷層系統，兼具碰撞和轉換的特徵。

2. 地震成因與特性：

   • 板塊俯衝型地震：在琉球海溝發生的地震，是菲律賓海板塊向下俯衝時，岩石圈板塊之間或板塊內部產生的應力累積與釋放。這些地震可能發生在較深的區域（數十至數百公里），有時規模較大。
   • 碰撞擠壓型地震：在花東縱谷斷層帶，由於兩個板塊的劇烈碰撞和擠壓，應力在斷層面上累積並釋放，形成淺層地震。這些地震通常規模較小，但震源較淺，對地表影響較大。
   • 火山相關地震：在海岸山脈或大屯火山群（雖然屬於北部，但與東部板塊作用有部分關聯）等火山區域，可能因岩漿活動、流體運動或火山體壓力變化而產生火山地震，通常規模較小，震源淺。
   • 特性：東部地震的震源深度範圍較廣，從淺層到深層都有，且規模差異較大。由於震源較淺且靠近人口稠密區（如花蓮、台東），常造成較嚴重的地表破壞。

二、臺灣西部地震：

1. 構造背景：

   • 臺灣西部主要位於歐亞板塊內部，但受到東部板塊碰撞擠壓的影響，地殼受到殘餘的擠壓應力，並存在一些與早期板塊邊緣相關的斷層系統。
   • 西部平原地區主要是由厚層的沉積物組成，地質結構相對較穩定，但下方存在一些活動斷層。
   • 西部地區的火山活動較少，與東部明顯不同。

2. 地震成因與特性：

   • 陸內變形型地震：西部地震主要發生在歐亞板塊的內部，是由於板塊碰撞的應力傳遞和累積，在區域內的斷層（如山腳斷層、車籠埔斷層、九份子斷層等）上發生錯動。這些斷層多為逆斷層或衝斷層。
   • 沉積盆地效應：西部平原的厚層沉積物，雖然本身不是地震的直接成因，但它們可能放大地震波，使得淺層地震的震動感更強烈，尤其是在盆地中心地區。

此題為申論題，要求說明馬太鞍溪堰塞湖形成的地質與構造成因，以及其形成後對環境與人類活動的影響。

一、馬太鞍溪堰塞湖形成的地質與構造成因：

馬太鞍溪堰塞湖的形成，是因山體發生大規模崩塌，阻斷了溪流的正常流路，導致上游水體淤積而形成。其形成的地質與構造成因可歸納如下：

1. 地質條件：

   • 脆弱的岩層：馬太鞍溪流域可能存在較為破碎、易於崩塌的岩層。例如，部分地區可能為變質岩（如板岩、千枚岩），這些岩石若受到風化、節理發育，或含有黏土質夾層，其穩定性較差。也可能是較年輕、未固結的沉積岩層。
   • 高陡的山坡：花蓮地區地形陡峻，馬太鞍溪流經的山區坡度陡峭，增加了崩塌發生的機率。
   • 豐沛的降雨與高濕度：臺灣東部，特別是山區，常有豐沛的降雨，尤其在颱風季節。降雨滲入岩體，降低岩體的內摩擦角，增加孔隙水壓力，削弱岩體強度，成為誘發崩塌的重要因素。
   • 風化作用：長期的物理（如日夜溫差、凍融）和化學風化作用，使岩石變得破碎、軟弱，降低了邊坡的穩定性。

2. 構造成因：

   • 地處板塊碰撞帶：花蓮地區位於菲律賓海板塊與歐亞板塊的碰撞邊界，構造活動活躍，斷層密集。這些斷層可能導致岩體破碎，形成不連續面，降低了邊坡的穩定性。
   • 斷層與節理：區域內發育的斷層、節理和裂隙，提供了岩體崩塌的潛在滑動面。若崩塌發生在這些結構面上，更容易形成大規模的滑動。
   • 地震誘發：雖然題目假設是「崩塌」形成堰塞湖，但地震是誘發山體崩塌的重要因素。台灣地震頻繁，若發生在馬太鞍溪流域，強烈的震動可能直接誘發大規模的邊坡失穩。

綜合來說，馬太鞍溪大規模崩塌形成堰塞湖，是地質脆弱性（岩性、坡度、風化）與環境誘因（降雨、地震）共同作用的結果，且其地質背景與構造活動（板塊碰撞、斷層發育）密切相關。

二、堰塞湖形成後對自然環境與人類活動的影響：

堰塞湖的形成，會對區域的自然環境和人類活動產生多方面的影響，既有潛在的正面效應，但更多的是嚴峻的挑戰和風險。

1. 對自然環境的影響：
   • 河道改變與生態系變化：
     • 上游：溪流被阻斷，水流減緩，上游河道被淹沒，形成湖泊。原有的河岸、溪流生態系被改變，水生生物可能面臨生存危機，但同時也可能形成新的濕地生態系。
     • 下游：溪流的水量和水質會受到影響，可能因上游崩塌物進入而變差。