109 年 國立臺灣大學地質科學系碩士班地質組《地球歷史》

本大題為選擇題，共五題，每題配分 2 分，總計 10 分。主要考驗學生對於沉積環境、地球化學定年、板塊構造、大陸邊緣形成機制、以及層序地層學基本概念的理解。

1. 碳酸鹽補償深度 (CCD) 與沉積物：
   CCD 是指海水中的碳酸鈣飽和度降至零的深度。在這個深度以上，碳酸鈣沉積物（如浮游有孔蟲、鈣質渦鞭毛藻的外殼）可以穩定存在並堆積。然而，在 CCD 以下，海水會溶解碳酸鈣，因此以碳酸鈣為主的沉積物難以在此深度堆積。
   (a) Halite (岩鹽) 是蒸發岩，通常在乾旱環境下的淺海或湖泊中形成，與 CCD 無關。
   (b) Dolomite (白雲石) 是一種碳酸鹽礦物，雖然與碳酸鹽沉積有關，但其形成機制與 CCD 並非直接對應，且在 CCD 以下溶解性會增加。
   (c) Radiolarians (放射蟲) 屬於矽質浮游生物，其外殼主要由二氧化矽組成，不受 CCD 影響，因此在 CCD 以下可以大量沉積。
   (d) Foraminifera (有孔蟲) 屬於鈣質浮游生物，其外殼主要由碳酸鈣組成，在 CCD 以上才能有效堆積。
   結論： 在 CCD 以下，只有非碳酸鈣組成的沉積物才能穩定存在。放射蟲的外殼是二氧化矽，因此是 CCD 以下的主要沉積物之一。
   【答案】(c)

2. 深海岩心的化學地層定年對比：
   化學地層（chemostratigraphy）是利用岩石或沉積物中化學成分的變化來進行地層劃分和對比，常用於定年。在深海岩心中，同位素的變化是重要的指標。
   (a) Sr (鍶) 同位素，特別是 $^ {87}\text{Sr}/^ {86}\text{Sr}$ 比值，在海水中隨時間有明顯的變化趨勢，是目前應用最廣泛的海洋化學定年指標之一，適用於數百萬年到數億年的地層對比。
   (b) O (氧) 同位素，特別是 $^ {18}\text{O}/^ {16}\text{O}$ 比值，在深海溫度計（benthic foraminifera）中廣泛應用，反映了全球冰量和海水溫度變化，是重要的古氣候指標，也可用於地層對比，但其變化受溫度和冰量影響，不如 Sr 的長期趨勢穩定。
   (c) Ca (鈣) 的同位素變化相對較小，不常作為主要的定年對比指標。
   (d) Th (釷) 是一種放射性元素，其同位素（如 $^ {230}\text{Th}$）可用於較短時間尺度（數十萬年）的沉積物定年，但不如 Sr 適用於廣泛的地質時間尺度對比。
   結論： $^ {87}\text{Sr}/^ {86}\text{Sr}$ 比值是深海岩心進行長時間尺度化學地層對比的最佳選擇之一，因其在海水中具有全球同步性且變化趨勢相對平滑。
   【答案】(a)

3. 被動大陸邊緣地殼下沉原因：
   被動大陸邊緣（passive continental margin）是指與板塊邊界無關，位於大陸地殼與海洋地殼之間，通常由裂谷作用形成。其形成後，大陸邊緣會經歷緩慢的沉降。
   (a) 海洋地殼熱收縮：海洋地殼在擴張脊形成後，會逐漸冷卻並向外移動，冷卻導致其密度增加，收縮下沉，這是被動大陸邊緣形成後持續沉降的主要原因。
   (b) 正斷層活動：正斷層活動（如地壘、地塹）通常與張力有關，可能在 Rift 階段發生，但不是被動邊緣形成後的持續下沉主因。
   (c) 山脈荷重：山脈荷重（orogenic loading）是碰撞造山帶的特徵，與被動邊緣無關。

核心觀念

本題考地質年代的層級，以及地質年代名稱和地質時間單位的對應。由大到小的時間單位依序為：

表格中，Phanerozoic（顯生宙）之下列出 Mesozoic（中生代）、Cretaceous（白堊紀）、Late Cretaceous（晚白堊世）與 Maastrichtian（馬斯垂克期）。另一支則列出 Cenozoic（新生代）、Paleogene（古近紀）、Paleocene（古新世），以及 Danian、Selandian、Thanetian 三個年代名稱。

解題方法

先從已知的名稱辨認層級，再填入左側對應的時間單位：

• Phanerozoic 是宙，對應 Eon。
• Mesozoic 是代，對應 Era。
• Cretaceous、Paleogene 是紀，對應 Period。
• Late Cretaceous、Paleocene 是世，對應 Epoch。
• Maastrichtian、Danian、Selandian、Thanetian 是期，對應 Age。

接著依地質年代的先後關係填名稱。Cenozoic 位於 Phanerozoic 之下，和 Mesozoic 同屬代；Paleogene 是 Cenozoic 之下的紀；其下方由 Danian、Selandian、Thanetian 三個 Age 組成的世是 Paleocene。

選項分析

魏格納（Alfred Wegener）在 1912 年提出的大陸漂移學說（後演變為板塊構造學說的基礎）是基於對地球表面現象的觀察，並提出了五個主要證據來支持他的理論：

1. 海岸線的吻合性 (Fit of the Continents)： 魏格納注意到南美洲東海岸與非洲西海岸的輪廓非常相似，彷彿可以拼湊在一起，就像兩塊拼圖一樣。這暗示了它們曾經是連接在一起的。
2. 古生物學證據 (Fossil Evidence)： 在現在分離的大陸上，發現了相同種類的陸生生物化石。例如，在南美洲和非洲發現了舌羊齒植物（Glossopteris）的化石，這種植物無法在海洋中生存。此外，在分隔的陸地上還發現了中龍（Mesosaurus）等淡水爬行動物的化石，牠們也無法跨越廣闊的海洋。這表明這些生物曾經生活在一個連續的陸地上。
3. 岩石學和地質構造證據 (Rock and Structural Evidence)： 在分隔的大陸上，發現了相似的地質構造和岩石類型。例如，在非洲南端和南美洲東南端發現了相同年齡和構成的古老山脈（如阿巴拉契亞山脈在北美和加勒比地區也有對應的痕跡），這些山脈在漂移後被分隔開。

此題考驗學生對地球歷史上不同時期海陸分布格局的認識，以及與現代格局的比較分析。圖中顯示了一個高度大陸集中的格局，與現代分散的大陸分布截然不同。

圖示海陸分佈格局所代表的時期：
圖中顯示的格局，大陸高度集中，形成一個巨大的超大陸，這與約 3 億年前至 2 億年前（晚古生代至中生代早期）的盤古大陸（Pangaea）時期非常相似。盤古大陸是地球歷史上最後一個形成的大型超大陸。

與現代海陸分佈的主要區別：

1. 大陸的集中程度：

   • 圖示時期 (盤古大陸)： 大部分陸地集中在一起，形成一個單一的巨大超大陸，被一個巨大的海洋（泛大洋 Panthalassa）環繞。
   • 現代： 大陸分散，形成七大洲，被太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋、南冰洋等多個大洋分隔。

2. 海岸線的數量和複雜度：

   • 圖示時期： 超大陸的海岸線相對較少且平滑，因為大部分是大陸內部，與海洋的接觸面相對較小。
   • 現代： 大陸分散，海岸線數量龐大且極為複雜，有眾多半島、島嶼、海灣和峽灣，總長度遠超超大陸時期。

3. 海洋的分布和大小：

   • 圖示時期： 存在一個巨大的泛大洋，以及一些較小的陸間海（如古地中海 Tethys Sea）。
   • 現代： 存在多個大小不一的大洋，如太平洋（最大的海洋）、大西洋、印度洋等。

此題考查學生對影響地球氣候變化的外因和內因的理解，特別是與米蘭科維奇循環（Milankovitch cycles）相關的參數和週期。米蘭科維奇循環是解釋過去幾十萬年間地球冰期-間冰期循環的主要理論之一。

影響地球氣候的因素：

• 外因 (External Factors)： 主要指地球系統以外的因素，對地球氣候有影響。

  • 太陽輻射變化： 太陽本身活動的週期性變化（如太陽黑子週期）會影響到達地球的太陽輻射量。
  • 米蘭科維奇循環 (Milankovitch Cycles)： 這是指由於地球繞太陽公轉軌道的參數（如偏心率、黃赤交角、近日點的軌道位置）隨時間的週期性變化，導致到達地球的太陽輻射量在不同緯度、不同季節的分布發生週期性變化。這是外因中最重要的部分，也是本題的重點。
  • 隕石撞擊： 大規模的隕石撞擊會向大氣中釋放大量塵埃和氣體，影響太陽輻射的進入，從而改變氣候。

• 內因 (Internal Factors)： 主要指地球系統內部（大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈）的相互作用和反饋機制。

  • 溫室氣體濃度變化： 大氣中 CO2, CH4, N2O 等溫室氣體的濃度變化是影響氣候（特別是長期變暖）的最重要內因之一。這些變化可能源於火山活動、生物活動（如植被變化、海洋生物活動）、以及人類活動。
  • 火山活動： 火山噴發會釋放大量氣體（如 CO2, SO2）和塵埃。SO2 形成硫酸鹽氣溶膠，可以反射太陽輻射，導致短期降溫；而 CO2 則會導致長期增溫。
  • 洋流變化： 洋流是熱量在地球表面重新分配的重要方式，其變化會顯著影響區域和全球氣候。
  • 冰雪圈的反饋： 冰雪的覆蓋面積（反照率）會影響地球對太陽輻射的反射率。冰雪越多，反射越多，導致降溫（負反饋）；冰雪融化，則吸收更多輻射，導致增溫（正反饋）。
  • 生物活動： 植被的變化（如森林砍伐、光合作用）會影響碳循環和地表反照率。
  • 地質構造變化： 大陸的分布、山脈的形成等會影響大氣環流和洋流。

米蘭科維奇的參數與週期：
米蘭科維奇循環主要有三個參數的週期性變化，影響地球接收到的太陽輻射量，進而驅動冰期-間冰期循環。

1. 軌道偏心率 (Eccentricity)：

   • 參數： 地球繞太陽公轉軌道的橢圓程度。軌道偏心率的變化週期約為 10 萬年和 40 萬年。
   • 週期： 約 10 萬年。
   • 影響： 影響地球在軌道上不同位置接收到的太陽輻射總量差異。偏心率越大，地球在近日點和遠日點接收到的輻射量差異越大。

2. 黃赤交角 (Obliquity / Axial Tilt)：

   • 參數： 地球自轉軸相對於公轉軌道平面的傾斜角度。黃赤交角的變化週期約為 4.1 萬年。
   • 週期： 約 4.1 萬年。
   • 影響： 影響地球上不同緯度地區接收到的季節性太陽輻射量。傾角越大，季節差異越大；傾角越小，季節差異越小。

3. 近日點的軌道位置 (Precession of the Equinoxes)：

   • 參數： 地球的近日點（離太陽最近的點）在軌道上的位置隨時間的變化。這個位置與春分、秋分點的進動有關。其週期約為 1.9 萬年和 2.3 萬年（稱為軌道進動）。
   • 週期： 約 1.9 萬年至 2.3 萬年。
   • 影響： 決定了地球在何時處於近日點（接收最多太陽輻射）或遠日點（接收最少太陽輻射），進而影響北半球或南半球的夏季或冬季的強度。

填寫空格：
根據題目要求，需要填寫外因和內因，以及米蘭科維奇的參數和週期。

• 外因 (External)： 最主要的是 太陽輻射變化 或 米蘭科維奇循環。
• 內因 (Internal)： 最主要的是 溫室氣體濃度變化 或 火山活動。
• 米蘭科維奇參數： 軌道偏心率 (Eccentricity)、黃赤交角 (Obliquity)、近日點位置 (Precession)。
• 米蘭科維奇週期： 約 10 萬年 (偏心率)、約 4.1 萬年 (黃赤交角)、約 1.9-2.3 萬年 (近日點位置)。

實際填寫時，需要根據空格的大小和題目的提示來決定填寫的精確度。
題目給了外因(1)和內因(6)的空格，參數(1.5)和週期(1.5)的空格。
通常，外因主要指太陽輻射的變化，內因指地球系統自身的反饋。
米蘭科維奇循環的參數和週期是外因中最重要的部分。

假設填寫內容如下：

• 外因 (external)： 太陽輻射變化 (Solar Radiation Variation)
• 內因 (internal)： 溫室氣體濃度 (Greenhouse Gas Concentration) / 火山活動 (Volcanic Activity) / 冰雪反饋 (Ice-albedo Feedback) 等。由於空格較大，可以填寫一個或多個。
• 參數 (parameter)： 軌道偏心率 (Eccentricity) / 黃赤交角 (Obliquity) / 近日點位置 (Precession)
• 週期 (cycle)： 約 10 萬年 (100 kyr) / 約 4.1 萬年 (41 kyr) / 約 2 萬年 (20 kyr)

本題的重點是米蘭科維奇循環。
所以，外因最直接的答案就是「米蘭科維奇循環」。
內因則指地球系統對此的響應。

更精確的填寫：

• 外因 (external)： 米蘭科維奇循環 (Milankovitch Cycles)
• 內因 (internal)： 溫室氣體濃度變化 (Greenhouse Gas Concentration Change)

本題考查學生對放射性衰變基本原理、數學關係式以及半衰期概念的理解。

1. 放射性強度隨時間的變化關係：
放射性衰變是一個一階反應，其衰變速率與母核素的數量成正比。假設在時間 $t=0$ 時，母核素的數量為 $N_0$ (或強度為 $A_0$)；在時間 $t$ 時，母核素的數量為 $N$ (或強度為 $A$)。衰變常數為 $\lambda$。
放射性衰變的微分方程式為：
$\frac{dN}{dt} = -\lambda N$
此微分方程式的積分解為：
$N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$
由於放射性強度（或稱為放射性活度）與母核素的數量成正比，即 $A = \lambda N$，所以強度隨時間的變化關係也遵循相同的指數衰減規律：
$A(t) = A_0 e^{-\lambda t}$
其中，$A_0$ 是初始強度（在 $t=0$ 時），$A(t)$ 是在時間 $t$ 時的強度。

2. 何謂半衰期 ($T_{1/2}$)？
半衰期是指放射性核素的數量（或強度）衰減到其初始值一半所需的時間。換句話說，當 $t = T_{1/2}$ 時，母核素的數量 $N$ 為 $N_0/2$ (或強度 $A$ 為 $A_0/2$)。

3. 導出 $A$ 與 $\lambda$ 與 $T_{1/2}$ 的關係：
根據半衰期的定義，當 $t = T_{1/2}$ 時，$A = A_0/2$。

本題為問答題，要求學生闡述核能發電的優缺點，並提出個人看法。這涉及到能源政策、環境影響、社會經濟等多方面的考量。

核能的優點：

1. 高能量密度與效率： 核分裂反應能釋放出巨大的能量，僅需少量核燃料（如鈾）即可產生大量電力，遠高於化石燃料。
2. 低溫室氣體排放： 在發電過程中，核能發電不直接燃燒化石燃料，因此不會產生二氧化碳等溫室氣體，有助於減緩氣候變遷。
3. 能源獨立性與穩定性： 對於一些缺乏化石燃料資源的國家，核能可以提供穩定的電力來源，減少對進口能源的依賴。核燃料的儲存量相對較大，且可以長期穩定供應。
4. 佔地面積相對較小： 相較於相同發電量的太陽能或風力發電廠，核能電廠所需的土地面積較小。
5. 技術成熟度： 核能發電技術經過數十年的發展，已相對成熟，運行穩定性高。

核能的缺點：

1. 核廢料處理問題： 核能發電會產生高放射性核廢料，其放射性衰變週期長達數萬年甚至數十萬年，處理和儲存技術複雜且成本高昂，存在長期環境與安全風險。
2. 核事故風險： 儘管機率不高，但一旦發生核事故（如車諾比、福島），將會釋放出大量放射性物質，對環境、生態和人類健康造成毀滅性影響，且難以清理。
3. 核擴散風險： 核能技術和核材料（如鈽）可能被用於製造核武器，存在核擴散的潛在風險。
4. 高昂的建置成本與退役成本： 核能電廠的建設成本極高，且退役（除役）過程也極為複雜且昂貴。
5. 社會接受度與公眾恐懼： 由於核事故的風險和核廢料問題，公眾對核能的接受度普遍較低，常引發社會爭議。
6. 鈾礦開採的環境問題： 鈾礦的開採過程可能對環境造成污染，並有潛在的健康風險。

個人對是否需要核能的看法：
（此部分為開放性問題，答案會因個人立場、對風險的評估、對替代能源的發展前景等因素而異。以下提供一個可能的回答方向，學生可自行發揮。）

我認為，在現階段，核能仍然是應納入能源結構考量的重要選項之一，但必須在嚴格的風險管控下進行。

本題要求解釋五個地質學和古生物學上的名詞，每個名詞約配分 2 分，總計 10 分。

8a. 埃迪卡拉動物群 (Ediacaran Fauna)
埃迪卡拉動物群是出現在前寒武紀末期（約 6.35 億至 5.41 億年前，埃迪卡拉紀）的一類奇特的、與現生動物截然不同的多細胞生物化石。牠們的特徵包括：

• 年代： 主要發現於埃迪卡拉紀（Ediacaran Period），是地球上最早出現的、形態複雜的多細胞生物群。
• 形態： 形態多樣，但普遍具有扁平、分節、或呈羽毛狀、圓盤狀、葉狀的結構，許多沒有明顯的口腔、肛門或骨骼。牠們的身體結構與現代動物的兩側對稱性或輻射對稱性有很大差異，有時被稱為「試驗性」或「奇異」的生物。
• 生態： 大多數被認為是固著生活在海底的濾食者或分解者。
• 演化意義： 牠們代表了複雜多細胞生物演化的早期階段，為寒武紀生命大爆發（Cambrian Explosion）的出現奠定了基礎，但牠們的演化歸屬和與現生動物的關係仍有爭議。

8b. 金釘子 (GSSP - Global Boundary Stratotype Section and Point)
金釘子（GSSP）是國際地層委員會（International Commission on Stratigraphy, ICS）為定義地質年代表中某個地層單位（如紀、世）的精確界線而選定的全球標準參考點。

• 目的： 確保全球地層劃分的一致性和準確性，為地質時間尺度提供客觀的標準。
• 選擇標準： GSSP 通常選在一個能夠清晰記錄該界線事件（如生物大滅絕、生物群的出現或消失、地球化學異常等）的地層剖面。
• 形式： 是一個特定的地層剖面中的一個特定岩層（或其上的特定標誌物），被指定為某個地層單位的起始點。例如，寒武紀-奧陶紀界線的 GSSP 位於愛沙尼亞的 Kallavere 採石場。
• 重要性： GSSP 是確定地質時間尺度關鍵節點的「金標準」，是全球地質學家共同遵守的基準。

8c. 三葉蟲 (trilobites)
三葉蟲是一類已滅絕的節肢動物，生活在古生代（約 5.21 億年前的寒武紀早期至約 2.52 億年前的二疊紀末期）。

• 特徵： 牠們的身體由三片縱向的葉狀結構組成，因此得名「三葉蟲」。身體通常被分為頭部（cephalon）、胸部（thorax，由多個節組成）和尾部（pygidium）。牠們有外骨骼，會定期蛻殼生長。
• 多樣性： 三葉蟲是古生代最繁盛的海洋無脊椎動物之一，種類繁多，形態各異，廣泛分佈於全球海洋。
• 地質意義： 由於牠們種類多、分佈廣、演化快且有固定的地質年代，三葉蟲是古生代重要的標準化石，常用於地層劃分和對比。

本題為問答題，共兩小題，總計 15 分。9a小題考查恐龍滅絕的年代和原因；9b小題考查野柳地質公園的沙錢化石及其定義。

9a. 恐龍滅絕的年代與原因 (約 10 分)

• 滅絕的地質時期：
  除了鳥類恐龍（即現代鳥類）的祖先之外，非鳥類恐龍（Non-avian dinosaurs）大約在 白堊紀末期（Late Cretaceous） 滅絕。這次滅絕事件標誌著中生代（Mesozoic Era）的結束和新生代（Cenozoic Era）的開始。確切的地質時間約為 6600 萬年前。這次大滅絕事件也被稱為「白堊紀-古近紀滅絕事件」（Cretaceous-Paleogene extinction event, K-Pg extinction event）。

• 造成大滅絕的主要原因：
  目前學術界普遍接受的理論是，這次大滅絕是由多種因素共同作用的結果，其中最主要且影響最廣泛的因素是：

  1. 小行星撞擊地球 (Asteroid Impact)：

     • 證據： 在全球範圍內，特別是在墨西哥尤卡坦半島的奇克蘇魯伯（Chicxulub）地區發現了一個巨大的撞擊坑（直徑約 180 公里），其形成年代與白堊紀末期大滅絕的時間吻合。同時，在這一時期的地層中發現了富含銥（Iridium，一種在地球表面稀有的元素，但在小行星中較為常見）的黏土層，以及撞擊石英（shocked quartz）、玻璃隕石（tektites）等撞擊證據。
     • 影響： 這次規模巨大的撞擊引發了一系列災難性的全球性事件，包括：
       • 衝擊波和熱輻射： 撞擊瞬間產生極強的衝擊波和高溫，可能引發大規模野火。
       • 海嘯： 撞擊海洋，引發毀滅性的海嘯。
       • 長期氣候變遷： 大量塵埃和氣溶膠進入大氣層，遮蔽陽光，導致全球進入「撞擊冬天」（impact winter），植物光合作用中斷，食物鏈崩潰。之後，撞擊釋放的大量二氧化碳等溫室氣體可能導致長期升溫。
       • 酸雨： 撞擊可能引發酸雨。

  2. 大規模火山活動 (Massive Volcanic Activity)：

     • 證據： 在白堊紀末期，印度地區的德干暗色岩（Deccan Traps）發生了大規模的火山噴發，持續了數十萬年，噴出了大量的熔岩和氣體。
     • 影響： 大規模火山噴發釋放的二氧化碳、二氧化硫等氣體，可能導致：
       • 長期氣候變遷： CO2 導致溫室效應，引起全球升溫；SO2 形成硫酸鹽氣溶膠，可能導致短期降溫，但長期影響是氣候系統的劇烈波動。
       • 海洋酸化： 大量 CO2 溶解於海水，導致海洋酸化，影響海洋生物（特別是鈣質外殼的生物）。