109 年 國立臺灣大學地質科學系碩士班地質組《地質科學》

水火同源是地質學上一個有趣的現象，指的是在同一地點同時出現有火焰噴發（例如天然氣冒出燃燒）和泉水湧出（或有地下水流）的現象。這通常與地下的熱源和氣體儲存有關。

臺灣藍寶是台灣特有的一種礦石，其學名為「藍玉髓」（Blue Chalcedony）。它並非真正的藍寶石（Sapphire），而是屬於石英（Quartz）的一種隱晶質集合體。

黑曜岩（Obsidian）是一種火山玻璃，屬於火成岩中的噴出岩。它的形成過程非常快速，當富含二氧化矽（SiO$_2$）的熔岩（ लावा）噴出地表後，由於冷卻速度極快，以至於岩漿中的原子來不及排列成規則的晶體結構，因而形成了非晶質的玻璃質結構。

紅壤（Laterite）是一種主要形成於熱帶和亞熱帶地區、富含鐵和鋁氧化物、顏色呈紅褐色的土壤。它的形成與強烈的化學風化作用有關。

在炎熱潮濕的熱帶氣候下，岩石中的矽酸鹽礦物會被大量淋洗（leaching），而鐵和鋁的氧化物則相對不易溶解，因此在土壤中富集，呈現出特有的紅色。

河川襲奪（Stream Piracy），又稱河川越域（Stream Capture），是指一條河流因為侵蝕作用而改變其河道，進而截斷了另一條河流的部分或全部流域，將其水源「襲奪」到自己的河道中。

這種現象的發生通常是因為兩條河流的侵蝕速率不同。例如，當一條河流（襲奪河流）的下切侵蝕作用較強，或者其河道較短、坡度較大，使得它能夠快速地向下游侵蝕，進而向側方侵蝕，直到與另一條河流（

峽灣（Fjord）是一種由冰川侵蝕形成的狹長、深邃的海灣，其兩側通常有陡峭的山壁。峽灣是典型的冰川地貌，主要出現在高緯度地區，如挪威、格陵蘭、加拿大、智利、紐西蘭等地。

峽灣的形成過程如下：在冰河時期，巨大的冰川沿著原有的河流河谷向下游移動，其巨大的重量和流動對基岩產生強烈的侵蝕和刨蝕作用（glacial erosion），將河谷不斷加深、拓寬，並形成U形的谷地。當冰河時期結束，冰川融化後，海水灌入這些被冰川刨蝕形成的深邃谷地，就形成了峽灣。

核心觀念
本題測驗的是「極漂」(Polar wandering) 與地磁場、板塊運動的關係，重點在於了解地球自轉軸相對於地殼的長期變化，及其對古地磁資料的解釋意義。

詳解

1. 概念說明

   • 極漂 (Polar wandering)：指的是在地質時間尺度上，地球自轉軸（地磁極）在相對於地殼的坐標系中緩慢移動的現象。
   • 這種移動不是因為地球自轉軸本身改變方向，而是因為地殼板塊相對於地磁場的漂移。在古地磁研究中，我們把「磁極」視為固定不動，利用岩石記錄的磁化方向來追蹤「極漂」的軌跡。

2. 產生原因

   • 地球內部的流體外核產生的地磁場會隨時間變化，但在長期（數百萬至數千萬年）尺度上，地磁場的主軸一般保持近乎穩定，磁極位置的變動主要反映板塊相對運動。
   • 隨著板塊漂移，岩石所在位置改變，導致相同時間點的古地磁資料在不同位置顯示不同的磁偏角與傾角，這在地圖上呈現為「極點」的軌跡，即極漂。

3. 觀測與重建

   • 透過古地磁樣本（如玄武岩、沉積岩的熱記錄），測量其磁化方向（磁傾角 $I$、磁偏角 $D$），再利用古地磁重建公式將其換算成相對於當時地磁北極的緯度與經度。
   • 把同一時期、不同位置的古地磁站點資料繪製在地圖上，即可得到一條極漂路徑（Apparent Polar Wander Path, APWP）。

核心概念
本題測驗的是學生對於地球內部結構，特別是 D‴層（D double‑prime layer） 的認知。此層位於地函最下部、核‑地函界面（CMB）之上，因其特殊的地震波速與化學性質常被獨立列為一層。

詳解

1. 位置與範圍

   • D‴層位於 核心與地函之間 的最底部，緊貼 核心‑地函界面（CMB）。
   • 通常厚度約 200–300 km，從 CMB（約 2 900 km 深）往上延伸至約 2 600 km 深。

2. 命名來源

   • 在地震學的 波速模型（如 PREM） 中，低層的速度異常被標記為 “D”，而在此基礎上更底部的異常以 雙引號（“’’”） 表示，故稱 D‴（讀作 “D double‑prime”）。

3. 物理與化學特徵

   • 速度異常：
     • S‑波（剪切波） 速度明顯降低，$V_S$ 約比上層地函低 5–10 %。
     • P‑波（壓縮波） 同樣呈下降趨勢，$V_P$ 約低 2–5 %。
   • 高溫高壓：壓力約 135–140 GPa，溫度估計 2500–3000 K，是地球最熱的岩石區域之一。

轉形斷層（Transform Fault）是一種特殊的斷層，主要發生在大洋中脊（mid-ocean ridges）等板塊邊界，其特徵是兩個板塊沿著斷層面作水平方向的錯動（strike-slip motion）。

轉形斷層的形成與板塊擴張的過程密切相關。在大洋中脊，由於地函物質上湧形成新的地殼，地殼會向兩側擴張。然而，擴張並非連續發生，而是以「段落式」的方式進行，中間由轉形斷層隔開。這些轉形斷層的走向與中脊的擴張方向垂直，且錯動方向與擴張方向相反（即兩個板塊互相錯開）。

地殼均衡（Isostasy）是指地球的岩石圈（包括地殼和上部地幔）處於一種浮力平衡狀態，就像木塊漂浮在水面上一樣。這個概念解釋了為什麼不同厚度和密度的陸地和海洋地殼能夠穩定地存在於軟流圈（asthenosphere）之上。

地殼均衡的原理可以由艾里（Airy）模型和普拉特（Pratt）模型來解釋：

• 艾里模型（Airy Model）：認為地殼的密度是相對均勻的，但其厚度 varies。例如，高聳的山脈地體在地殼下方有較深的地根（root），支撐著地表的高度；而平原地區的地殼則較薄。
• 普拉特模型（Pratt Model）：認為地殼的厚度大致是均勻的，但其密度 varies。

不整合（Unconformity）是指地層中一段時間的地層記錄缺失，通常是因為沉積作用中斷、侵蝕作用發生，然後沉積作用又重新開始所形成的地質介面。它代表了地質時間上的間斷。

以下說明三種主要的不整合類型，並輔以圖示說明：

1. 平行不整合 (Disconformity)：

   • 說明：上下兩套地層的沉積層面是平行的，但中間存在一個侵蝕面（erosional surface）。這種不整合的辨識較為困難，通常需要透過化石記錄或詳細的岩性對比來確定地層記錄的中斷。
   • 圖示：

     ------- 侵蝕面 -------
     ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ (上層沉積岩，層理平行)
     ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ (下層沉積岩，層理平行)
     

2. 角度不整合 (Angular Unconformity)：

   • 說明：下方的地層被傾斜或褶皺，然後受到侵蝕，之後上方的新地層才以平行於侵蝕面的方式沉積。這種不整合的特徵是上下兩套地層的層理方向不同，形成明顯的角度差異。
   • 圖示：

            / / / / / / (上層沉積岩，水平)
     

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的聚合邊界，板塊碰撞作用塑造了臺灣複雜的地質構造。臺灣本島主要的地質構造帶，依據其形成的地質背景和岩性特徵，可大致劃分為以下四個區域，並列出其主要岩石類型：

1. 西部麓山帶 (Western Foothills)：

   • 說明：位於臺灣西部，是中央山脈的西側，由一系列褶皺和斷層構成的丘陵地帶。此區域主要由新生代（第三紀和第四紀）的沉積岩構成，這些沉積物主要來自大陸邊緣或淺海環境。
   • 主要岩石：
     • 砂岩 (Sandstone)：由石英、長石等顆粒膠結而成，是構成丘陵的主要岩石。
     • 頁岩 (Shale)：細粒的沉積岩，常與砂岩互層。
     • （其他可能包括泥岩、礫岩等）

2. 中央山脈 (Central Mountain Range)：

   • 說明：臺灣本島最主要的山脈，由強烈的造山運動形成。此區域的地層變質程度較高，包含了變質岩和部分較古老的沉積岩。
   • 主要岩石：
     • 變質岩 (Metamorphic Rocks)：如板岩 (Slate)、千枚岩 (Phyllite)、片岩 (Schist)、片麻岩 (Gneiss)，這些是台灣高山地區最普遍的岩石。
     • 砂岩與頁岩 (Sandstone and Shale)：部分區域仍保留有未完全變質或變質程度較低的沉積岩。

蛇綠岩套（Ophiolite）是地質學上一個非常重要的概念，它代表了一段被抬升並暴露在地表的海洋地殼及其上覆地函的組合。典型的蛇綠岩套是透過板塊碰撞，當大陸地殼與海洋地殼碰撞時，部分海洋地殼被「鏟」到大陸地殼之上而形成。

(a) 由淺至深列出海洋地殼及上部地函的主要岩石 (10分)

典型的蛇綠岩套層序，由最上層（淺層）到最下層（深層），主要包含以下岩石單元：

1. 海洋沉積物 (Oceanic Sediments)：

   • 最上層，通常是薄層的，包括深海黏土 (Pelagic Clay)、放射蟲泥 (Radiolarian Chert) 或有時是碳酸鹽沉積物（如白堊紀的軟泥）。這些是海洋表層沉積物。

2. 玄武岩層 (Basalts)：

   • 由枕狀熔岩 (Pillow Basalts) 組成，這是海底火山噴發形成的。
   • 下方可能還有一個岩脈群 (Sheeted Dike Complex)，由垂直的、未完全冷卻的岩漿侵入體組成，代表了海洋地殼的形成區域（如大洋中脊）。

3. 輝石岩層 (Gabbros)：

   • 這是海洋地殼的下部，由較粗粒的鎂鐵質火成岩組成，是岩漿在高壓下緩慢冷卻結晶形成的。包括層狀輝石岩 (Layered Gabbros) 和均質輝石岩 (Homogeneous Gabbros)。

4. 上部地函岩石 (Upper Mantle Rocks)：

   • 位於輝石岩層之下，是蛇綠岩套的底部。

被動大陸邊緣（Passive Continental Margin）和活動大陸邊緣（Active Continental Margin）是描述大陸地殼與海洋地殼之間轉換區域的兩種基本類型，它們在形成機制、地質特徵和板塊活動上存在顯著差異。

一、形成機制與板塊活動

• 被動大陸邊緣 (Passive Continental Margin)：

  • 機制：發生在板塊的離散邊緣 (divergent boundary)，即大陸地殼正在張裂、分離，並形成新的大洋盆地（如大西洋）。
  • 板塊活動：屬於板塊張裂與擴張的過程。地殼變薄、下陷，形成大陸棚、大陸坡和大陸隆。此區域與板塊邊界相對較遠，板塊活動相對穩定，地震和火山活動非常少。

• 活動大陸邊緣 (Active Continental Margin)：

  • 機制：發生在板塊的聚合邊緣 (convergent boundary)，即一個板塊向另一個板塊匯聚。通常是海洋地殼向大陸地殼下方俯衝（隱沒）。
  • 板塊活動：屬於板塊碰撞與俯衝的過程。伴隨著劇烈的地震、火山活動和造山運動。

二、地形特徵

• 被動大陸邊緣：

  • 大陸棚 (Continental Shelf)：寬廣、平緩、坡度極小的淺水區域，是延伸到海中的大陸地殼部分。
  • 大陸坡 (Continental Slope)：坡度陡峭，連接大陸棚與深海平原，是地殼變薄、斷裂的區域。
  • 大陸隆 (Continental Rise)：位於大陸坡下方，由沉積物堆積形成的緩坡。
  • 整體地形較為平緩，缺乏劇烈起伏。

• 活動大陸邊緣：

  • 海溝 (Oceanic Trench)：位於俯衝帶前方，是極深的狹長凹陷，代表海洋地殼開始向下彎曲隱沒的地方。
  • 火山弧 (Volcanic Arc)：位於大陸地殼一側，與海溝平行，由俯衝板塊熔融後上升的岩漿形成的火山鏈（如安第斯山脈）。
  • 地震帶 (Seismic Belt)：通常伴隨有深淺不一的地震發生。
  • 地形變化劇烈，有深邃的海溝和高聳的火山。

三、地質構造

• 被動大陸邊緣：
  • 斷層：主要是正斷層 (normal faults)，反映了地殼的張裂和拉伸。
  • 沉積物：厚層的陸源沉積物（砂、頁岩、礫岩），在地殼張裂下陷的盆地中堆積。
  • 變質作用：較少，除非有後期的構造變動。