111 年 國立臺灣大學地質科學系碩士班地質組《地球構造》

本題為選擇題，共包含十個名詞解釋，總配分為 40%，平均每項 4 分。以下逐一解釋：

(1) Growth fault:
Growth fault 是一種正斷層，其特徵是在斷層下降盤（hanging wall）的沉積物厚度隨著時間推移而增加，顯示斷層在沉積過程中持續活動。這表示斷層活動與沉積速率之間存在時間上的關聯。
【答案】在沉積盆地中，隨著沉積物的堆積，斷層活動持續發生，導致斷層下降盤的沉積物厚度增加的斷層。

(2) Reverse fault & thrust fault:
Reverse fault 是指下降盤相對於上升盤（footwall）向上移動的逆衝斷層，傾角大於 90 度。Thrust fault 則是逆衝斷層的一種，其傾角小於 30 度，同樣是下降盤相對於上升盤向上移動。兩者皆是壓縮應力作用下的產物。
【答案】Reverse fault 為傾角大於 90 度的逆衝斷層；Thrust fault 為傾角小於 30 度的逆衝斷層。兩者皆為擠壓應力下的產物，使下降盤相對於上升盤抬升。

(3) Antiformal syncline & synformal anticline:
Antiformal syncline 指的是一個向斜（syncline），但其軸面（axial plane）朝上，形成類似背斜（anticline）的形狀。Synformal anticline 則是一個背斜，但其軸面朝下，形成類似向斜的形狀。這兩種情況通常發生在複雜的褶皺變形中，或是由多期變形疊加所造成。
【答案】Antiformal syncline 指的是軸面朝上的向斜；Synformal anticline 指的是軸面朝下的背斜。

(4) Simple shear & pure shear:
Simple shear 是一種變形模式，其中所有速度向量都平行於一個固定平面，且速度大小與到該平面的垂直距離成正比。在固體力學中，這意味著物體僅發生剪切變形，沒有體積變化，且應變率張量中只有一個非零的剪應變分量。Pure shear 則是一種變形模式，其中主要應力軸（principal stress axes）與變形體保持固定方向，且應變率張量中只有一個非零的正規應變分量，另外兩個分量大小相等且符號相反，總體積不變。
【答案】Simple shear 指在固定平面上，速度與垂直距離成正比的剪切變形；Pure shear 指主要應力軸方向不變，僅沿單一方向產生應變，且體積不變的變形。

(5) Mylonite & pseudotachylite:
Mylonite 是一種在強烈的剪切應力作用下，於地殼中度至高溫環境下形成的變質岩石，其特徵是細粒的基質和發育良好的葉理（foliation）。

本題考驗對泥岩が（mud diapir）成因及其相關構造的理解。

機制（Mechanism）：
泥岩が（Mud diapir）的形成是由於地層中富含水分的泥岩或頁岩，由於其密度小於周圍的沉積物，在持續的沉積壓力下，會產生向上運動的浮力。當這些泥岩或頁岩被圍困在較高密度的沉積物中時，這些低密度的泥岩便會像鹽丘（salt dome）一樣，透過持續的塑性變形，向上侵入，形成泥岩が。這種向上運動通常發生在沉積速率較快、沉積物含水量高的盆地中，例如三角洲環境。

相關結構（Associated Structures）：
泥岩が的侵入會對周圍的地層產生顯著的變形，形成多種構造，包括：

1. 頂部構造（Overlying Structures）：
   • 張裂構造（Extensional Structures）： 泥岩が上升時，頂部的沉積物會受到拉伸，形成張裂斷層（normal faults）、張裂裂隙（extensional fractures）和地塹（graben）。
   • 穹頂（Dome）： 泥岩が頂部會形成一個向上隆起的穹頂狀構造。

本題要求解釋「序列外逆衝」（out-of-sequence thrusting）發生的原因，並結合「臨界楔模型」（Critical Wedge Model）和 1999 年「集集地震」（Chi-Chi earthquake）進行說明。

序列外逆衝（Out-of-Sequence Thrusting）的發生原因：
在正常的造山帶或擠壓構造帶中，逆衝斷層的形成通常遵循一定的序列，即較早形成的斷層（older faults）會被後續活動的斷層（younger faults）所疊加或切割，這種現象稱為「序列內逆衝」（in-sequence thrusting）。然而，當某些因素改變了應力場或岩體的力學性質時，新的、相對較年輕的逆衝斷層可能會在先前已存在的斷層之上或之間形成，甚至切割先前形成的斷層，這就是「序列外逆衝」。

常見的觸發序列外逆衝的原因包括：

1. 應力重分配（Stress Redistribution）： 當先前形成的斷層活動釋放出應力，或者有新的應力源（如板塊碰撞加劇）施加時，應力場會重新分佈。
2. 壓力變化（Pressure Changes）： 例如流體壓力（pore pressure）的升高，會降低岩石的有效應力，使其更容易發生破裂和斷錯。
3. 岩性變化（Lithological Changes）： 沉積物或基岩的力學性質（如強度、韌性）變化，可能導致應力集中在新的位置。
4. 構造幾何學（Structural Geometry）： 複雜的構造形態，如預先存在的褶皺或斷層，可能導致應力集中，觸發新的斷層。

臨界楔模型（Critical Wedge Model）的應用：
臨界楔模型是一個用來描述造山帶內逆衝斷層系統演化的簡化模型。它將造山帶視為一個楔形體，其底部是較弱的滑脫面（detachment fault），上部是傾斜的地層。模型假設楔形體的底部和外側邊界承受水平擠壓力，而頂部則受到重力作用。

• 應力傳遞與斷層形成： 在模型中，應力從楔形體的外緣向內傳遞。當應力超過岩石的強度時，就會產生斷層。

本題要求解釋圖中 A、B、C、D 四個地點的裂理（cleavage）與層理（bedding）之間的角度關係，並探討此關係如何解釋裂理與褶皺（folding）的成因關聯。

核心觀念：
裂理是岩石變形過程中形成的平行片狀構造，通常與褶皺的形成有關。在褶皺變形中，裂理的形成與岩石的變形機制、應力場以及層理的傾角和走向密切相關。

A、B、C、D 四個地點的裂理與層理角度關係解釋：

圖中顯示了一個複雜的褶皺結構，其中 $S_0$ 代表原始的層理，而 $S_1$ 代表主要的裂理面。$F_1$ 代表主要的褶皺軸。$S_2$ 代表次級裂理或劈理。

• 地點 A： 在 A 點，層理（$S_0$）和裂理（$S_1$）的交角很小，幾乎平行。這通常發生在褶皺的翼部（limb）相對平緩的區域，或者在褶皺的軸部（hinge）附近，其中 $S_1$ 裂理面與 $S_0$ 層理面之間的差異不大。
• 地點 B： 在 B 點，層理（$S_0$）相對於裂理（$S_1$）有較大的傾角。這可能發生在褶皺的翼部，其中層理的彎曲度較大，而裂理面的方向相對固定。
• 地點 C： 在 C 點，層理（$S_0$）和裂理（$S_1$）的交角再次變小，呈現出類似 A 點的平行或近乎平行狀態。這可能表示 C 點位於另一個褶皺的翼部或軸部附近。
• 地點 D： 在 D 點，層理（$S_0$）和裂理（$S_1$）的交角再次變大。D 點標示了「Divergent fan」，這通常是向斜（syncline）的底部區域，岩層在此處受張力影響，裂理面可能與層理面形成較大的角度。

結構能否解釋裂理與褶皺的成因關聯？

本題要求繪製並解釋「左移剪切帶」（sinistral shear zone）中的剪切方向指示標（shear sense indicators），包含脆性和延性結構。

核心觀念：
剪切帶是地殼中由於相對運動而形成的構造區域，其中岩石承受剪切應力。左移剪切帶是指其中一個岩塊相對於另一個岩塊向左移動。剪切方向指示標是通過觀察岩石中的特定構造來判斷剪切方向的標誌。

左移剪切帶（Sinistral Shear Zone）的繪製與解釋：

在一個左移剪切帶中，觀察者面向剪切帶，如果剪切帶內的岩塊向左移動，則為左移剪切。

1. 脆性結構（Brittle Structures）：
脆性結構通常在較淺、較低的溫度和壓力條件下形成。

• 剪切斷層（Shear Faults）：

  • 繪製： 在一個左移剪切帶中，可以觀察到一系列傾斜的斷層。其中，與主剪切帶大致平行的斷層（如 $F_1$）會有明顯的左移運動。同時，可能還會出現一些與主剪切帶呈角度的次級斷層（如 $F_2$）。

  • 解釋：

    • 主斷層（Master Fault）： 主斷層通常沿著剪切帶的走向延伸，並顯示左移運動。
    • 次級斷層（Secondary Faults）：
      • Y-shears (or Riedel shears): 這些斷層與主剪切帶呈銳角（約 15-30 度），通常是第一組剪切斷層，與主應力方向（最大主應力 $\sigma_1$）大致平行。在左移剪切帶中，Y-shears 通常表現為右移斷層（dextral）。
      • X-shears (or Anti-Riedel shears): 這些斷層與主剪切帶呈鈍角（約 30-45 度），通常是第二組剪切斷層，與最小主應力（$\sigma_3$）大致平行。在左移剪切帶中，X-shears 通常表現為左移斷層（sinistral）。
      • P-shears (or Transfer faults): 這些斷層有時也會出現，連接不同的 Y-shears 或 X-shears，通常與主剪切帶呈較大角度。

  • 判斷方法： 觀察斷層兩側岩塊的相對移動方向。例如，如果看到一條斷層，其左側岩塊相對於右側岩塊向左移動，則為左移斷層。

• 壓碎帶（Crush Zones）：

  • 繪製： 在斷層附近，岩石被粉碎形成帶狀的壓碎區域。
  • 解釋： 壓碎帶的形態和延伸方向可以指示剪切方向。

2. 延性結構（Ductile Structures）：
延性結構通常在較深、較高的溫度和壓力條件下形成。

• 剪切脈（Shear Veins）：
  • 繪製： 在剪切帶內，可能會形成與主剪切面呈角度的脈體（veins）。
  • 解釋： 這些脈體通常是張裂形成，其傾斜方向可以指示剪切方向。在左移剪切帶中，張力裂縫（tension fractures）會以一定的角度形成，並被礦物充填。

本題要求在莫爾空間（Mohr space）中繪製並解釋結合的破裂準則（combined fracture criteria），包含 Griffith、Coulomb 和 Von Mises 三種準則。

核心觀念：
莫爾圓（Mohr circle）是一個在應力空間中表示應力狀態的幾何圖形，它描述了作用在一個點上的所有可能平面上的應力分量。破裂準則（fracture criteria）是描述岩石在何種應力條件下會發生破裂（斷裂）的準則。

1. Griffith 準則（Griffith Criterion）：

• 適用對象： 主要用於解釋脆性材料（如岩石）在拉伸應力狀態下的破裂，尤其關注初始裂紋的存在。
• 莫爾空間表示： 在莫爾空間中，Griffith 準則由一條曲線表示。對於一個具有初始裂紋的材料，當最大主應力 $\sigma_1$ 和最小主應力 $\sigma_3$ 組合滿足特定條件時，裂紋就會萌生和擴展。
  • 拉伸破裂（Tensile Fracture）： 當 $\sigma_1$ 為拉應力且 $\sigma_3$ 遠小於 $\sigma_1$ 時，岩石會沿著垂直於 $\sigma_1$ 的方向發生拉伸破裂。在莫爾圓上，這對應於莫爾圓與應力軸的交點。
  • 剪切破裂（Shear Fracture）： 在較複雜的應力狀態下，Griffith 準則也包含剪切破裂的條件，但其形式較為複雜，通常涉及 $\sigma_1$ 和 $\sigma_3$ 的組合。
• 關鍵點： Griffith 準則強調了初始裂紋對破裂的影響，並區分了拉伸破裂和剪切破裂。

2. Coulomb 準則（Coulomb Criterion）：

• 適用對象： 主要用於解釋岩石在剪切應力作用下的破裂，常見於斷層運動的描述。
• 莫爾空間表示： 在莫爾空間中，Coulomb 準則由兩條直線表示，通常稱為 Coulomb 線。
  • 公式： $\tau = \mu \sigma_n + c$
    其中：
    $\tau$ 為剪應力（shear stress）
    $\sigma_n$ 為正應力（normal stress）
    $\mu$ 為摩擦係數（coefficient of friction）
    $c$ 為黏聚力（cohesion）
  • 幾何意義： 這兩條直線分別代表了在不同應力狀態下，岩石發生剪切破裂的臨界條件。它們與應力軸的夾角由摩擦係數決定。
• 關鍵點： Coulomb 準則強調了正應力（壓縮或拉伸）和剪應力共同作用下的剪切破裂，並引入了摩擦係數和黏聚力的概念。

3. Von Mises 準則（Von Mises Criterion）：

• 適用對象： 主要用於描述延性材料（如金屬）的屈服（yielding），而不是脆性破裂。在岩石力學中，它有時被用來描述岩石在延性變形下的屈服條件。
• 莫爾空間表示： 在莫爾空間中，Von Mises 準則通常表示為一個圓。
  • 公式： 該準則基於最大剪應力理論，但其形式在莫爾空間中更為複雜，通常與第二應力不變量（second invariant of the deviatoric stress tensor）相關。
  • 幾何意義： 在莫爾空間中，Von Mises 準則的屈服面不是一條直線或一條曲線，而是一個與應力狀態相關的曲面。簡化的形式可能表現為一個圓，其半徑與偏應力（deviatoric stress）的大小有關。

本題考驗對「水力壓裂」（hydraulic fracturing）的理解，以及其與孔隙壓力（pore pressure）和張性裂縫（tensile cracks）的關係。

水力壓裂（Hydraulic Fracturing）：
水力壓裂是一種人為的過程，通過向地下岩層中注入高壓流體（通常是水，也可能混有沙子或其他支撐劑）來產生或擴展裂縫。其主要目的是增加岩石的滲透性，以便更有效地開採其中的流體，例如石油、天然氣或地熱能。

與孔隙壓力（Pore Pressure）的關係：
水力壓裂的關鍵在於提高岩層的孔隙壓力。

1. 初始狀態： 在未進行水力壓裂之前，岩層中的孔隙壓力通常低於地層壓力（overburden pressure）。
2. 注入流體： 當高壓流體被注入到岩層中時，流體會填充岩石的孔隙和微裂縫，導致孔隙壓力迅速升高。
3. 應力狀態改變： 孔隙壓力的升高會降低岩石的有效應力（effective stress），即總應力減去孔隙壓力。根據有效應力原理，當有效應力降低時，岩石抵抗破裂的能力也會隨之降低。
4. 達到破裂壓力： 當注入的流體壓力足夠高，使得岩層的孔隙壓力超過了岩石的破裂強度（fracture strength）時，岩石就會發生破裂。這個壓力被稱為「破裂壓力」（fracturing pressure）。