111 年 國立臺灣大學地質科學系碩士班地質組《地球物質》

本題主要在考察矽酸鹽礦物的分類方式，特別是根據其基本的矽氧四面體結構單元來進行分類。

解題步驟：

1. 辨識化學式中的矽氧比： 題目給出 Anthophyllite 的化學成分，其中提到「矽氧比是 4:11」。在矽酸鹽礦物中，結構的分類主要依據矽氧四面體 (SiO₄) 的連結方式，進而決定 Si:O 的比例。
2. 對照矽酸鹽結構分類：
   • 獨立四面體 (Nesosilicates)：Si:O = 1:4
   • 成對四面體 (Sorosilicates)：Si:O = 2:7
   • 環狀矽酸鹽 (Cyclosilicates)：Si:O = 1:3 (如 (SiO₃)n)
   • 鏈狀矽酸鹽 (Inosilicates)：
     • 單鏈 (Single chains, Pyroxenes)：Si:O = 1:3 (如 (SiO₃)n)
     • 雙鏈 (Double chains, Amphiboles)：Si:O = 4:11 (如 (Si₄O₁₁)n)

本題要求識別 Anthophyllite 的點群 (point group) 和空間群 (space group)，這些是描述晶體對稱性的重要參數。

解題步驟：

1. 查找題目提供的資訊： 題目描述中直接給出了 Anthophyllite 的晶體學參數。
2. 識別晶體系統： 描述中提到「Crystallography. Orthorhombic; 2/m2/m2/m」。Orthorhombic 指的是斜方晶系。

本題要求從提供的英文敘述中提取 Anthophyllite 的比重 (Specific Gravity, G) 和硬度 (Hardness, H)。

解題步驟：

1. 閱讀題目敘述： 找到關於 Anthophyllite 的 Physical Properties (物理性質) 部分。

本題要求從提供的英文敘述中提取 Anthophyllite 的解理 (Cleavage) 和光澤 (Luster)。

解題步驟：

1. 閱讀題目敘述： 找到關於 Anthophyllite 的 Physical Properties (物理性質) 部分。

本題要求根據提供的資訊判斷 Anthophyllite 的晶系，並計算其一個晶胞 (unit cell) 中所含的氧原子數。

解題步驟：

1. 判斷晶系： 在題目敘述的 Crystallography 部分，明確寫著「Orthorhombic」。
2. 計算一個晶胞中的氧原子數：
   • 結構公式： 題目給出 Anthophyllite 的化學式為 Mg₇Si₈O₂₂ (OH)₂。
   • 晶胞參數： 題目提到「Z = 4」，這表示一個晶胞中含有 4 個化學式的單位。

本題要求找出 Anthophyllite 的最高折射率值，以及最強 X 光繞射對應的晶面間距。

解題步驟：

1. 尋找最高折射率：
   • 在 Physical Properties 區段，找到「Optics: (-); α = 1.60-1.69, β = 1.61-1.71, γ = 1.62-1.72」。
   • 折射率最高的是 γ 值，其範圍為 1.62-1.72。因此，最高可達到 1.72。
2. 尋找最強 X 光繞射晶面間距：

本題包含兩個部分：一是 Anthophyllite 的鑑定特徵，二是其在降級變質作用中可能形成的產物。

解題步驟：

1. 尋找明顯鑑定特徵：
   • 在 Diagnostic Features (診斷特徵) 部分，提到「Characterized by its clove-brown color but, unless in crystals, cannot be distinguished from other amphiboles such as cummingtonite or grunerite without optical or X-ray tests.」
   • 「Name」部分提到「From the Latin word anthophyllum, meaning clove, in allusion to the clove-brown color.」
   • 綜合來看，雖然顏色（丁香棕色）是一個特徵，但僅靠顏色難以區分，除非有好的晶型。題目強調「unless in crystals」，暗示良好的晶型可能就是其鑑定特徵，但具體是什麼特徵，文字沒有明確列出。然而，根據礦物學常識，角閃石族礦物常呈纖維狀或針狀。題目中也提到了「Commonly acicular or fibrous」，這也是一個形態特徵。

本題要求根據提供的英文敘述，判斷 Anthophyllite 的變質來源岩石成分，以及其常出現的兩種岩石。

解題步驟：

1. 尋找變質來源的岩石成分：
   • 在 Occurrence (產狀) 部分，提到「Anthophyllite results from the metamorphism of Mg-rich rocks」。
   • 因此，它是由富含鎂 (Mg) 的岩石變質而來。
2. 尋找常發現的岩石種類：
   • 在 Occurrence 部分，接著提到「such as ultrabasic igneous rocks and impure dolomitic shales.」

本題要求找出 Anthophyllite 的鋁質變種的英文名稱，並比較其與 Anthophyllite 的空間群差異。

解題步驟：

1. 尋找含鋁變種名稱：
   • 在 Composition and Structure 部分，提到「Gedrite is an Al-containing variety of anthophyllite」。
   • 因此，含鋁變種的名稱是 Gedrite。
2. 比較空間群：
   • 題目中已給出 Anthophyllite 的空間群是 Pnma。

本題要求找出 Anthophyllite 名稱的詞源及其含義。

解題步驟：

1. 尋找名稱來源：
   • 在 Name 部分，提到「From the Latin word anthophyllum, meaning clove, in allusion

本題要求從提供的二十種礦物中，找出符合「礦脈中常見的白色礦物，滴上鹽酸會冒泡」描述的礦物。

解題步驟：

1. 分析描述特徵：
   • 「礦脈(vein)中常見」：表示該礦物常形成於岩石的裂隙或空洞中。
   • 「白色礦物」：這是其顏色特徵。
   • 「滴上鹽酸會冒泡」：這是其化學性質中最顯著的特徵，表示該礦物是碳酸鹽類，與鹽酸反應釋放出二氧化碳氣體。
2. 檢視提供的礦物列表：
   • amber (琥珀) - 有機質
   • anhydrite (硬石膏) - 硫酸鹽
   • augite (輝石) - 矽酸鹽
   • azurite (天藍石) - 銅的碳酸鹽，藍色
   • calcite (方解石) - 碳酸鈣，白色，遇酸冒泡
   • chalcopyrite (黃銅礦) - 硫化物，黃銅色
   • epidote (綠簾石) - 矽酸鹽，綠色
   • feldspar (長石) - 矽酸鹽，多種顏色
   • hornblende (角閃石) - 矽酸鹽，深色
   • kaolinite (高嶺石) - 黏土礦物，白色
   • lazurite (天青石) - 矽酸鹽，藍色

本題要求從列表中找出符合「花崗岩中常見的肉紅色礦物，具有架狀矽酸鹽構造」描述的礦物。

解題步驟：

1. 分析描述特徵：
   • 「花崗岩中常見」：表示該礦物是花崗岩的造岩礦物之一。
   • 「肉紅色」：這是其典型的顏色。
   • 「架狀矽酸鹽構造」：這是其結構分類。
2. 檢視提供的礦物列表：
   • Feldspar (長石)：長石是花崗岩最主要的造岩礦物，佔比極高。長石有鉀長石 (K-feldspar) 和斜長石 (Plagioclase) 兩大類。鉀長石，特別是正長石 (Orthoclase) 和微斜長石 (Microcline)，常呈肉紅色或粉紅色，且是架狀矽酸鹽。
   • Quartz (石英)：石英也是花崗岩的主要造岩礦物，無色或白色，有時帶灰色。

本題要求從列表中找出「常用來製作瓷器的黏土礦物」。

解題步驟：

1. 分析描述特徵：
   • 「黏土礦物」：表示其礦物類別。
   • 「常用來製作瓷器」：這是其工業用途。
2. 檢視提供的礦物列表：
   • Kaolinite (高嶺石)：高嶺石是一種典型的黏土礦物，主要成分是水鋁矽酸鹽，是製造瓷器、紙張、橡膠等工業的重要原料。

本題要求從列表中找出硬度比石膏 (Gypsum) 還低的礦物。

解題步驟：

1. 確定石膏的硬度： 石膏的摩氏硬度為 2。
2. 檢視提供的礦物列表，並查找其硬度：
   • Amber (琥珀)：摩氏硬度約 2-2.5 (有機質，較難定義標準硬度)。
   • Anhydrite (硬石膏)：摩氏硬度 3-3.5。
   • Augite (輝石)：摩氏硬度 5-6。
   • Azurite (天藍石)：摩氏硬度 3.5-4。
   • Calcite (方解石)：摩氏硬度 3。
   • Chalcopyrite (黃銅礦)：摩氏硬度 3.5-4。
   • Epidote (綠簾石)：摩氏硬度 6-7。
   • Feldspar (長石)：摩氏硬度 6。
   • Hornblende (角閃石)：摩氏硬度 5-6。
   • Kaolinite (高嶺石)：摩氏硬度 2-2.5。
   • Lazurite (天青石)：摩氏硬度 5-5.5。

本題要求從列表中找出不符合礦物嚴格定義的物質。礦物的嚴格定義通常包含：天然存在、固體、無機物、具有特定的化學成分、以及有規則的原子排列（即晶體結構）。

解題步驟：

1. 分析礦物定義： 礦物必須是天然存在的固體無機物，有明確的化學成分和晶體結構。
2. 檢視提供的礦物列表，並評估其定義符合性：

本題要求從列表中找出「常被誤認為黃金，被稱為愚人金」的礦物。

解題步驟：

1. 分析描述特徵：
   • 「常被誤認為黃金」：表示其顏色、光澤或晶體形態與黃金相似。
   • 「愚人金 (Fool's Gold)」：這是其俗稱，直接指向這種誤認。
2. 檢視提供的礦物列表，並查找具有這些特徵的礦物：

本題要求找出「地殼中佔比最高的矽酸鹽造岩礦物」。

解題步驟：

1. 分析描述特徵：
   • 「地殼中佔比最高」：表示豐度極高。
   • 「矽酸鹽」：這是其結構分類。
   • 「造岩礦物」：表示是構成岩石的主要成分。
2. 回憶地殼元素豐度和礦物組成：
   • 地殼中豐度最高的元素是氧 (O) 和矽 (Si)。
   • 絕大多數的岩石（超過 90%）是由矽酸鹽礦物組成的。
   • 在矽酸鹽礦物中，佔地殼總重量比例最高的礦物類別是長石 (Feldspar)。長石是地殼中含量最豐富的礦物，約佔地殼總重量的 60%。

本題要求從列表中找出「藍色、架狀矽酸鹽構造、等軸晶系、常作為半寶石」的礦物。

解題步驟：

1. 分析描述特徵：
   • 「藍色」：顏色特徵。
   • 「架狀矽酸鹽構造」：結構分類。
   • 「等軸晶系」：晶體系統。
   • 「常作為半寶石」：用途或價值。
2. 檢視提供的礦物列表，並逐一評估：
   • Lazurite (天青石)：天青石是藍色的，含有硫化物和矽酸鹽結構（雖然不是典型的架狀，但屬於矽酸鹽）。它有時被用作顏料（群青），也可用於寶石。然而，它的晶系是等軸晶系，顏色是標誌性的藍色。
   • Azurite (天藍石)：天藍石是藍色的，是碳酸鹽礦物，不是矽酸鹽。
   • Leucite ( leucite )： leucite 是矽酸鹽，架狀結構，但通常是白色或灰色，晶系是等軸晶系。

本題要求從列表中找出「鹼性火成岩中富鉀、具有似長石結構」的礦物。

解題步驟：

1. 分析描述特徵：
   • 「鹼性火成岩」：指 SiO₂ 含量較低的火成岩，通常富含 Na 和 K。
   • 「富鉀」：化學成分特徵。
   • 「具有似長石結構」：結構特徵。
2. 檢視提供的礦物列表，並評估其性質：
   • Leucite ( leucite )： leucite 是鹼性火成岩（如響岩、鹼玄岩）中的典型富鉀礦物，其化學式為 KAlSi₂O₆。它的結構與長石相似，但不是長石本身，故稱「似長石結構」。
   • Orthoclase (正長石)：正長石是鉀長石，是架狀矽酸鹽，結構與長石相似，富鉀。它常見於鹼性火成岩（如花崗岩、正長岩），但 leucite 在更鹼性的岩石中更為特徵。

本題要求從列表中找出「火成岩中常見、柱狀、深色、單鏈矽酸鹽構造、橫截面略呈正方形」的礦物。

解題步驟：

1. 分析描述特徵：
   • 「火成岩中常見」：表示是常見的造岩礦物。
   • 「柱狀」：晶體形態。
   • 「深色」：顏色特徵。
   • 「單鏈矽酸鹽構造」：結構分類。
   • 「橫截面略呈正方形」：橫截面的形狀特徵。
2. 檢視提供的礦物列表，並評估其性質：
   • Augite (輝石)：輝石族礦物是火成岩（尤其是中性至鹼性火成岩）的重要組成部分。它們通常是深色的（黑、綠、褐），晶體呈柱狀或塊狀。輝石屬於單鏈矽酸鹽（(SiO₃)n）。

本題要求解釋「Displacive polymorphism」的定義。

解題步驟：

1. 理解詞彙：
   • Polymorphism (同質多像)：指同一種化學成分的物質，在不同的溫度和壓力條件下，能形成不同的晶體結構。
   • Displacive (位移)：指結構的改變是通過原子或離子的微小位移來實現的，而不會斷裂或形成新的化學鍵。
2. 綜合定義： Displacive polymorphism 指的是，當溫度或壓力改變時，晶體結構的相變是通過原子或離子的微小移動來實現的，原有的化學鍵基本保持不變，只是原子的排列方式發生了改變。這種相變通常是可逆的。

本題要求解釋「Miller indices」的定義。

解題步驟：

1. 理解詞彙： Miller indices (米勒指數) 是一種用來表示晶體中晶面和晶向的符號系統。
2. 定義晶面指數：
   • 選擇一組與晶面平行且與晶軸相交的三個截距，這些截距以晶軸單位表示。
   • 取這三個截距的倒數。
   • 將這三個倒數化為最簡整數比。
   • 用一對括號 (hkl) 表示，其中 h, k, l 分別是三個倒數的最簡整數。
   • 如果截距在晶軸的負方向，則在對應的指數上加一橫槓，例如 $(\bar{1}kl)$。
   • 如果一個截距是無限大（即晶面平行於該軸），則其倒數為 0。
3. 定義晶向指數：
   • 選擇一個通過原點的向量，該向量平行於所要表示的晶向。
   • 表示該向量在三個晶軸上的分量（以晶軸單位表示）。

本題在詢問變質岩中「葉理」(foliation) 的形成機制和必要條件。

解題步驟：

1. 理解「葉理」： 葉理是變質岩中礦物呈現定向排列的現象，常見於片麻岩、千枚岩、板岩等。這種定向排列賦予岩石一種薄層狀或片狀的結構。
2. 分析葉理的形成原因： 葉理的形成是變質作用過程中，岩石受到定向壓力 (differential stress) 的作用，使得原本無規則排列的礦物（尤其是片狀或柱狀的礦物，如雲母、角閃石）在垂直於壓力方向上重新定向生長，從而產生明顯的層狀或帶狀結構。因此，形成葉理的關鍵作用力是「定向壓力」或「差應力」。

本題要求列出碎屑物質被水流搬運的三種方式，以及影響搬運方式的主要因素。

解題步驟：

1. 分析「碎屑物質被水流搬運的方式」： 當水流（如河流、洋流）搬運固體顆粒（碎屑）時，會根據顆粒的大小、密度以及水流的速度和能量，採取不同的搬運方式。
   • 懸浮 (Suspension)：非常細小的顆粒（如黏土、粉砂）可以被水流長時間懸浮在水中搬運，它們幾乎不接觸河床。
   • 溶運 (Solution)：溶解在水中的離子或分子，雖然不是「碎屑」的嚴格定義，但在沉積學中常與搬運方式一起討論，但題目明確指「碎屑物質」，所以此項可能不適用。
   • 躍移 (Saltation)：較大的顆粒（如砂粒）被水流帶動，在河床上跳躍前進，一次與水流分離，一次被水流帶動。
   • 滾動/拖曳 (Traction/Rolling/Sliding)：最大、最重的顆粒（如礫石）在河床底部被水流拖動或滾動前進。
2. 對照題目敘述「三種方式，分別是____(3)、(4)____與滾動」： 題目已給出「滾動」，並要求另外兩種。最符合的是「懸浮」和「躍移」。

本題要求根據兩張偏光顯微鏡照片，判斷其展示的岩石組構，並識別左圖中白色箭頭所指的礦物。

解題步驟：

1. 分析照片特徵：
   • 兩張照片均標示為「crossed nicol」，表示是正交偏光狀態下的顯微鏡照片。
   • 照片顯示了礦物顆粒的排列和相互關係。
   • 左圖 (field width: 7 mm) 顯示的是較大範圍的視野，右圖 (field width: 2 mm) 顯示的是較小範圍的細節。
   • 右圖 (細節圖)：可以看到礦物顆粒之間有明顯的縫隙，顆粒的邊緣相對不規則，且顆粒之間沒有明顯的壓碎或變形痕跡，呈現出顆粒堆積的狀態。
   • 左圖 (較大視野)：同樣可以看到顆粒狀的結構。白色箭頭指向的是一塊顆粒，其邊緣清晰，內部顏色較淺（在單偏光下可能更容易判斷，但在正交偏光下，其消光方向和亮度是關鍵）。
2. 判斷組構 (Texture)：
   • 岩石的組構描述了其礦物顆粒的大小、形狀、排列和相互關係。
   • 從照片中，特別是右圖，可以看出礦物顆粒是獨立的、大小不一的，並且緊密地堆積在一起，顆粒之間沒有明顯的膠結物。這種顆粒狀、無定向、由多種獨立顆粒組成的組構，最符合「碎屑岩」的組構特徵。
   • 在碎屑岩中，根據顆粒的圓鈍程度和分選性，有不同的組構名稱。照片中的顆粒似乎有一定程度的磨圓，且顆粒大小似乎有一定分選。
   • 然而，題目問的是「組構(texture)」，最常見的描述是「碎屑狀」(clastic texture)。如果進一步細分，可能是「砂質」(arenaceous) 或「礫質」(rudaceous) 等，但「碎屑狀」是最基本的描述。
   • 考慮到題目在「岩石部分」出現，且上下文是碎屑物質的搬運，最直接的組構名稱就是「碎屑狀」。

本題要求解釋軟流圈地函的主要礦物組成，並說明研究地函組成的方法。

解題步驟：

1. 軟流圈地函的特徵： 軟流圈是上地幔的一部分，位於岩石圈之下，其特點是具有較低的剛度，能夠發生對流。這意味著軟流圈的岩石處於較高溫度，接近或部分熔融狀態。
2. 軟流圈地函的礦物組成：
   • 地幔的主要造岩礦物是橄欖石 (Olivine)、輝石 (Pyroxene) 和石榴子石 (Garnet) 或鈣長石 (Plagioclase，在較淺部)。
   • 在軟流圈，溫度較高，橄欖石和輝石是主要的礦物相。由於溫度接近固相線，可能會有少量熔融，形成熔融體。
   • 若地幔岩石較深，則石榴子石是穩定相；若較淺，則鈣長石是穩定相。軟流圈通常被認為介於兩者之間，但橄欖石和輝石是核心成分。
   • 因此，軟流圈地函的主要礦物組成是橄欖石 (Olivine) 和輝石 (Pyroxene)。
3. 得知地函岩石組成的方法：
   • 直接樣本：
     • 火山岩捕虜體 (Xenoliths)：玄武岩或金伯利岩等火山噴發時，會將地幔深處的岩石碎片夾帶到地表，這些就是捕虜體。分析這些捕虜體可以了解其來源地層的組成。
     • 鑽探： 雖然目前鑽探深度有限，無法直接到達軟流圈，但對地殼和上部地幔的了解也有幫助。
   • 間接方法：

本題要求解釋碎屑沉積岩的成岩作用 (lithification) 過程，以及在此過程中發生的改變。

解題步驟：

1. 定義成岩作用： 成岩作用是指鬆散的沉積物（如砂、泥）經過一系列物理和化學過程，最終轉變為堅硬的沉積岩的過程。
2. 碎屑沉積岩成岩作用的過程：
   • 壓實 (Compaction)：當新的沉積物不斷堆積在地表，上覆的沉積物重量會對下方的沉積物產生壓力。這種壓力會使顆粒之間的孔隙空間減小，顆粒相互靠攏，排出孔隙水。這個過程稱為壓實。
   • 膠結 (Cementation)：在沉積物沉積時或沉積後，孔隙水中的化學物質（如碳酸鈣、二氧化矽、氧化鐵等）會在顆粒之間沉澱析出，形成膠結物。這些膠結物將鬆散的顆粒粘結在一起，使岩石變得堅硬。
   • 重結晶 (Recrystallization)：在某些情況下，原有的礦物顆粒可能會在壓力或化學環境的影響下發生重結晶，形成新的、更穩定的晶體形態。
   • 交代作用 (Replacement)：在某些情況下，一種礦物可能會被另一種礦物所取代。
   • 溶解 (Dissolution)：部分礦物可能會在孔隙水中溶解。
3. 成岩作用過程中發生的改變：
   • 孔隙度降低 (Decrease in porosity)：由於壓實和膠結，顆粒間的孔隙空間減少，岩石的孔隙度降低。
   • 滲透率降低 (Decrease in permeability)：孔隙的減少和被膠結物填充，使得流體通過岩石的難易程度（滲透率）降低。

本題要求解釋「Andesite」的定義。Andesite 是一種常見的中性火成岩。

解題步驟：

1. 定義 Andesite： Andesite 是一種中性的火山岩，其化學成分介於玄武岩 (basalt) 和流紋岩 (rhyolite) 之間。
2. 礦物組成： 其主要的造岩礦物是斜長石 (plagioclase)，通常是中斜長石 (andesine) 或奧長石 (labradorite)。通常還含有少量輝石 (pyroxene) 或角閃石 (hornblende)，有時也含有少量石英 (quartz) 或白雲母 (biotite)。

本題要求解釋「Turbidite」的定義。Turbidite 是一種沉積物或岩石，與濁流 (turbidity current) 的沉積作用有關。

解題步驟：

1. 定義 Turbidite： Turbidite 是一種沉積物或岩石，是濁流（一種由懸浮沉積物構成的、密度較大的水下濁流）沉積作用的產物。
2. 特徵：
   • 沉積序列 (Bouma sequence)：Turbidite 通常顯示出一個典型的沉積序列，稱為 Bouma sequence，從底部向上依次為：
     • Ta：底部粗粒、平行層理。
     • Tb：砂質，斜層理。
     • Tc：細砂質，波狀層理或皺紋層理。
     • Td：粉砂質，平行層理。
     • Te：頂部泥岩，無層理。
       實際沉積中，並非所有序列都完整出現，取決於濁流的能量和持續時間。

本題要求解釋「Greenschist」的定義。Greenschist (綠片岩) 是一種低級變質岩。

解題步驟：

1. 定義 Greenschist： Greenschist (綠片岩) 是一種低級變質岩，其特徵是呈現綠色，並具有明顯的葉理 (foliation)。
2. 礦物組成： 其名稱來源於其主要的綠色變質礦物，通常包括：
   • 綠泥石 (Chlorite)：賦予岩石綠色。
   • 綠簾石 (Epidote)：也是綠色礦物，常與綠泥石共生。
   • 鈉長石 (Albite)：一種富鈉的斜長石，是低級變質的產物。
   • 石英 (Quartz)：常見的造岩礦物。

本題要求解釋「Paired metamorphic belts」的定義。Paired metamorphic belts (對稱變質帶) 是指在地質構造上，兩個緊密相鄰但變質條件截然不同的變質帶。

解題步驟：

1. 定義 Paired metamorphic belts： Paired metamorphic belts 指的是在造山帶中，兩個平行排列、性質截然不同的變質帶。
2. 兩個變質帶的特徵：
   • 內側變質帶 (Inner belt)：通常是低壓高溫型的變質作用，形成角岩相 (Hornblende-hornfels facies) 或更高溫的相。岩石主要由角閃石、長石、石英等組成，葉理不明顯。這種變質作用通常與岩漿侵入活動（如花崗岩體）的熱量有關。