112 年 國立臺灣大學地質科學系及海洋研究所聯合招生《地球構造》

本大題要求解釋十個與地球構造、力學及礦物學相關的術語。以下逐一說明：

(1) Thin-skinned and thick-skinned tectonics (薄皮構造與厚皮構造)

• 核心觀念： 構造運動影響的地殼厚度範圍。
• 詳解：
  • 薄皮構造 (Thin-skinned tectonics)：指構造變形主要發生在相對較薄、較弱的岩層，通常是地殼上部的沉積岩或蒸發岩層（如鹽層、石膏層），這些岩層之上是較堅硬的基盤岩（如前寒武紀變質岩或火成岩）。變形主要沿著這些薄弱層發生，例如逆衝斷層和褶皺，常形成大規模的鏟形斷層（décollement）。這種構造主要在地殼的表淺部分發展。
  • 厚皮構造 (Thick-skinned tectonics)：指構造變形影響到地殼的整個厚度，包括基盤岩。變形通常由地殼深部的斷裂（如拉張斷層或衝斷層）向下延伸至地殼底部，甚至影響到上部地幔。厚皮構造常與地殼拉張（如裂谷）或強烈的擠壓（如碰撞造山帶）有關，會產生較大規模的斷層和褶皺，影響範圍較深廣。

(2) Compressional and extensional duplexes (擠壓與伸張雙重構造)

• 核心觀念： 斷層系統在擠壓或伸張環境下的疊加變形。
• 詳解：
  • 雙重構造 (Duplex)：是一種由一系列平行或近乎平行的斷層構成的構造單元，通常發生在鏟形斷層（décollement）上方或下方，表現為一系列向同一方向移動的斷層塊。
  • 擠壓雙重構造 (Compressional duplexes)：在擠壓環境下，通常表現為一系列向上疊加的逆衝斷層（thrust faults）或滑脫斷層（detachment faults）。較低的斷層（通常是鏟形斷層）將上覆岩塊切開，形成一個或多個向斷層推進方向（通常是上盤）移動的斷層塊。新的斷層在已有的斷層上方形成，岩塊不斷疊加，導致地層厚度增加和水平縮短。
  • 伸張雙重構造 (Extensional duplexes)：在伸張環境下，通常表現為一系列向下疊加的正斷層（normal faults）。在一個主要的伸張斷層（或鏟形斷層）上方，形成一系列斷層塊，這些斷層塊向下運動。新的斷層在已有的斷層下方形成，岩塊不斷下疊，導致地表區域擴大和地殼變薄。

(3) Antiformal syncline & synformal anticline (背斜型向斜與向斜型背斜)

• 核心觀念： 褶皺的幾何形狀與其構成岩層的實際彎曲方向之間的關係，特別是當存在多期變形或特殊情況時。
• 詳解：
  • 正常褶皺 (Normal folds)：背斜 (anticline) 是向上彎曲的褶皺，其核部（中心）的岩層年代較老；向斜 (syncline) 是向下彎曲的褶皺，其核部（中心）的岩層年代較新。
  • 背斜型向斜 (Antiformal syncline)：指的是一個具有向斜（向下彎曲）幾何形狀的褶皺，但其核部（中心）的岩層年代卻比兩翼的岩層還要老。這通常發生在多期變形的情況下，例如，先形成一個背斜，然後又受到擠壓，導致背斜的軸部被壓扁，甚至反轉，從而呈現出向斜的形態，但其內部的地層序列仍保有背斜的特徵。另一種情況是，如果該區域地層被倒轉，則原本的向斜其岩層也會變得較老。
  • 向斜型背斜 (Synformal anticline)：指的是一個具有背斜（向上彎曲）幾何形狀的褶皺，但其核部（中心）的岩層年代卻比兩翼的岩層還要新。這同樣通常發生在多期變形，例如，先形成一個向斜，然後又受到擠壓，導致向斜的軸部被壓扁，甚至反轉，從而呈現出背斜的形態，但其內部的地層序列則保有向斜的特徵。另一種情況是，如果該區域地層被倒轉，則原本的背斜其岩層也會變得較新。
  • 總結： 這兩個術語描述了褶皺的幾何外觀（形狀）與其內部地層序列（年代）之間出現的「不一致」現象，通常是複雜變形歷史的結果。

(4) Synthetic and antithetic fractures (同向與反向裂縫)

• 核心觀念： 在變形過程中，與主要斷層運動方向相同的裂縫（同向）與相反的裂縫（反向）。
• 詳解：
  • 合成裂縫 (Synthetic fractures)：指在斷層運動過程中，與主要斷層（母斷層）的運動方向大致相同的裂縫。在剪切變形區域，這些裂縫通常與主要斷層呈銳角，並傾向於隨著變形發展而與母斷層合併。例如，在正斷層的下盤，同向裂縫通常是與斷層傾角較小的正斷層；在逆衝斷層的下盤，同向裂縫通常是與斷層傾角較小的逆衝斷層。
  • 反向裂縫 (Antithetic fractures)：指在斷層運動過程中，與主要斷層（母斷層）的運動方向大致相反的裂縫。在剪切變形區域，這些裂縫通常與主要斷層呈鈍角，並可能在變形過程中被拉張或壓縮。例如，在正斷層的下盤，反向裂縫通常是與斷層傾角較大的逆衝斷層；

• 核心觀念： 描述均勻變形（純剪切、純拉張、純壓縮）的幾何關係圖。

• 詳解：
  Flinn diagram (或稱 Flinn plot) 是一種用來描述均勻變形 (homogeneous deformation) 的幾何學圖表。它基於應變張量 (strain tensor) 的特徵值，來表示變形的類型。該圖表將所有可能的均勻變形類型，根據其應變的性質（拉張、壓縮或剪切），繪製在一個二維平面上。

  繪製與解釋：
  Flinn diagram 通常以二維形式表示，其座標軸通常為：

  • X 軸： 表示應變張量的中間特徵值 ($\epsilon_2$) 相對於最大特徵值 ($\epsilon_1$) 和最小特徵值 ($\epsilon_3$) 的比值。常見的表示方式有 $k = \frac{\epsilon_1 - \epsilon_2}{\epsilon_2 - \epsilon_3}$ 或 $k = \frac{\epsilon_2 - \epsilon_3}{\epsilon_1 - \epsilon_2}$。
  • Y 軸： 表示應變張量的最大特徵值 ($\epsilon_1$) 和最小特徵值 ($\epsilon_3$) 的相對差異。

  更常見的 Flinn diagram 是以 k 值為橫軸，以 度量 (shape) 為縱軸。

  圖形區域與變形類型：

  1. 右上角區域 (k 接近 0，度量值高)： 代表 純拉張變形 (plane strain, pure tension)。在此情況下，中間應變軸（$\epsilon_2$) 為零，最大應變 ($\epsilon_1$) 為拉張，最小應變 ($\epsilon_3$) 為壓縮。

• 核心觀念： 脆性變形機制中，固體材料（特別是岩石）在壓力下流動的兩種不同方式。

• 詳解：
  脆性變形（brittle deformation）通常發生在較低的溫度和壓力條件下，岩石會抵抗變形直到達到其強度極限而發生斷裂。然而，即使在脆性條件下，岩石的流動也可以通過兩種主要機制來實現：

  1. 顆粒流 (Particulate flow)：
     • 機制： 顆粒流是指由大量獨立的、相對完整的顆粒組成的材料（如砂、礫石，或在某些條件下的大理岩、石英岩）發生流動的過程。這種流動主要通過顆粒之間的相對滑動、滾動和重新排列來實現。當施加應力時，顆粒會嘗試移動以適應新的應力狀態。
     • 特點：
       • 顆粒完整性： 顆粒本身在變形過程中保持相對完整，很少發生顯著的斷裂或破碎。
       • 相對滑動： 主要通過顆粒表面的摩擦滑動來傳遞應力。
       • 孔隙度變化： 顆粒的重新排列可能導致孔隙度的增加或減少。
       • 常見場景： 類似於沙丘的移動，或在某些淺層變形環境下的岩石流動。在地震過程中，鬆散沉積物的液化（liquefaction）也可以看作是一種極端的顆粒流。
     • 在地質學中的應用： 適用於描述鬆散沉積物、砂岩、或在低應變速率下、應力較低的條件下的岩石變形。

• 核心觀念： 裂縫（節理）在形成過程中，由於應力場的相互作用，會趨向於形成規則的間距。

• 詳解：
  節理（joints）是岩石中沒有明顯剪切運動的張性裂縫。它們的形成與岩石承受的拉張應力有關。節理的規則間距是構造地質學中的一個重要現象，可以通過兩種模型來解釋：接觸力模型和應力陰影模型。

  1. 接觸力模型 (Contact Force Model)

  • 核心概念： 當一個裂縫形成並擴展時，它會改變其周圍的應力分佈。在裂縫的邊緣，應力會集中，而在裂縫的內部，應力則會降低。這個模型關注的是裂縫尖端與周圍岩石之間相互作用的應力。
  • 解釋：
    • 假設在一個均勻拉張應力場中，岩石中首先形成了一個裂縫。
    • 裂縫尖端的應力會顯著集中，這使得裂縫傾向於沿著尖端方向擴展。
    • 然而，當裂縫擴展到一定程度後，兩個相鄰裂縫的應力場會開始相互作用。
    • 如果在兩個裂縫之間還有足夠的岩石來承受拉張應力，那麼在這個區域的應力會高於裂縫內部，這使得新的裂縫有可能在這裡形成。
    • 但是，當兩個裂縫足夠接近時，它們的應力場會相互抵消，或者說，它們的尖端應力會相互「競爭」。
    • 繪製示意圖 (概念描述)：
      • 畫出兩個平行線段代表兩個已經形成的裂縫。
      • 在裂縫尖端畫出應力集中箭頭。
      • 在兩個裂縫之間，標示出一個區域，這個區域的應力水平決定了新裂縫形成的位置。
      • 當兩個裂縫之間的距離適當（例如，大約是裂縫長度的兩倍），它們的尖端應力場會相互排斥，或者說，在它們之間的區域，應力不足以產生新的裂縫。
      • 然而，如果兩個裂縫之間的距離太近，它們的應力場會相互抵消，導致裂縫無法穩定擴展。

• 核心觀念： 鹽層在特定條件下如何隆升形成鹽丘（salt diapir），以及與之相關的構造。

• 詳解：

  鹽丘形成機制 (Mechanism of Salt Diapir Formation)

  鹽丘的形成是一個複雜的地質過程，主要涉及以下幾個關鍵因素：

  1. 鹽層的埋藏 (Burial of Salt Layers)：

     • 在地質歷史上，廣闊的盆地（如海岸線附近、內陸盆地）可能因蒸發作用而形成厚層的蒸發岩，其中包含高鹽度的鹽岩（主要是石鹽，NaCl）。
     • 這些鹽岩被後來的沉積物（如泥岩、砂岩）所覆蓋和埋藏。

  2. 密度反轉 (Density Inversion)：

     • 鹽岩（主要是石鹽）的密度通常約為 $2.1-2.2 \text{ g/cm}^3$。
     • 而上覆的沉積岩（特別是富含粘土的泥岩）在埋藏過程中，由於壓實作用，其密度會逐漸增加，但通常在達到一定深度後，其密度會超過鹽岩的密度。
     • 當鹽岩被密度較低的岩石（如未壓實的沉積物）覆蓋時，密度較低的鹽岩相對於其上方的較密沉積物，就處於一個不穩定的“密度反轉”狀態。

  3. 流變學性質 (Rheology)：

     • 鹽岩（石鹽）在埋藏深度和地溫下，具有顯著的流變學特性，表現為一種“弱”且具有“黏塑性”的材料。
     • 與大多數岩石在脆性條件下破裂不同，鹽岩在較高的溫度和壓力下，會表現出蠕變（creep）行為，即在持續的應力作用下緩慢變形。
     • 鹽岩的黏度非常低，尤其是在溫度較高時，其流動性遠高於大多數圍岩。
     • 流動條件： 當上覆岩層的密度超過鹽岩的密度，且存在足夠的應力（通常由地殼運動或沉積物載荷引起）時，鹽岩會因為密度差異而產生浮力（buoyancy），並開始向上流動。

  4. 隆升與形成鹽丘 (Uplift and Diapir Formation)：

     • 鹽岩在浮力作用下，會向上侵入到密度較高的圍岩中，就像油在水中上浮一樣。
     • 這種向上侵位的過程稱為“鹽侵”（salt intrusion）。

• 核心觀念： 在低度變質的板岩地區，褶皺（特別是線理）與原始沉積層理之間的幾何關係，以及如何根據此關係繪製褶皺結構。

• 詳解：

  低度變質板岩區的褶皺與層理的幾何關係

  在低度變質的板岩（slate）地區，當沉積岩（如頁岩、泥岩）經歷了區域變質作用和構造變形後，會形成板岩。板岩具有一種稱為“片理”（cleavage）的劈理面，這是一種與原始沉積層理（bedding）不同的、新的平面結構。在低度變質的板岩地區，通常觀察到以下幾種與褶皺相關的幾何關係：

  1. 層理 (Bedding, $S_0$) 與片理 (Cleavage, $S_1$) 的關係：

     • 在褶皺的兩翼（limbs），片理（$S_1$）通常與層理（$S_0$）呈一個相對固定的夾角（angle $\theta$）。這個夾角的大小取決於變形的類型和程度。
     • 在褶皺的頂部（hinge zone），片理和層理的夾角可能變小，甚至趨近於零，形成所謂的“軸面片理”（axial plane cleavage），即片理平面平行於褶皺的軸面。
     • 在一些情況下，如果褶皺非常緊閉，層理和片理可能幾乎平行。

  2. 褶皺軸面 (Axial Plane) 與片理 (Cleavage) 的關係：

     • 在典型的褶皺中，軸面是通過褶皺的彎曲頂點（或彎曲最劇烈的部分）的假想平面。
     • 在板岩地區，片理（$S_1$）通常就是所謂的“軸面片理”，即片理平面大致平行於褶皺的軸面。

  3. 褶皺的形態：

     • 褶皺的形態（如開闊、緊閉、對稱、不對稱）會影響層理和片理的相對關係。
     • 在開闊褶皺中，層理和片理的夾角較大。
     • 在緊閉褶皺中，夾角較小，甚至可能發生層理和片理的平行。
     • 在不對稱褶皺中，片理相對於層理的傾角會更為明顯。

  根據圖示繪製可能的褶皺結構

  圖示顯示了一個地質剖面，其中包含層理 ($S_0$)、片理 ($S_1$) 以及不同岩性的區域（Slates, Thin Bedded Sandstones, Sandstone）。圖中標示了不同位置的層理和片理的傾角及方位（例如 30-290/50-280 代表傾角 50 度，方向 280 度）。

  繪製步驟與考慮：

  1. 識別岩層： 圖中有不同岩性的層位，包括較厚的板岩（Slates）、薄層砂岩（Thin Bedded Sandstones）和砂岩（Sandstone）。這些代表了原始的沉積序列。
  2. 識別層理 ($S_0$)： 圖中已標示出不同位置的層理傾角和方向。這是原始的沉積界面。
  3. 識別片理 ($S_1$)： 圖中也標示了片理的傾角和方向。在板岩區域，片理是主要的劈理面。
  4. 分析層理與片理的相對關係：
     • 在圖的左側，板岩區域，層理（$S_0$）和片理（$S_1$）的夾角較大。例如，在 30-290/50-280 處，層理是 50 度，片理是 30 度（假設為 30-290/30）。
     • 在右側的板岩區域，例如 50-270/53-285 處，層理是 53 度，片理是 50 度（假設為 50-270/50）。
     • 在砂岩區域，層理和片理的關係可能不同，或片理不發育。
  5. 推斷褶皺軸面： 由於片理（$S_1$）通常是軸面片理，因此我們可以假定片理的走向和傾角大致指示了褶皺的軸面。
  6. 繪製褶皺：

• 核心觀念： 利用地表接觸點的產狀資料和地層厚度，繪製一個褶皺構造的垂直剖面圖。

• 詳解：
  本題要求根據在地表測得的褶皺“扭折面”（kink plane）與地表的交點（filled circle, h），以及給定的地層序列和厚度，繪製一個地質剖面圖。這些扭折面通常代表了褶皺的轉折點或陡峭的兩翼。

  解題步驟：

  1. 理解圖示與標記：

     • 剖面線 (Line of Section)： 剖面線大致從 NW 延伸到 SE。
     • 地層標記： 圖中標示了 NW 到 SE 方向的地層序列，包括：St (Tuscarora), Srkm (Rose Hill, Keefer, Mifflintown), Sb (Bloomsburg), Sw (Wills Creek), Sto (Tonoloway)。
     • 厚度資訊：
       • Oj (Ordovician Juniata) 約 1500 ft。
       • Bald Eagle Formation (未標示在圖中，但提及) 約 750 ft。
       • Reedsville Formation (未標示在圖中，但提及) 約 1500 ft。
       • 重要提示： 題目中提到的 Oj, Bald Eagle, Reedsville 是 Ordovician 時期的地層，而圖中標示的 St, Srkm, Sb, Sw, Sto 則是 Silurian 時期的地層。這意味著圖中標示的 Silurian 地層是覆蓋在 Ordovician 地層之上的，或者整個剖面都集中在 Silurian 地層。根據箭頭指示，圖中的地層是從 NW 向 SE 變化，這通常代表了在地表移動時遇到的地層序列。
     • 扭折點 (h)： 每個圓點（h）代表一個扭折面與地表的交點。這些點是繪製褶皺結構的關鍵。
     • 虛線分隔： 虛線分隔了不同的地層出露帶。
     • 比例尺： 底部有水平比例尺，4000 ft。

  2. 確定地層的相對位置與厚度：

     • 圖中最左側（NW）是 St，向 SE 依序是 Srkm, Sb, Sw, Sto。這代表了在地表移動時，地層出露的順序。
     • 關鍵在於理解這些地層的相對位置。 題目中給了 Oj (1500 ft) 及其下方的 Bald Eagle (750 ft) 和 Reedsville (1500 ft)。雖然這些是 Ordovician 地層，但它們的厚度是重要的參考。
     • 推斷圖中地層的組合： St, Srkm, Sb, Sw, Sto 都是 Silurian 時期的地層。它們的總厚度需要通過繪製剖面來確定。

  3. 分析地表交點 (h) 的意義：

     • 這些圓點 (h) 代表了褶皺的“轉折點”（hinge lines）在地表的投影。在一個褶皺中，從緩傾斜的兩翼到陡傾斜的轉折處，地層傾角會發生劇烈變化。
     • 這些點可以幫助我們確定褶皺的軸部位置和規模。

  4. 繪製剖面圖的策略：

     • 確定地層傾角： 雖然題目沒有直接給出所有地層的傾角，但扭折點 (h) 的存在暗示了地層傾角的變化。通常，扭折點兩側的地層會有不同的傾角。
     • 從已知信息開始： 題目給了 Oj 的厚度 (1500 ft)，以及其下方地層的厚度。但是，圖中標示的地層是 Silurian 時期的。這可能意味著 Oj 及以下的 Ordovician 地層並未完全出露在剖面線的範圍內，或者它們位於剖面的某一個部分。
     • 利用地層出露帶和扭折點：