112 年 國立臺灣大學地質科學系及海洋研究所聯合招生《地球物質》

本題在詢問 Tridymite 的組成礦物及其對稱性高低。根據提供的課文內容，Tridymite 存在低溫相（low tridymite）與高溫相（high tridymite）兩種形式，而高溫相的晶體結

本題要求寫出 Tridymite 中對稱性最高的晶族與其空間群。

本題直接詢問 Tridymite 的物理性質：硬度和解理。課文的「Physical Properties」段落中有明確的資訊。

本題聚焦於 Tridymite 的穩定存在溫度範圍以及其相變的類型。課文的「Composition and Structure」段落中有相關敘述。

本題探討 Tridymite 與其他 SiO₂ 礦物（如石英、方石英）的鑑別方法。課文的「Diagnostic Features」段落提供了關鍵資訊。

本題詢問 Tridymite 礦物名稱的由來，以及其在地殼中的豐度。課文的「Name」和「Occurrence」段落分別回答了這兩個問題。

本題詢問 Tridymite 的常見共生礦物。課文的「Occurrence」段落中提到了與其共生的礦物。

本題探究 Tridymite 在地球以外的出現地點。課文的「Occurrence」段落中明確指出了其在地外天體中的存在。

本題要求根據課文內容，列出 Tridymite 主要產出的三種矽質火山岩。課文的「Occurrence」段落中有詳細說明。

本題詢問單斜晶系 Tridymite 的一個晶胞中矽原子的數量。課文的「Crystallography」段落提供了低溫相 Tridymite 的晶胞參數和 Z 值。Z 值代表每個晶胞中的分子（或化學式單位）數量。

本題屬於礦物辨識題，需要從提供的二十種常見礦物中，根據描述選出最符合者。

核心觀念

本題結合兩個判斷條件：

1. 摩氏硬度：以十種標準礦物建立相對硬度尺度，硬度由 $1$ 至 $10$ 遞增。
2. 晶系分類：等軸晶系即立方晶系，三條晶軸等長，且彼此互相垂直。

摩氏硬度十種標準礦物中，屬於等軸晶系者主要有：

• 螢石（Fluorite）：硬度 $4$
• 鑽石（Diamond）：硬度 $10$

因此，硬度較低者為硬度 $4$ 的螢石。

解題方法

先從摩氏硬度標準礦物中篩選出等軸晶系礦物，再比較其硬度：

等軸晶系礦物為螢石與鑽石，其硬度分別為 $4$ 與 $10$。故最低硬度為：

本題要求從摩氏硬度十種標準礦物中，找出硬度最高的矽酸鹽礦物。首先，我們需要列出摩氏硬度十種標準礦物及其硬度，並判斷其是否為矽酸鹽。

1. 滑石 (Talc, 1, 矽酸鹽)
2. 石膏 (Gypsum, 2, 非矽酸鹽，硫酸鹽)
3. 方解石 (Calcite, 3, 非矽酸鹽，碳酸鹽)
4. 螢石 (Fluorite, 4, 非矽酸鹽，鹵化物)

本題要求從摩氏硬度十種標準礦物中，找出其成分化學式原子數最少的礦物。我們需要列出這十種標準礦物的化學式，並計算其總原子數。

1. 滑石: $Mg_3Si_4O_{10}(OH)_2$ (3+4+10+2 = 19 個原子)
2. 石膏: $CaSO_4 \cdot 2H_2O$ (1+1+4+2+2 = 10 個原子)
3. 方解石: $CaCO_3$ (1+1+3 = 5 個原子)
4. 螢石: $CaF_2$ (1+2 = 3 個原子)

本題描述了一個鋅礦礦石礦物，並強調其具有特殊的鑑定光澤。在提供的二十種礦物中，閃鋅礦 (sphalerite) 是主要的鋅礦礦石，且常具

本題尋找一種特殊的礦物，它不僅常用於定年，而且是唯一一種被定出超過 40 億年年齡的礦物。這通常指向非常古老的礦物，例如含有稀有同位素的礦物，或是存在於最早形成的地殼或隕石中的礦物。

本題描述了一種綠色的碳酸鹽礦物，其顏色是重要的鑑定特徵。

核心觀念

臺灣玉屬於軟玉（nephrite），主要由角閃石族中的透閃石—陽起石固溶體所組成。

• 透閃石：
  $\mathrm{Ca_2Mg_5Si_8O_{22}(OH)_2}$
• 陽起石：
  $\mathrm{Ca_2(Mg,Fe^{2+})_5Si_8O_{22}(OH)_2}$

兩者的晶體結構相同，主要差異在於 $Mg^{2+}$ 可被半徑相近、電荷相同的 $Fe^{2+}$ 部分取代，因此形成連續的透閃石—陽起石固溶系列。

解題方法

題目給出「臺灣玉的主要成分是透閃石與哪一種礦物的固溶體」，關鍵在辨認軟玉的礦物組成。

本題描述了一種具有平行解理、在偏光顯微鏡下呈現深淺棕色雙色性（pleochroism）的礦物。這種礦物必須是常見的，且具有解理。在提供的二十種礦物中，黑雲母 (biotite) 和角閃石 (hornblende) 都常具有明顯的二色性，且為常見礦物。黑雲母的解理發達，通常呈片狀，顏色從淺黃色到深棕色或黑色，在偏光顯微鏡下常呈現強烈的二色性。角閃石 (hornblende) 也是常見的矽酸鹽礦物，具有良好的解理，顏色從綠色、棕色到黑色，也顯示二色性。

本題詢問中國四大名石之首「靈璧石」的主要礦物成分。

Crystal lattice (晶格) 是指在三維空間中，由週期性重複的點所構成的幾何結構。這些點代表原子、離子或分子在固體晶體結構中的平均位置。

Birefringence (雙折射) 是指光線穿過某些各向異性晶體（例如非立方晶系的礦物）時，會分裂成兩束偏振光，這兩束光的傳播速度不同，導致它們的折射率也不同。這種現象使得單一影像在通過晶體後分裂成兩個影像。

本題要求說明金伯利岩中金剛石 (diamond) 在岩石成因上的意義。金伯利岩是一種深源火山岩，其噴發地點通常與地幔中的金伯利岩管道 (kimberlite pipe) 有關。金伯利岩之所以重要，是因為它是目前已知唯一能將地幔深處的礦物（如金剛石）帶到地表的岩石類型。

本題要求說明粉砂岩 (siltstone) 中海綠石 (glauconite) 的成因意義。海綠石是一種常見的綠色黏土礦物，通常形成於海洋沉積環境中，特別是大陸棚的還原性沉積環境。海綠石的出現通常指示著相對緩慢的沉積速率和富含有機物的環境。粉砂岩是一種沉積岩，其顆粒大小介於泥岩和砂岩之間。

本題要求說明藍片岩 (blueschist) 中藍閃石 (glaucophane) 的成因意義。藍片岩是一種高壓低溫變質岩，其形成環境通常與板塊碰撞帶的俯衝作用有關。藍閃石是一種典型的藍片岩相礦物，其化學成分和結構對高壓低溫條件敏感。

地函熱柱 (mantle plume) 是指從地幔深處，可能接近地核-地幔邊界，向上湧升的熱物質柱。這種熱物質柱攜帶大量熱能和揮發性物質，當它上升到地殼下方時，會引起地殼減薄、熔融和火山活動。

火山活動與產物：
地函熱柱引起的火山活動通常與板塊邊界無關，而是發生在板塊內部，稱為「板塊內部火山活動」(intraplate volcanism)。

1. 岩漿性質： 通常產生玄武質岩漿，但隨著岩漿上升和分異，也可能產生安山岩或流紋岩。
2. 火山類型：
   • 盾狀火山 (Shield volcanoes)： 由於噴發的玄武質岩漿黏度較低，流動性好，容易形成坡度平緩、規模巨大的盾狀火山。夏威夷群島就是典型的例子。
   • 拉張裂隙噴發 (Fissure eruptions)： 岩漿也可能沿著地殼的裂隙噴發，形成熔岩高原。
   • 火山島鏈 (Volcanic island chains)： 當地殼板塊在地函熱柱上移動時，熱柱會依次在板塊上形成火山，形成一串火山島鏈，如夏威夷群島。
3. 火山產物：
   • 熔岩流 (Lava flows)： 大量的玄武質熔岩。

頁岩 (shale) 是一種細粒的沉積岩，主要由黏土礦物和細小的石英、長石等碎屑顆粒組成。其形成過程涉及沉積、壓實和膠結。

(1) 碎屑組成 (Detrital Composition):
頁岩的碎屑組成主要包括：

• 黏土礦物 (Clay minerals)： 這是頁岩最主要的成分，通常佔 50% 以上。常見的黏土礦物包括伊利石 (illite)、蒙脫石 (montmorillonite)、高嶺石 (kaolinite) 和氯石 (chlorite) 等。這些黏土礦物是長石等矽酸鹽礦物風化、水解後形成的產物。
• 細粒石英 (Fine-grained quartz)： 石英是地殼中最常見的礦物，其細小的顆粒也會被搬運沉積下來。
• 細粒長石 (Fine-grained feldspar)： 長石也是常見的矽酸鹽礦物，其風化產物或細小顆粒也可能出現在頁岩中。
• 其他碎屑礦物： 如雲母 (mica)、方解石 (calcite) 的細小顆粒，以及一些重礦物（如鋯石、金紅石等）的微量存在。
• 有機質 (Organic matter)： 頁岩中常含有一定量的有機質，這是其顏色常呈深灰至黑色的一個重要原因。

(2) 從碎屑沉積物轉變為頁岩的歷程 (Transformation from Detrital Sediment to Shale):
這個過程稱為成岩作用 (diagenesis)，主要包括以下幾個階段：

在變質岩的研究中，確定各期變形或變質事件的絕對年代 (absolute dating) 確實是一個挑戰，主要原因如下：

1. 礦物的再結晶與蝕變 (Recrystallization and Alteration of Minerals): 變質作用的過程本身就是礦物發生化學成分改變、結構重組和新礦物生成的過程。放射性定年法通常依賴於礦物中放射性母元素及其子元素的衰變。然而，在變質過程中，如果礦物發生了再結晶、蝕變或重熔，可能導致放射性元素或其子元素從礦物中散失 (leaching) 或重新分配 (redistribution)。這會破壞放射性衰變的封閉體系，使得定年結果不準確，無法代表礦物最初的形成時間或變質事件發生的時間。
2. 礦物蝕變的複雜性 (Complexity of Mineral Alteration): 變質岩可能經歷多次變質事件。每一次變質事件都可能對已存在的礦物產生影響，例如重新平衡化學成分、形成新的變質礦物。如果定年的是經歷多次變質的礦物，那麼得到的年齡可能代表的是最後一次變質事件的年齡，或者是多次事件的混合年齡，難以區分出單一的變質期。
3. 缺乏適合定年的礦物 (Lack of Suitable Minerals for Dating): 並非所有的變質岩都含有適合進行放射性定年的礦物，例如含有足夠鈾、鉀、铷等放射性元素的礦物。即使含有，這些礦物也可能在變質過程中被破壞或蝕變。

Cross bedding (交錯層理) 是一種在沉積岩中常見的層理構造，指的是沉積物以斜交於主要層面 (bedding plane) 的方式堆積而成。這種結構通常發生在流動介質（如水流或風）的搬運作用下，當介質的流速發生變化或遇到障礙物時，會在沉積物的表面形成波紋或斜坡，進而產生斜向的層理。

形成原因：

• 水流搬運： 在河流、三角洲、海岸、淺海等環境中，水流的搬運能力會導致沙粒等沉積物在河床、沙洲或水下斜坡上形成斜坡，沉積物沿著斜坡向前推進，形成斜交的層理。
• 風搬運： 在沙漠環境中，風吹動沙丘時，也會在沙丘的迎風坡和背風坡形成斜交的層理。

Eclogite (藍閃石榴輝岩) 是一種高壓變質岩，主要由兩種礦物組成：綠色綠輝石 (omphacite) 和紅色/紫紅色石榴子石 (pyrope-almandine)。這兩種礦物在常壓下是不穩定的，會在極高的壓力下形成。

Volcanic front (火山鋒) 是指在俯衝帶中，與俯衝板塊相鄰的碰撞板塊上，火山活動最活躍、最靠近海溝前緣的一條線或一個區域。它代表了火山弧 (volcanic arc) 的最外側邊界。