112 年 國立臺灣大學地質科學系及海洋研究所聯合招生《海洋地質學》

黏土礦物是指粒徑小於2微米的矽酸鹽礦物，通常由層狀結構的矽氧四面體片和鋁氧八面體片組成。它們具有親水性、吸附性、陽離子交換能力等特性，在地質學、土壤學、工程學等領域都有重要應用。

常見的黏土礦物包括：

1. 蒙脫石 (Montmorillonite)：屬於層狀矽酸鹽礦物，結構中有較大的層間空間，能吸附大量水分而膨脹，屬於膨潤土的主要成分。

三角洲是河流在注入海洋、湖泊或其他較大的靜止水體時，因流速驟減，水中的懸浮物（泥沙、黏土、有機物等）大量沉積而形成的扇形或三角形的堆積地貌。

形成原因：

• 流速減緩： 河水進入較寬闊、靜止的水體後，流速急劇下降，攜帶的沉積物失去搬運能力而沉澱。
• 沉積物供給： 河流上游流域的侵蝕作用提供了豐富的沉積物。
• 潮汐、波浪和洋流的影響： 這些外營力會影響三角洲的形態和沉積物的再分配。

莫荷面（Mohorovičić discontinuity），簡稱莫荷面，是地球地殼與地幔之間的界面。這個界面是以克羅埃西亞地震學家安德里亞·莫荷羅維契奇（Andrija Mohorovičić）的名字命名的。

發現方式：
莫荷面是透過分析地震波（特別是P波和S波）的傳播速度變化而發現的。當地震波從地殼傳播到地幔時，其速度會突然增加，這表明下方物質的密度和彈性模量發生了顯著變化。

重力異常是指實際測量到的地表重力值與根據標準重力模型預測的重力值之間的差異。這種差異通常是由於地下物質的密度分佈不均勻所引起的。

產生原因：

• 地下物質密度變化： 地下岩石、礦物或沉積物的密度不同，會對地表重力產生影響。例如，高密度物質（如鐵礦體）會引起正重力異常，而低密度物質（如鹽丘、沉積盆地）則會引起負重力異常。
• 地形效應： 山脈、海溝等地形也會影響重力值，但通常會透過重力校正來消除。

海桌山（Guyot），也稱為平頂海山，是一種海底火山，其頂部是平坦的，而非典型的尖錐形。它通常是因為火山在噴發後，其頂部被海浪侵蝕作用磨平，之後又下沉到海面以下而形成。

特徵：

• 平坦的頂部： 這是海桌山最顯著的特徵，與一般火山錐明顯區別。
• 通常位於深海： 形成後可能因構造運動或海平面變化而沉降。
• 由火成岩構成： 屬於海底火山活動的產物。

海底熱泉（Hydrothermal vent）是海底火山活動或地殼裂隙中，從地殼深處噴出的高溫、富含礦物質的水體。這些熱泉通常位於洋中脊、火山弧等板塊邊界區域。

形成機制：

1. 海水滲入地殼裂縫，與熱的岩漿或高溫岩石接觸，被加熱。
2. 加熱後的海水密度降低，溶解了周圍岩石中的金屬離子（如鐵、銅、鋅、硫化物等）和溶解性氣體（如硫化氫、甲烷、二氧化碳等）。
3. 這些高溫、富含礦物質的海水從海底裂縫或火山通道噴出，與冰冷的海水混合。

濁流（Turbidity current）是一種在水體（如海洋、湖泊）底部流動的、含有大量懸浮沉積物的、密度比周圍清水大的水流。它是一種重要的海底沉積物搬運機制。

形成原因：

• 地震觸發： 海底地震可能導致海底斜坡上的沉積物不穩定而滑落，形成濁流。
• 海底滑坡： 過度堆積的沉積物、海底峽谷的侵蝕、或人類活動（如鑽探、鋪設管道）都可能引發海底滑坡，進而形成濁流。
• 風暴或洪水： 陸地上由洪水帶入大量沉積物，進入海洋後也可能形成濁流。

古海洋代用指標（Paleoceanographic proxies）是指可以間接記錄過去海洋環境條件的各種物理、化學、生物或地質記錄。由於我們無法直接測量過去的海洋狀況，因此需要透過分析沉積物、化石、冰芯等載體中保存的資訊來重建古海洋。

常見的代用指標及其指示的環境：

• 氧同位素比值（$\delta^{18}\text{O}$）： 分析有孔蟲（foraminifera）等鈣質浮游生物外殼中的氧同位素比值，可以重建過去的全球冰量（與海平面相關）和海水溫度。
• 碳同位素比值（$\delta^{13}\text{C}$）： 類似地，碳同位素比值可以反映過去的海洋環流、生產力以及大氣-海洋碳交換。

本題考查前陸盆地（Foreland basin）與弧前盆地（Forearc basin）的地質特徵、差異及其地質意義。這兩者都是與造山運動相關的特殊沉積盆地。

前陸盆地 (Foreland Basin)

特徵：

1. 位置： 位於造山帶（Orogenic belt）的前緣，緊鄰一個隆起的造山帶（如褶皺-衝斷帶）。
2. 形成原因： 造山帶岩石圈的重力均衡（isostatic compensation）和岩石圈的撓曲（flexure）所致。造山帶的巨大質量向下壓迫，使前緣的岩石圈向下彎曲，形成一個相對較深的盆地。
3. 沉積物來源： 主要來自造山帶的侵蝕，沉積物通常是粗粒的（礫岩、砂岩），並向盆地中心逐漸變細為泥岩。沉積物顯示出明顯的向上變粗的趨勢，反映了造山運動的持續抬升和侵蝕。
4. 構造： 盆地下伏的岩石圈會被造山帶的衝斷帶所加厚和變形。盆地本身可能呈現單斜構造，或有輕微的褶皺。
5. 地質意義： 記錄了造山運動的歷史，提供造山帶抬升、侵蝕、沉積的時空序列。是研究板塊碰撞、造山帶演化、古地理和古氣候的重要區域。

弧前盆地 (Forearc Basin)

特徵：

1. 位置： 位於火山弧（Volcanic arc）與隱沒帶（Subduction zone）之間的區域，介於火山弧的後緣與海溝（Trench）之間。
2. 形成原因： 主要由隱沒板塊俯衝引起的上覆板塊的撓曲和拉張所形成。隱沒的洋殼將上覆大陸岩石圈向下牽引，在火山弧前方形成一個凹陷。
3. 沉積物來源： 主要來自火山弧的火山碎屑（如火山灰、火山礫）、侵蝕產物，以及來自海溝的少量沉積物。沉積物成分複雜，常含有火山物質。
4. 構造： 盆地常呈現狹長、平行於火山弧的形態。構造上可能受控於與隱沒帶相關的斷層系統。
5. 地質意義： 記錄了火山弧的活動歷史、火山物質的來源和搬運，以及隱沒帶的動力學過程。對於理解火山弧系統的形成和演化至關重要。

差別與意義比較

| 特徵 | 前陸盆地 (Foreland Basin) | 弧前盆地 (Forearc Basin)

本題主要探討海底峽谷的地質意義，並要求針對台灣周邊海域的海底峽谷進行簡要介紹。

海底峽谷的地質意義

海底峽谷（Submarine canyon）是海底一種類似於陸地上河流峽谷的侵蝕地貌，通常呈現V字形或U字形，坡度陡峭，延伸至大陸邊緣或島嶼邊緣，甚至進入深海平原。其地質意義重大，主要包括：

1. 沉積物搬運通道： 海底峽谷是將陸源沉積物（來自河流、海岸侵蝕）和陸棚區的物質，搬運到深海平原、深海扇、或斜坡堆積區的重要通道。濁流（Turbidity currents）是驅動這種搬運的主要機制。
2. 構造活動的指示： 許多海底峽谷的形成和發育受到區域構造（如斷層、褶皺）的控制。峽谷的走向、規模和分布可能反映了海底的構造應力場和活動斷層。
3. 地質資源勘探： 海底峽谷及其周邊區域常是沉積物富集的地方，可能儲存有油氣資源。同時，海底峽谷也與海底滑坡、濁流事件有關，對海底管線鋪設和工程建設有重要影響。
4. 生物棲息地： 陡峭的峽谷壁和複雜的地形提供了多樣化的生物棲息環境，是許多海洋生物的棲息地和覓食場。
5. 研究古氣候和古環境： 峽谷中的沉積物記錄了過去的濁流事件、海底滑坡，這些事件的頻率和強度可以反映過去的氣候變化（如降雨量、風暴強度）和地質活動。

台灣周邊海域海底峽谷簡介

台灣位於環太平洋火山帶，地處歐亞板塊、菲律賓海板塊與太平洋板塊的交界處，地質構造複雜，海底地形變化劇烈，因此擁有眾多發育良好的海底峽谷。

本題要求描述海洋沉積物的四種主要類型，包括它們的組成、來源和分布。海洋沉積物是海洋地殼表面覆蓋的一層鬆散物質，是研究地球歷史、氣候變遷、海洋生物演化以及資源勘探的重要載體。

海洋沉積物通常根據其來源和組成，被分為以下四種類型：

1. 陸源沉積物 (Terrigenous Sediments)

• 組成： 主要由矽酸鹽礦物（如石英、長石、黏土礦物）、岩石碎屑、以及少量有機物組成。是從陸地通過風、水流、冰川等媒介搬運到海洋的物質。
• 來源： 大陸岩石的風化、侵蝕、搬運。河流是主要的搬運者，將來自內陸的沉積物帶到海岸，再由海浪、洋流進一步搬運。風 también 扮演重要角色，將細小的塵埃帶到遠洋。
• 分佈： 在大陸架、大陸坡、大陸隆和深海平原的近岸區域廣泛分布。靠近大陸的區域沉積物顆粒較粗（砂、礫），距離大陸越遠，顆粒越細（粉砂、黏土）。

2. 生物沉積物 (Biogenous Sediments) / 生物造（Biogenic）沉積物

• 組成： 主要由海洋生物死亡後遺骸的碳酸鈣（CaCO₃）或二氧化矽（SiO₂）組成。
  • 碳酸鈣沉積物： 主要來自浮游有孔蟲（Foraminifera）、有孔蟲（Benthic Foraminifera）、翼足類（Pteropods）、珊瑚、貝類、有孔藻類（Coccolithophores）等。
  • 二氧化矽沉積物： 主要來自矽藻（Diatoms）、放射蟲（Radiolarians）、矽質海綿（Siliceous Sponges）等。
• 來源： 海洋生物的遺骸。
• 分佈：
  • 碳酸鈣沉積物： 在淺海（如大陸架）和溫帶至熱帶的深海平原（赤道附近、中緯度區域）廣泛分布，形成「鈣質軟泥」（Calcareous ooze）。在水深超過碳酸鹽補償深度（CCD, Carbonate Compensation Depth）的區域，碳酸鈣會溶解，因此在極深海區分布較少。
  • 二氧化矽沉積物： 在營養鹽豐富的區域（如高緯度、近岸湧升流區域）分布較多，形成「矽質軟泥」（Siliceous ooze），常見於高緯度海域（如南大洋）和熱帶湧升流區。

本題要求提供兩個具體例子，說明海洋沉積物如何用來重建過去的氣候和災難事件（如地震、颱風）。這需要結合前一題的沉積物類型和代用指標（proxy）的概念。

例子一：利用深海沉積物重建過去的全球氣候變遷（例如冰期-間冰期循環）

• 所用沉積物類型： 深海鈣質軟泥（Calcareous ooze）或矽質軟泥（Siliceous ooze），其中保存的浮游有孔蟲（Planktonic foraminifera）或有孔蟲（Benthic foraminifera）的殼體。
• 重建方法：
  1. 氧同位素分析 ($\delta^{18}\text{O}$)： 浮游有孔蟲殼體中的氧同位素比值對海水溫度和全球冰量（即全球冰蓋的大小）非常敏感。
     • 當全球氣溫較低（冰期）時，海水溫度較低，且大量水被鎖在冰蓋中，導致海水中的$^{16}\text{O}$相對減少，$^{18}\text{O}$相對富集，因此有孔蟲殼體中的$\delta^{18}\text{O}$值較高。
     • 當全球氣溫較高（間冰期）時，海水溫度較高，冰蓋融化，海水中的$^{18}\text{O}$相對減少，$\delta^{18}\text{O}$值較低。
  2. 微量元素分析 (如 Mg/Ca)： 有孔蟲殼體中的鎂鈣比（Mg/Ca）值與形成殼體時的海水溫度呈正相關，可以作為直接的古溫度計。
• 說明： 通過對深海鑽探取樣的沉積柱進行連續的氧同位素和微量元素分析，科學家們可以繪製出過去數十萬年甚至數百萬年的全球氣溫和冰量變化曲線。這些曲線揭示了地球系統中週期性的冰期-間冰期循環，與米蘭科維奇週期（Milankovitch cycles，即地球軌道參數的變化）密切相關，是研究過去氣候變遷的經典例子。

例子二：利用大陸邊緣沉積物重建海底地震引發的濁流事件

• 所用沉積物類型： 大陸坡和大陸邊緣的沉積物，特別是濁積岩（Turbidites）。
• 重建方法：