114 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》

這題主要在考驗考生對常見礦物中文名稱及其晶系的記憶。

這題考驗對 Pyrite 晶體結構的詳細了解，包括其點群 (Point Group) 和空間群 (Space Group)。

這題要求考生從提供的礦物描述中提取 Pyrite 的物理性質數據，主要是比重 (Specific Gravity, D) 和硬度 (Hardness, H)。

這題考查 Pyrite 的雙晶 (twinning) 特徵，需要從提供的礦物描述中找到相關資訊。

根據礦物手冊的「Crystal Data」部分，關於 Twinning 的描述為：

這題主要考驗對 Pyrite 化學組成及其可能雜質的了解。

根據礦物手冊的「Chemistry」部分：
Pyrite 的主要化學式為 FeS₂。

在「Chemistry」表格中，列出了不同樣品 (1-4) 的化學成分分析。除了 Fe 和 S 之外，還可能含有其他元素：
樣品 (2) 含有 Ni (16.69%)。

這題要求回答 Pyrite 的礦物化學分類，以及列舉其著名產地。

1. 礦物化學分類:
   根據礦物手冊的「Mineral Group」部分，Pyrite 屬於「Pyrite group」。
   Pyrite group 屬於硫化物 (Sulfide) 礦物。更精確地說，它屬於硫屬化物 (Chalcogenide) 類別，其中金屬與硫、硒或碲結合。

2. 良好或大型晶體產地:
   根據礦物手冊的「Distribution」部分，列舉了許多產地，其中提到「large or fine crystals」的例子有：

   • Rio Marina, on Elba, and at Traversella, Piedmont, Italy.
   • Ambasaguas and Navajun, Logroño Province, Spain, sculptural groups of crystals.

這題考查 Pyrite 在肉眼可見範圍下的光學性質，如顏色、條痕、光澤等。

根據礦物手冊的「Optical Properties」部分：

• Color: Pale brass-yellow, tarnishes darker and iridescent; in polished section creamy white. (顏色：淡黃銅色，會失去光澤變

這題要求從礦物描述中找出 Pyrite 的斷口 (Fracture) 和磁性 (Magnetic properties) 特徵。

這題考驗對 Pyrite 產出環境和成因的理解，要求列舉兩種不同的成礦環境或方式，並且不能僅僅回答岩性。

根據礦物手冊的「Occurrence」部分：
Pyrite formed under a wide variety of conditions. In hydrothermal veins as very large bodies, as magmatic segregations, as an accessory mineral in igneous rocks, in pegmatites; in contact metamorphic deposits, also in metamorphic rocks; as diagenetic replacemen

這題考查 Pyrite 礦物名稱的詞源學。

本題考查礦物學中「固溶體」的概念，特別是「不完全固溶體」及其成因。

核心觀念：
固溶體 (Solid Solution) 是指兩種或多種礦物能夠在固態下互相溶解，形成均勻混合物，其化學組成可以在一定範圍內連續變化。當這種溶解度在整個溫度範圍內都是完全的，則稱為「完全固溶體」。然而，許多礦物體系並非如此，在某些溫度範圍內，兩種端元礦物之間只能有限度地互相溶解，這就稱為「不完全固溶體」。

「不完全固溶體」的定義：
「不完全固溶體」是指在某個溫度範圍內，兩種礦物組成的固態混合物，其溶解度是有限的。這意味著，在給定的溫度下，兩種端元礦物（例如 Albite 和 Orthoclase）之間能夠互相混入的比例是有限的。超過這個比例，多餘的部分就會以獨立的礦物相析出。

「不完全固溶體」的形成原因：
不完全固溶體形成的根本原因是離子的大小、電荷以及晶體結構的相似性程度。

1. 離子半徑差異 (Ionic Radius Difference)：Albite (NaAlSi₃O₈) 和 Orthoclase (KAlSi₃O₈) 的固溶體體系中，Na⁺ 和 K⁺ 離子的大小差異較大。K⁺ 離子比 Na⁺ 離子大得多。這種較大的離子半徑差異，使得 K⁺ 離子難以完全取代 Na⁺ 離子進入 Albite 的晶格，反之亦然。
2. 晶格結構差異 (Crystal Structure Difference)：雖然 Albite 和 Orthoclase 都屬於長石類，但它們的晶體結構在細節上存在差異，尤其是在鉀離子 (K⁺) 的配位環境。

本題考查長石相圖中的「溶質線」(solvus) 和「離溶作用」(exsolution) 這兩個重要概念。

核心觀念：
這兩個概念與「不完全固溶體」緊密相關，描述了在溫度降低過程中，原本均勻的固溶體如何分離成兩種不同組成的礦物相。

1. 溶離線 (Solvus)：
   • 定義：在二元相圖中，「溶離線」是一條曲線，它標示出一個溫度範圍的上限，在這個範圍內，兩種組分構成的固溶體是穩定的。當溫度降低到溶離線以下時，該固溶體變得不穩定，會發生分離，形成兩種具有不同化學組成的獨立固體相。
   • 相圖中的體現：在 Albite-Orthoclase 相圖中，溶離線（Solvus）是一條彎曲的線，將「Alkali Feldspar」的單一固溶體區域與下方的「Two Feldspars」區域分隔開。例如，在常壓下，它大致從 Albite 端點的較高溫度（約 1100°C）下降，並在中間某個組成處形成最低點，然後上升到 Orthoclase 端點的較低溫度。這條線標示了一個組成範圍內，固溶體溶解度的極限。
   • 物理意義：溶離線代表了在一個特定溫度下，兩種成分能夠穩定共存的最高固溶度。低於此線，固溶體會傾向於分離。

核心觀念

本題考查二元相圖的判讀，系統為 Or–Ab（orthoclase–albite）鹼性長石固溶體。已知整體成分為 $60\ \mathrm{wt.\%\,Or}$，在相圖上定位：

• 橫軸：組成，$60\ \mathrm{wt.\%\,Or}$
• 縱軸：溫度，$900^\circ\mathrm{C}$
• 判斷該點落在哪一個相區，即可決定共存相數。
• 若位於單一固溶體區，該相的成分等於整體成分，重量百分比為 $100\%$。

題幹未附原試題的 Or–Ab 相圖；以下依標準低壓 Or–Ab 二元相圖判讀，$900^\circ\mathrm{C}$、$60\ \mathrm{wt.\%\,Or}$ 位於單一鹼性長石固溶體區。

解題方法

在 Or–Ab 相圖上畫出：

1. $900^\circ\mathrm{C}$ 的水平線；
2. $60\ \mathrm{wt.\%\,Or}$ 的垂直線。

兩線交於 A 點。A 點位於單一固相的鹼性長石固溶體區，而不在液體區，也不在兩種長石共存的溶離區。

因此，A 點只有一個相：

$\text{alkali feldspar solid solution}$

由於只有單一相，依相律與質量守恆，該固溶體的成分就是整體成分：

核心觀念

本題考查二元相圖中的：

• 由溫度與總成分判斷平衡共存相。
• 由兩相區的水平連線（tie line）讀取各固溶體成分。
• 使用槓桿定律（lever rule）計算各相的重量百分比。

其中 Or 代表正長石端元成分，題目給定整體成分為 $60\ \mathrm{wt.\%}$ Or。

需要使用題目所附的 Or–Ab 二元相圖；但目前題幹未提供相圖，因此無法由文字單獨確定 $700^\circ\mathrm{C}$ 時兩端固溶體的精確成分。以下依一般教科書 Or–Ab 相圖在 $700^\circ\mathrm{C}$ 的典型讀值，取兩固溶體成分約為 $10\ \mathrm{wt.\%}$ Or 與 $90\ \mathrm{wt.\%}$ Or。

解題方法

在 Or–Ab 相圖上定位：

1. 整體成分：$C_0=60\ \mathrm{wt.\%}$ Or。
2. 溫度：$T=700^\circ\mathrm{C}$。
3. 找出兩者交點，即 B 點。

B 點位於兩個鹼性長石固溶體的兩相區，因此共有兩相：

• Ab-rich 鹼性長石固溶體：$C_{\mathrm{Ab-rich}}\approx10\ \mathrm{wt.\%}$ Or。
• Or-rich 鹼性長石固溶體：$C_{\mathrm{Or-rich}}\approx90\ \mathrm{wt.\%}$ Or。

兩相總重量百分比由槓桿定律求得。

Or-rich 相比例：

因此：

本題考查在更低的溫度下，利用相圖判斷相的種類、組成及相對含量，特別是當溫度低於溶離線時的離溶現象。

核心觀念：
當溫度降低到低於溶離線 (solvus) 時，原本均勻的固溶體會發生離溶作用，分離成兩種或多種不同的礦物相。此時需要使用槓桿定律 (Lever Rule) 來計算各相的含量。

解題步驟：

1. 確定初始條件：

   • 初始組成：60 wt.% Or
   • 目標溫度：500°C (C 點)

2. 在相圖上定位：

   • 找到 500°C 的水平線。
   • 觀察這條水平線與 60 wt.% Or 的組成。
   • 在 500°C，60 wt.% Or 的位置，我們位於「Two Feldspars」區域。這個區域表示有兩種長石相共存。

3. 判斷穩定的相：

   • 在 500°C，60 wt.% Or 的點，位於「Two Feldspars」區域。
   • 這意味著有兩種長石相共存。

4. 確定相的種類和組成：

   • 「Two Feldspars」區域表示有兩種長石相：富鈉的 Albite (Ab) 相和富鉀的 Orthoclase (Or) 相。
   • 根據相圖，在 500°C 的溫度線上，與 60 wt.% Or 組成點相交的，是「Two Feldspars」區域。
   • 這個區域的左側邊界（液相線/固相線的延伸）是 Albite 端的固溶體組成，右側邊界是 Orthoclase 端的固溶體組成。
   • 在 500°C，60 wt.% Or 的組成點，處於 Two Feldspars 區域內。我們需要找到 500°C 溫度線上，與 60 wt.% Or 組成點相交的「Two Feldspars」區域的兩個邊界線。
   • 從圖上看，在 500°C，Alkali Feldspar 區域的左邊界（富鈉端）約在 10-20 wt.% Or 左右。右邊界（富鉀端）約在 80-90 wt.% Or 左右。
   • 更準確的讀取：在 500°C，圖中的溶質線 (solvus) 的左側端點（即富鈉相的組成）大約是 10-15 wt.% Or。右側端點（富鉀相的組成）大約是 80-85 wt.% Or。
   • 然而，B 點的標示是在 700°C。C 點是 500°C。
   • 在 500°C，60 wt.% Or 的位置，我們位於「Two Feldspars」區域。
   • 這個區域表示兩種相共存：
     • 富鈉相 (Albite-rich Alkali Feldspar)：其組成由 500°C 溫度線與「Two Feldspars」左側邊界的交點決定，大約是 10-15 wt.% Or。
     • 富鉀相 (Orthoclase-rich Alkali Feldspar)：其組成由 500°C 溫度線與「Two Feldspars」右側邊界的交點決定，大約是 80-85 wt.% Or。

本題為名詞解釋，要求解釋「Silica tetrahedron」。

核心觀念：
矽氧四面體是矽酸鹽礦物結構的基本單元。

解釋：
矽氧四面體 (Silica tetrahedron) 是指一個氧原子位於四個矽原子所形成的四面體頂點上，而中心有一個矽原子，周圍有四個氧原子以共價鍵結合。

本題為名詞解釋，要求解釋「Polymorphism」。

核心觀念：
同質多象性是礦物學中的一個重要概念，描述了同一化學組成的礦物可以形成不同晶體結構的現象。

解釋：
同質多象性 (Polymorphism) 是指一種化學組成相同，但具有不同晶體結構的現象。具有同質多象性的礦物稱為同質多象體 (polymorphs)。這些不同的晶體結構通常是在不同的溫度和壓力條件下形成的，或者是由於結晶過程中的差異所導致。

本題為名詞解釋，要求解釋「Anisotropic mineral」。

核心觀念：
各向異性是礦物光學性質的重要特徵，與其晶體結構密切相關。

解釋：
各向異性礦物 (Anisotropic mineral) 是指其物理性質（特別是光學性質，如折射率、光軸方向等）在不同方向上表現出不同的礦物。

本題為名詞解釋，要求解釋「Diatreme」。

核心觀念：
Diatreme 是一種火山通道結構，與特定類型的火山噴發有關。

解釋：
Diatreme 是一種火山通道或噴發口，通常由基性或超基性的火山岩漿（如玄武岩漿）與地函物質（如橄欖岩）混合，並在上升過程中與水或二氧化碳發生強烈反應而形成。這種噴發通常是爆炸性的，會將地函岩石碎片（捕虜體，xenoliths）以及岩漿帶到地表。

本題為名詞解釋，要求解釋「Serpentinite」。

核心觀念：
蛇紋石化岩是地函物質變質後形成的岩石。

解釋：
蛇紋石化岩 (Serpentinite) 是一種主要由蛇紋石 (serpentine group minerals) 組成的變質岩。

本題為名詞解釋，要求解釋「Regional metamorphism」。

核心觀念：
區域變質作用是在大範圍內發生的變質作用。

解釋：
區域變質作用 (Regional metamorphism) 是指在大範圍的地理區域內，由於地殼構造運動（如造山運動）導致的大規模、同時性的變質作用。這種變質作用通常發生在較大的壓力（尤其是靜岩壓力）和溫度條件下，且作用時間長。

區域變質作用的特徵包括：

• 規模大：影響範圍可達數百甚至數千平方公里。
• 壓力、溫度條件：通常發生在中至高壓、中至高溫的條件下。

本題為名詞解釋，要求解釋「Roundness」。

核心觀念：
Roundness 是沉積物顆粒的形態學特徵之一，描述其邊角的圓滑程度。

解釋：
圓度 (Roundness) 是指沉積物顆粒（如砂粒、礫石）邊角（edges）的圓滑程度。它描述了顆粒的尖銳程度，圓度越高，表示顆粒的邊角越圓滑，越不尖銳。

圓度與顆粒的搬運過程密切相關：

• 角礫狀 (Angular)：邊角尖銳，搬運距離短，機械磨損少。

本題考查部分熔融 (partial melting) 的過程及其對岩石組成的影響，特別是在地函環境中。

核心觀念：
部分熔融時，不同礦物的熔點不同，熔點較低的礦物或其組成成分會優先熔融。這種選擇性熔融會導致殘留固體相和熔融液相的化學成分發生變化。

解釋：
Lherzolite 是一種地函的典型岩石，主要由兩種鐵鎂質礦物組成：

1. 奧長石 (Olivine)：化學式約為 $(Mg, Fe)_2SiO_4$，是地函中含量較高的礦物。
2. 輝石 (Pyroxene)：主要包括斜方輝石 (orthopyroxene, 如 enstatite $MgSiO_3$) 和單斜輝石 (clinopyroxene, 如透輝石 $CaMgSi_2O_6$ 或鐵鋁輝石 $CaFeSi_2O_6$)。

在中洋脊地區，地函部分熔融通常是由減壓引起的（減壓熔融，decompression melting）。

部分熔融過程中的變化：

• 熔點差異：在 Lherzolite 中，輝石（特別是富含 Ca 的單斜輝石）的熔點通常低於奧長石。
• 優先熔融成分：當 Lherzolite 部分熔融時，首先熔融的是熔點較低的成分，即輝石中的富鈣、富鐵成分。

本題考查沉積岩和火成岩中用於判斷沉積物或熔岩堆疊方向的構造。

核心觀念：
許多沉積和火山構造具有固有的方向性，反映了它們形成時的重力作用或沉積/噴發方向。

1. 火成岩 (Igneous rocks) - 判斷上下構造：

• 構造名稱：熔岩流層理 (Lava flow layering) 或氣孔構造 (Vesicular texture) 的分佈。
• 說明：
  • 熔岩流層理：當熔岩流冷卻時，其中的礦物或玻璃可能會呈現出平行或近乎平行的層理。這些層理通常是水平或近乎水平的，反映了熔岩流的堆疊方向。較早形成的熔岩層在下方，較晚形成的在上方。
  • 氣孔構造 (Vesicular texture)：在許多熔岩中，氣體會形成氣泡，冷卻後形成氣孔。在一個熔岩流中，氣體會因重力作用向上逃逸，因此，氣孔通常在熔岩流的頂部較為發達和密集，而在底部則較少或沒有。觀察氣孔的密集程度和分佈，可以判斷出熔岩流的頂部。例如，在許多玄武岩熔岩中，頂部常有較大的氣孔或杏仁狀構造 (amygdales)。

2. 沉積岩 (Sedimentary rocks) - 判斷上下構造：

• 構造名稱：交錯層理 (Cross-bedding) 或 顆粒分選 (Grain sorting) / 粒度分佈 (Graded bedding)。
• 說明：
  • 交錯層理 (Cross-bedding)：這是沉積岩中最常見的判斷上下構造的指標之一。它表現為小型的、傾斜的層理（稱為交錯層），這些層理被更大型的水平或近乎水平的主層理所切割。交錯層的傾斜方向指示了沉積物搬運的方向，而整個交錯層組的頂部是水平的或被更上方的層理所切割，底部則相對平坦。通常，交錯層的傾斜方向指向流動的方向（如水流或風力），而較老的層總是位於較年輕的層之下。

本題考查砂岩的分類原則，並要求繪圖說明。

核心觀念：
砂岩的分類主要基於其礦物組成和顆粒的成熟度。

砂岩分類的依據：

砂岩是一種以砂粒（直徑 0.0625 mm 至 2 mm）為主要成分的沉積岩。其分類主要考慮以下兩個方面：

1. 礦物組成 (Mineral Composition)：

   • 石英 (Quartz)：最常見且最穩定的礦物。
   • 長石 (Feldspar)：包括鉀長石 (K-feldspar) 和斜長石 (Plagioclase)。長石相對不穩定，易被風化。
   • 岩屑 (Rock fragments)：指來自其他岩石的碎屑，如火成岩、變質岩或沉積岩的碎片。

2. 膠結物 (Cement)：

   • 將砂粒膠結在一起的物質，常見的有二氧化矽 (silica, 如石英)、碳酸鈣 (calcium carbonate, 如方解石) 和氧化鐵 (iron oxides)。

主要分類方案 (Folk and Ward, 1967)：
根據石英、長石和岩屑的相對含量，以及顆粒的成熟度（通常與石英含量相關），可以將砂岩分為以下幾類：

• 石英砂岩 (Quartz Sandstone / Quartz Arenite)：石英含量 > 90%。顆粒高度成熟，主要由單一礦物石英組成。
• 長石砂岩 (Arkose / Feldspathic Sandstone)：長石含量 > 25%。通常顆粒不夠成熟，含有較多的岩屑和未風化的長石，表明搬運和風化時間較短。
• 岩屑砂岩 (Lithic Sandstone / Greywacke)：岩屑含量 > 25%。通常顆粒成熟度較低，含有較多的岩屑和基質 (matrix)。

繪圖說明：
可以使用一個三角圖 (Ternary diagram) 來表示這三種主要成分的相對含量。

本題考查變質岩石學中關於礦物顆粒大小（grain size）的影響因素。

核心觀念：
變質岩的顆粒大小是多種因素共同作用的結果，包括變質條件（溫度、壓力、流體）、變質時間、原始岩石的成分以及變質作用的動力學過程。

影響變質岩中各礦物顆粒大小的可能因子：

1. 變質溫度 (Metamorphic Temperature)：

   • 影響：一般而言，較高的變質溫度有利於原子擴散和質點遷移，促進較小的顆粒長大，形成較大的顆粒。這是因為在較高溫度下，化學反應速率加快，礦物重結晶 (recrystallization) 和長大 (growth) 的動力學條件更佳。
   • 例子：在低級變質（如綠岩相）中，礦物顆粒通常較小；而在高級變質（如麻粒岩相）中，礦物顆粒則普遍較大。

2. 變質壓力 (Metamorphic Pressure)：

   • 影響：壓力對顆粒大小的影響較為複雜，但通常與溫度有協同作用。
     • 靜岩壓力 (Lithostatic pressure)：在均勻的壓力下，有時會促進顆粒長大，但其作用不如溫度顯著。
     • 定向壓力 (Differential stress)：在定向壓力作用下，顆粒會發生變形（如壓扁、延展），這可能導致形成片理化的細粒變質岩（如板岩、千枚岩）。然而，在某些情況下，定向壓力也可能通過促進應變驅動的重結晶來影響顆粒大小。

3. 變質時間 (Metamorphic Duration)：

   • 影響：較長的變質時間允許礦物有更長的時間進行化學反應、重結晶和顆粒長大。因此，在相同溫度和壓力條件下，經過更長時間變質作用的岩石，其礦物顆粒通常會比變質時間短的岩石更大。

4. 流體含量與化學性質 (Fluid Content and Chemistry)：

   • 影響：變質過程中流體（主要是水）的存在對顆粒大小有重要影響。流體可以作為化學反應的介質，溶解和輸送離子，促進礦物的重結晶和顆粒長大。
   • 作用：有流體存在時，礦物顆粒的長大速率通常比無流體（乾變質）時更快。流體的化學性質（如 pH 值、離子濃度）也會影響特定礦物的溶解度和生長速率。

5. 原始岩石的成分與結構 (Original Rock Composition and Texture)：

   • 影響：原始岩石的礦物成分和顆粒大小會影響變質後顆粒的大小。
   • 例子：
     • 礦物組成：不同礦物有不同的重結晶速率和生長潛力。例如，石英和方解石等礦物在變質作用下容易形成較大的等軸狀顆粒。雲母和角閃石等片狀或柱狀礦物容易形成細長的顆粒，並排列成片理。