115 年 國立臺灣大學地質科學系及海洋研究所聯合招生《地球歷史》

核心觀念：此題考查古地理學中的重要名詞 Panthalassa。

核心觀念：此題考查古生物學中關於寒武紀早期特徵性化石的術語。

詳解：
Small shelly fossils（小型鈣質外殼化石）是指在寒武紀早期（約 5.41 億年前至 5.30 億年前）發現的一類體型微小、具有鈣質外殼的化石。

核心觀念：此題考查冰川學與沉積學中關於冰川作用的現象。

詳解：
Ice rafted debris（冰筏沉積物，或冰漂碎屑）是指由冰川（如冰山、冰架）運輸並最終沉積在海洋或湖泊底部的岩石碎屑。當冰川在陸地上或海岸邊崩解形成冰山後，會攜帶陸源碎屑（如礫石、砂、泥）漂浮到海洋中。

核心觀念：此題考查演化生物學中的重要概念——交互演化。

詳解：
Coevolution（交互演化，或共同演化）是指兩種或兩種以上不同物種之間，由於彼此的交互作用而相互影響，導致各自發生演化的現象。這種交互作用通常是捕食者與獵物、寄生者與宿主、競爭者之間，或是共生關係。

核心觀念：此題考查植物學，特別是植物演化史中的一個重要類群。

詳解：
Angiosperms（被子植物，或開花植物）是指一類具有花和果實的種子植物。它們的種子被包含在子房（果實的一部分）內，這是區別於裸子植物（如針葉樹）的主要特徵。

核心觀念：此題考查板塊構造學中，描述板塊邊界的一種特殊幾何結構。

詳解：
Triple junction（三叉交會點）是板塊構造學中，指三個構造板塊的邊界相交於一點的地理位置。

核心觀念：此題考查地球科學與天文學中，關於早期地球氣候與太陽演化的一個悖論。

詳解：
Faint Young Sun Paradox（年輕太陽的黯淡悖論）是指，根據恆星演化模型，早期太陽的光度比現在要弱約 30%。如果早期地球接收到的太陽輻射較少，且當時大氣成分與現在相似（CO2 濃度不高），那麼地球應該處於冰凍狀態。

核心觀念：此題考查古生物學與地質學中，關於生物滅絕事件的術語。

詳解：
Mass Extinction（生物大滅絕）是指在地質歷史時期，地球上短時間內，生物物種的滅絕率顯著高於其生成率，導致大量生物滅絕的事件。

核心觀念：此題考查地球科學，特別是關於地球大氣層演化的重要概念。

詳解：
地球大氣層的演化是一個複雜且漫長的過程，通常被分為三個主要階段：

第一大氣層 (Primary Atmosphere):

• 起源 (Origin): 主要是在地球形成初期，由太陽星雲殘留的輕元素，如氫 (H) 和氦 (He) 構成。這些氣體透過引力聚集在原始地球周圍。
• 組成 (Composition): 主要為氫氣 ($H_2$) 和氦氣 ($He$)。
• 命運 (Fate): 由於地球引力相對較小，且當時太陽風強烈，這些輕氣體非常容易逃逸到外太空。因此，第一大氣層非常短暫，很快就消失了。

第二大氣層 (Secondary Atmosphere):

• 起源 (Origin): 主要來自地球內部的火山活動釋放的氣體（火山排氣，volcanic outgassing）。當地球內部冷卻並發生火山噴發時，大量氣體被釋放到地表。
• 組成 (Composition): 主要成分包括水蒸氣 ($H_2O$)、二氧化碳 ($CO_2$)、氮氣 ($N_2$)、氨氣 ($NH_3$)、甲烷 ($CH_4$)，以及少量的硫化氫 ($H_2S$)、氯化氫 ($HCl$) 等。此時期幾乎沒有游離氧 ($O_2$)。
• 命運 (Fate):
  • 水蒸氣 ($H_2O$) 在地球冷卻後凝結成液態水，形成了原始的海洋。

核心觀念：此題考查古生物學、沉積學與地球科學，關於早期地球生命活動與地質記錄的知識。

詳解：
此題涉及三個問題：

1. 哪個生物產生了前寒武紀（Precambrian）的大部分氧氣？
   產生前寒武紀大部分氧氣的生物主要是藍綠菌（cyanobacteria），牠們進行了光合作用。藍綠菌是最早演化出進行產氧光合作用的生物之一，大約出現在 25 億年前的太古宙晚期或古元古代早期。牠們利用陽光、水和二氧化碳製造能量，並釋放出氧氣作為副產品。這些氧氣的累積是地球大氣從還原性轉變為氧化性的關鍵事件，稱為「大氧化事件」（Great Oxidation Event）。

2. 在淺水區形成的圓頂狀沉積結構叫做什麼？
   這些在淺水區形成的圓頂狀（或層狀）沉積結構稱為疊層石（stromatolites）。疊層石是由藍綠菌等微生物群落（特別是其分泌的黏液）黏結、沉澱和固結沉積物而形成的層狀結構。微生物在表面生長，並捕捉沉積物，隨著時間推移，形成層層疊疊的圓頂狀或層狀構造。

核心觀念：此題考查板塊構造學，關於大洋盆地的形成、發展和消亡的完整週期。

詳解：
威爾遜循環 (Wilson Cycle) 是描述一個大洋盆地從形成、發展到最終消亡的完整地質週期。這個概念是以加拿大地球物理學家 J. Tuzo Wilson 的名字命名的。一個典型的威爾遜循環包含以下幾個主要階段：

1. 裂谷階段 (Rifting Stage / Continental Rifting):

   • 過程： 超級大陸（如盤古大陸）在內部受到張力作用，地殼開始變薄、斷裂，形成裂谷系（rift valley）。
   • 特徵： 地震活動頻繁，地表下陷，可能伴隨玄武岩漿的噴發。
   • 結果： 裂谷逐漸加深，並可能發展成狹窄的海洋盆地。

2. 擴張階段 (Spreading Stage / Oceanic Basin Formation):

   • 過程： 隨著張力持續，裂谷進一步擴張，海底擴張（seafloor spreading）開始。新的洋殼在地幔上湧處生成，並向兩側移動。
   • 特徵： 洋中脊（mid-ocean ridge）形成，形成新生洋殼，海洋盆地不斷擴大。
   • 結果： 形成寬廣的大洋盆地，兩側的大陸塊逐漸分離。

核心觀念：此題考查演化生物學與系統發生學，關於生物分類與親緣關係的理解。

詳解：
這個問題的關鍵在於理解「系統發生學」 (phylogenetics) 所表達的演化關係，以及「親緣關係」是如何透過共同祖先來定義的。簡單來說，我們與蛇的親緣關係比蛇與鯊魚的親緣關係更近，是因為我們與蛇共享一個更近期的共同祖先，而蛇與鯊魚共享的共同祖先則更為古老。

讓我們從系統發生樹的角度來理解：

1. 人類與蛇 (Human & Snake):

   • 人類屬於哺乳綱 (Mammalia)。
   • 蛇屬於爬行綱 (Reptilia)。
   • 哺乳綱和爬行綱都屬於羊膜動物 (Amniota) 這個大類群。羊膜動物的一個重要特徵是演化出了羊膜卵（在陸地上發育的卵），這使得牠們能夠擺脫對水的依賴，廣泛適應陸地生活。
   • 因此，人類和蛇都從一個共同的羊膜動物祖先演化而來。這個共同祖先相對較晚出現。

2. 蛇與鯊魚 (Snake & Shark):

   • 蛇屬於爬行綱 (Reptilia)。
   • 鯊魚屬於軟骨魚綱 (Chondrichthyes)。

核心觀念：此題考查古生物學，關於寒武紀生命大爆發的關鍵特徵。

詳解：
寒武紀生命大爆發 (Cambrian Explosion) 是指在大約 5.41 億年前開始的，一段相對較短的地質時期內，地球上出現了大量新型、複雜的動物門類，生物多樣性急劇增加的現象。其主要特徵包括：

1. 多樣化動物門類的突然出現 (Sudden appearance of diverse animal phyla): 在寒武紀早期，大多數現存動物的門（phyla）都突然在地層中出現，這是前所未有的。例如，節肢動物（arthropods）、軟體動物（mollusks）、脊索動物（chordates）等主要類群的早期代表都在這個時期出現。

核心觀念：此題考查古生物學與演化生物學，關於中生代海洋生態系統的演變。

詳解：
「中生代海洋革命」(Mesozoic Marine Revolution) 是指在中生代（約 2.52 億至 6600 萬年前），海洋生態系統發生的一系列重大演變，其中一個關鍵部分是掠食性海洋脊椎動物的演化，特別是能夠壓碎貝殼的種類。這些掠食者（如某些魚類、爬行動物）的出現，對原有的無脊椎動物群落，特別是那些擁有硬殼的生物，造成了巨大的捕食壓力。

無脊椎動物群落為應對這種增加的捕食壓力，演化出了多種適應策略：

1. 增強防禦性結構 (Enhanced defensive structures):

   • 加厚或強化外殼 (Thicker or stronger shells): 許多無脊椎動物（如雙殼類、腹足類、腕足類）演化出更厚、更堅固、更複雜的外殼，以抵抗壓碎。例如，某些貝類的殼變得更厚實，或者演化出更複雜的螺旋結構。
   • 演化出棘刺或脊 (Development of spines or ridges): 為了增加殼的強度或讓掠食者難以抓握，許多生物演化出尖銳的棘刺、肋紋或突起。
   • 改變殼的形態 (Alteration of shell morphology): 某些生物可能演化出更扁平、更流線型，或更難以被咬開的殼的形狀。

2. 改變生活方式與棲息地 (Changes in lifestyle and habitat):

核心觀念：此題考查地球科學與古生物學，關於導致地球生命大規模滅絕的幾種主要原因。

詳解：
地球歷史上曾發生過數次大規模的生物滅絕事件（Mass Extinctions）。以下列舉三種被廣泛認為是導致這些滅絕事件的主要原因：

1. 大規模火山活動 (Massive Volcanic Activity):

   • 機制： 超級火山爆發（如地盾火山活動）在短時間內釋放出巨量的火山灰、二氧化碳 ($CO_2$)、二氧化硫 ($SO_2$) 等氣體到大氣中。
   • 影響：
     • 氣候劇變： 大量的 $CO_2$ 導致嚴重的溫室效應，引起全球氣溫急劇升高。同時，火山灰和氣溶膠會遮蔽陽光，導致短期降溫（火山冬天）。
     • 海洋酸化： 大氣中 $CO_2$ 溶解於海水，導致海水 pH 值下降，海洋酸化，對依賴碳酸鈣構建外殼或骨骼的海洋生物（如珊瑚、貝類、浮游生物）造成毀滅性打擊。
     • 缺氧： 大規模的火山活動可能導致海洋缺氧（anoxia），尤其是在深海區域。
   • 例子： 二疊紀末期（P-T event）的大滅絕，與西伯利亞暗色岩（Siberian Traps）的大規模火山活動密切相關。

2. 小行星或彗星撞擊 (Asteroid or Comet Impact):

   • 機制： 大型小行星或彗星撞擊地球，瞬間釋放出巨大的能量。
   • 影響：
     • 直接破壞： 撞擊點及其周圍區域的生物立即被毀滅。

核心觀念：此題考查地球科學與古氣候學，關於影響地球氣候長期變化的米蘭科維奇循環 (Milankovitch Cycles)。

詳解：
影響地球氣候在數萬年至百萬年時間尺度上變化的三個主要軌道參數，通常被統稱為米蘭科維奇循環 (Milankovitch Cycles)。這些參數決定了地球接收到的太陽輻射在不同緯度、不同季節的分布，從而影響全球氣候。

1. 地球軌道偏心率 (Eccentricity of Earth's Orbit):

   • 描述： 地球繞太陽運行的軌道並非完美的圓形，而是橢圓形。軌道偏心率是指這個橢圓的扁平程度。地球軌道的偏心率會週期性地變化，主要週期為約 10 萬年和約 40 萬年。
   • 影響： 軌道偏心率影響地球與太陽之間的距離變化。當偏心率較大時，地球與太陽之間的距離變化幅度更大，導致地球接收到的太陽輻射總量變化也更大。這對長期氣候模式，如冰期-間冰期循環，有重要影響。

2. 地球自轉軸傾角 (Obliquity / Axial Tilt):

   • 描述： 地球自轉軸相對於其軌道平面（黃道面）的傾斜角度。目前這個角度約為 23.5 度。這個傾角也會週期性變化，主要週期約為 4.1 萬年。
   • 影響： 軸傾角決定了地球上不同緯度地區一年中接收太陽輻射的季節性差異。傾角越大，季節差異越明顯（夏季更熱，冬季更冷）；

核心觀念：此題考查古植物學與演化生物學，關於植物從水生環境演化到陸地環境所需的關鍵適應。

詳解：
植物從水生環境遷移到陸地環境，面臨著諸多嚴峻的挑戰，例如缺乏水分、重力支撐、二氧化碳獲取方式的改變、以及需要防止紫外線輻射等。為了克服這些挑戰，第一批能夠成功登上陸地的植物（如早期的苔蘚類植物）演化出了以下幾種必要的適應：

1. 發展出防止水分散失的結構 (Development of structures to prevent water loss):

   • 角質層 (Cuticle): 在植物體表面，特別是葉片和莖的表皮細胞外，形成一層蠟質的角質層。這層防水層能有效減少植物體內水分的蒸發散失，幫助植物在乾燥的陸地環境中維持水分。
   • 氣孔 (Stomata): 雖然角質層能減少水分散失，但植物仍需要與外界交換氣體（如吸收二氧化碳進行光合作用，釋放氧氣）。植物演化出了氣孔，這是一種由保衛細胞控制開關的微小孔隙，用於氣體交換，同時也能在需要時關閉以減少水分蒸散。

2. 發展出支撐結構和運輸系統 (Development of structural support and transport systems):

   • 細胞壁增厚 (Thickened cell walls): 植物細胞壁中的木質素 (lignin) 和纖維素 (cellulose) 提供了結構支撐，幫助植物抵抗重力，直立生長，尤其是在空氣中，不像在水中那樣有浮力支持。

核心觀念：此題考查板塊構造學，關於主要造山運動與相關板塊的知識。

詳解：
山脈的形成通常是板塊碰撞的結果。以下是三個著名山脈形成的主要構造板塊：

1. 阿爾卑斯山脈 (The Alps):

   • 形成過程： 阿爾卑斯山脈是位於歐洲南部，由非洲板塊（或更準確地說是其分支，如Adria microplate）與歐亞板塊（Eurasian Plate）之間長期碰撞擠壓形成的。大約在約 1 億年前開始，非洲板塊向北移動，驅動了特提斯洋（Tethys Ocean）的關閉。隨著特提斯洋的消失，非洲板塊和歐亞板塊發生了劇烈的碰撞，導致地殼褶皺、斷裂和隆升，形成了阿爾卑斯山脈。
   • 主要板塊： 歐亞板塊 (Eurasian Plate) 和 非洲板塊 (African Plate)（或其微陸塊 Adria）。

2. 喜馬拉雅山脈 (The Himalayas):

   • 形成過程： 喜馬拉雅山脈是地球上最年輕、最高的造山帶，由印度板塊 (Indian Plate) 與歐亞板塊 (Eurasian Plate) 發生劇烈碰撞而形成。大約在 5000 萬至 4000 萬年前，從岡瓦納大陸分離出來的印度板塊，以極快的速度向北漂移，最終與歐亞板塊相撞。