115 年 國立臺灣大學地質科學系及海洋研究所聯合招生《地球物質》

1. diamagnetic：抗磁性。物質在磁場中會產生一與外加磁場方向相反的感應磁場，導致物質被磁場排斥的現象。
2. refractive index：折射率。光從一種介質進入另一種介質時，其傳播方向發生改變的程度，由兩種介質的介電常數和磁導率決定。
3. secondary twin：次生雙晶。在岩石形成後，由於應力、溫度變化或化學反應等因素，導致晶體內部發生滑移或重排而形成的雙晶。
4. stishovite：斯石英。二氧化矽（SiO₂）的一種極高壓多形體，晶體結構為四方晶系，具有六配位的矽原子。
5. crystal habit：晶形。晶體在生長過程中，由於外部環境條件（如溫度、壓力、溶液成分等）的差異，導致其整體外觀形態呈現特定的規則性。
6. aphanitic：隱晶質。

此題為一相圖判讀題，主要在於理解相圖中各區域代表的平衡物相，以及在特定溫度和成分下，如何利用槓桿定律計算各相的重量百分比。

(1) 岩漿降溫至 1300℃ (A 點) 時

• 並存相： 根據圖示，在 1300℃ 時，點 A 位於 Liquid (L) 和 Kalsilite (Lct) 的兩相區，且靠近 Lct 相。因此，並存的相是 Liquid (L) 和 Kalsilite (Lct)。
• 各相化學成分：
  • Kalsilite (Lct) 的成分是圖中 Lct 相區的頂點，其 SiO₂ 重量百分比約為 43.2 wt.%。由於此相圖是以 KAISiO₄ 和 SiO₂ 為兩軸，Kalsilite 的化學式為 KAlSiO₄。
  • Liquid (L) 的成分由 A 點在相圖上與 Lct 相區邊界線的交點決定。A 點位於 1300℃ 等溫線上，與 Lct 相區的邊界交於約 27.5 wt.% SiO₂ 的成分。因此，Liquid 的成分約為 27.5 wt.% SiO₂。
• 各相重量百分比： 利用槓桿定律，以 A 點為支點，槓桿臂為 A 點到 Lct 相邊界（約 43.2% SiO₂）和 A 點到 L 相邊界（約 27.5% SiO₂）的距離。然而，題目給的岩漿起始成分是 50% SiO₂，降溫路徑也是從 50% SiO₂ 開始，所以 A 點的確切 SiO₂ 含量需要從起始點 50% 沿著虛線降溫到 1300℃ 來判斷。從圖上看，A 點約在 1300℃ 等溫線上，且其 SiO₂ 含量約為 40 wt.% 左右。
  假設 A 點的 SiO₂ 含量為 $X_{A}$，則：
  $Wt.\% Lct = \frac{X_{A} - X_{L}}{X_{Lct} - X_{L}} \times 100\%$
  $Wt.\% L = \frac{X_{Lct} - X_{A}}{X_{Lct} - X_{L}} \times 100\%$
  若我們假設 A 點的 SiO₂ 含量為 40 wt.% (根據圖上 A 點的垂直位置)，Lct 的 SiO₂ 為 43.2 wt.%，Liquid 的 SiO₂ 為 27.5 wt.%，則：
  $Wt.\% Lct = \frac{40 - 27.5}{43.2 - 27.5} \times 100\% = \frac{12.5}{15.7} \times 100\% \approx 79.6\%$
  $Wt.\% L = \frac{43.2 - 40}{43.2 - 27.5} \times 100\% = \frac{3.2}{15.7} \times 100\% \approx 20.4\%$
  然而，更精確的做法是從起始點 50% SiO₂ 沿著虛線降溫。虛線經過 A 點時，A 點的 SiO₂ 含量約為 40 wt.%。
  所以，並存相為 Liquid (L) 和 Kalsilite (Lct)。
  Lct 的化學成分約為 43.2 wt.% SiO₂。
  Liquid 的化學成分約為 27.5 wt.% SiO₂。
  計算重量百分比：
  $Wt.\% Lct = \frac{40 - 27.5}{43.2 - 27.5} \times 100\% = \frac{12.5}{15.7} \times 100\% \approx 79.6\%$
  $Wt.\% L = \frac{43.2 - 40}{43.2 - 27.5} \times 100\% = \frac{3.2}{15.7} \times 100\% \approx 20.4\%$

此題考查兩種常見的岩石組構：斑狀變晶和斑晶。

(1) Porphyroblast (斑狀變晶)

• 特徵： 斑狀變晶是指在變質岩中，出現比基質（groundmass）礦物顆粒大許多的、自形至半自形的較大晶體。這些大晶體通常是在變質過程中，由較小的原始顆粒重結晶或透過化學反應而長大形成的。
• 成因/地質意涵： 斑狀變晶的形成表明該岩石經歷了變質作用。其形成與變質作用的條件（如溫度、壓力、流體活動）及時間有關。通常，在較低的應變率和充足的化學反應時間下，較小的礦物顆粒有機會重新分配原子，形成較大的、能量較低的晶體。斑狀變晶的種類（如石榴石、夕線石、藍晶石等）及其與基質礦物的共生關係，可以提供變質反應的線索，進而推斷變質條件（如變質帶）。例如，變質帶越高，越容易形成較大的斑狀變晶。

隱沒帶岩漿弧的岩漿主要由地殼減壓熔融作用和來自俯衝板塊的地幔楔加水熔融作用所引起。

• 地幔楔加水熔融 (Flux Melting of Mantle Wedge)：

  1. 水的來源： 當海洋岩石圈板塊俯衝進入地幔時，其上覆的沉積物和角閃石等含水礦物會釋放出水。
  2. 降低固相線： 這些釋放出來的水進入俯衝板塊上方的地幔楔（mantle wedge）。水是一種強烈的熔劑，能顯著降低地幔岩石的固相線溫度。
  3. 熔融起始： 當溫度達到新的、較低的固相線時，地幔楔的橄欖岩開始熔融，形成富含水的玄武質或安山質岩漿。
  4. 岩漿成分： 這種加水熔融作用是形成弧形火山岩（如安山岩、玄武岩）的主要機制。

• 減壓熔融 (Decompression Melting)：

  1. 地幔楔的運動： 在某些隱沒帶環境下，俯衝板塊的運動會導致地幔楔的物質發生上涌。
  2. 壓力降低： 當地幔物質上涌時，其所承受的壓力會降低。

河流搬運碎屑顆粒的方式主要取決於顆粒的大小、密度、形狀以及河流的流速和流量。主要有以下幾種方式：

1. 懸浮搬運 (Suspension)：

   • 機制： 體積小、密度輕的顆粒，如細砂、粉砂和黏土，會被水流捲起並懸浮在水中，隨著水流一起移動。這些顆粒不會頻繁地與河床接觸。
   • 條件： 需要較高的水流速度和足夠的水體深度。
   • 例子： 河水渾濁時，水中懸浮的細小沉積物。

2. 躍移搬運 (Saltation)：

   • 機制： 較大的顆粒，如粗砂和礫石，會被水流捲起，但由於重力作用，它們會在河床上跳躍式地移動。顆粒在躍起後會落回河床，撞擊其他顆粒，並再次被捲起。
   • 條件： 需要較高的水流速度，足以克服顆粒的重力。
   • 例子： 在快速流動的河水中，較大的卵石或礫石會被看到在河床上跳動。

變質作用是岩石在固態下，由於溫度、壓力、流體活動等因素的改變，而發生化學成分和礦物組成的重結晶或轉變的過程。溫度和壓力是影響變質作用最重要的兩個因素。

(1) 溫度對變質作用的影響

• 影響礦物穩定性： 溫度是決定礦物穩定性的關鍵因素之一。隨著溫度的升高，礦物會傾向於轉變為在更高溫度下更穩定的相。例如，在低溫變質帶，黏土礦物可能轉變為綠泥石和白雲母；在中溫變質帶，綠泥石和白雲母可能進一步反應形成石榴石、黑雲母等；在高溫變質帶，則可能形成斜長石、角閃石、輝石等。
• 促進化學反應和重結晶： 較高的溫度提供了反應所需的活化能，促進了礦物間的化學反應和重結晶。這導致礦物顆粒的增大，形成較大的斑狀變晶，或促使岩石發生更顯著的成分轉變。
• 改變礦物結構： 某些礦物在不同溫度下會存在不同的多形體（polymorphs）。例如，SiO₂ 在不同溫度下有石英、鱗石英（tridymite）和方石英（cristobalite）等不同形態。
• 形成特定變質岩： 溫度是劃分變質帶（如綠岩帶、角岩帶）的主要依據。例如，角岩帶的形成需要高溫。

(2) 壓力對變質作用的影響

• 影響礦物穩定性： 壓力是決定礦物穩定性的另一個關鍵因素，特別是壓力梯度。

此題為礦物資料閱讀題，需仔細閱讀並從提供的礦物手冊資料中提取資訊。

(1) Biotite 的中文名稱是什麼?其化學式為何?

• 中文名稱： 從礦物手冊的資料中，Biotite 的中文名稱為「黑雲母」。
• 化學式： 礦物手冊開頭即給出化學式為 $K(Mg, Fe^{2+})_3(Al, Fe^{3+})Si_3O_{10}(OH, F)_2$。
  【答案】中文名稱：黑雲母。化學式：$K(Mg, Fe^{2+})_3(Al, Fe^{3+})Si_3O_{10}(OH, F)_2$。

(2) Biotite 的屬於哪一個晶系?常見晶形外觀有哪些?

• 晶系： 在 "Crystal Data" 部分，標示為 "Monoclinic"。
• 常見晶形外觀： 在 "Crystal Data" 部分提到 "Uncommon in good crystals, tabular or short prismatic, with pseudohexagonal outline, to 3 m. Typically irregular foliated or bent masses; in scaly aggregates or disseminated grains."。
  【答案】晶系：單斜晶系 (Monoclinic)。常見晶形外觀：不常見好的晶體，呈板狀或短柱狀，具有假六方輪廓；典型為不規則的葉狀或彎曲塊狀；鱗狀集合體或分散的顆粒。

(3) Biotite 屬於哪個點群?哪個空間群?

• 點群： 在 "Crystal Data" 部分，標示為 "Point Group: 2/m"。
• 空間群： 在 "Cell Data" 部分，標示為 "Space Group: C2/m"。
  【答案】點群：2/m。空間群：C2/m。

(4) Biotite 的比重是多少?硬度是多少?

• 比重： 在 "Physical Properties" 部分，"D (meas.) = 2.7-3.3"，"D (calc.) = 3.25"。題目要求的是比重，通常指測量值。
• 硬度： 在 "Physical Properties" 部分，"Hardness = 2.5-3"。
  【答案】比重：2.7-3.3。硬度：2.5-3。

(5) Biotite 有哪一個方向的解理?

• 解理方向： 在 "Physical Properties" 部分，"Cleavage: {001}, perfect"。
  【答案】{001} 方向，且為完全解理。

(6) Biotite 有哪些良好晶體的產地?請列兩處。

• 產地： 在 "Distribution" 部分列出了許多產地，選擇其中兩個即可。例如：
  • Italy, at Vesuvius and Monte Somma, Campania.
  • USA, from Franklin and Sterling Hill, Ogdensburg, Sussex Co., New Jersey.
    【答案】例如：義大利的 Vesuvius 和 Monte Somma；美國新澤西州 Franklin 和 Sterling Hill。