108 年 國立中正大學地球與環境科學系地震研究所《地球科學》

核心觀念

本題考查地球內部的分層，以及如何由地表觀測推知深部構造。地球內部無法直接全面取樣，主要依靠地震波、重力與地磁等間接證據，再結合少量鑽探、火山岩與隕石資料推論。

地球可依化學成分分為地殼、地函與地核；依物質力學性質則可分為岩石圈、軟流圈、中間圈、外核與內核。這兩種分法的分類依據不同，應分開作答。

解題方法

原卷第一題只要求圖示地球內部構造並說明探測方法與原理，未附地球內部剖面圖或數據。因此作答時先畫出由地表至地心的主要分層，再用地震波速度與傳播路徑說明主要界面，最後補充其他獨立的地球物理證據。

地表
│ 地殼：海洋地殼較薄，大陸地殼較厚
│ 莫霍面（地殼／地函界面；深度約 5–70 km）
│ 上部地函：岩石圈下方為軟流圈
│ 下部地函
│ 古騰堡面（地函／外核界面；深度約 2,900 km）
│ 外核：液態，主要為鐵、鎳
│ 萊曼面（外核／內核界面；深度約 5,150 km）
│ 內核：固態，主要為鐵、鎳
地心：約 6,371 km

**依化學成分分層：**地殼以矽酸鹽岩石為主；地函以富含鎂、鐵的矽酸鹽為主；地核主要由鐵、鎳構成。

**依力學性質分層：**岩石圈包含地殼及最上部的堅硬地函；軟流圈具有較高溫、可緩慢塑性流動的性質；其下為較堅硬的中間圈。地核再分為液態外核與固態內核。

探測方法與原理

1. 地震波：主要探測方法
   地震產生的體波會在地球內部傳播。地震波速度與路徑會隨介質密度、彈性及狀態改變；遇到不同介質的界面時，會發生反射、折射或波速改變，因此可由全球地震站記錄的到時與波形推知內部分層。

核心觀念

地球內部的「各層」通常指依化學組成劃分的地殼、地函與地核；地函和地核又可依物理狀態及地震波特性分為不同區域。要回答本題，需分清兩件事：

• 化學組成：岩石或物質主要由哪些元素構成。
• 主要礦物：這些元素在特定壓力、溫度下形成哪些礦物或礦物相。

地球內部不能直接鑽探取樣至深部，科學家是把地表岩石、地震波、重力與地球物理資料、隕石，以及高壓實驗等證據綜合起來推論。USGS 整理的證據也包括地表岩石觀察、地震與重力等地球物理資料、高壓實驗，以及與隕石和其他天體的比較。USGS：地球內部

各層的主要礦物與化學組成

解題方法與推論依據

作答時可先按「地殼—地函—地核」列出組成，再說明這些結論如何由不同證據建立。地震波可辨認內部界面與物質狀態，但不能單獨直接讀出完整化學成分，因此需與岩石、隕石、重力及實驗資料交叉比對。

1. 地震波：推測界面、密度變化與物質狀態

地震產生的 P 波能在固體與液體中傳播，S 波只能在固體中傳播。地震波速度與物質的彈性及密度有關：

核心觀念

本題考查地球磁場的地核發電機作用（geodynamo）：地球磁場主要由外核內導電液體的運動所維持。地核不是一塊永久磁鐵；磁場的持續來源，是液態鐵鎳合金流動時產生的電流，以及電流進一步產生的磁場。

地核分為固態內核與液態外核。外核富含鐵、鎳，具有良好的導電性；地球內部的熱量與內核生長時釋出的輕元素，能驅動外核物質對流。地球自轉造成的科氏力則會整理流動方向，使外核中的流動呈現有組織的型態，有利於維持大尺度磁場。

解題方法

說明地核如何產生磁場，可依「導電流體運動 → 電磁感應 → 電流產生磁場 → 磁場持續再生」的順序作答。

導電流體以速度 $\mathbf{u}$ 穿越磁場 $\mathbf{B}$ 時，會產生電磁感應並形成電流。以簡化的歐姆定律表示：

其中 $\mathbf{J}$ 為電流密度、$\sigma$ 為電導率、$\mathbf{E}$ 為電場。電流本身又會產生磁場，因此外核流動能使原有磁場增強、扭曲並重新分布。

磁場的演變可用磁感應方程式描述：

核心觀念

本題考查地層的相對年代判讀，主要用到三項原則：

• 地層疊置律：未倒轉的地層中，下層較老、上層較新。
• 截切關係：侵入岩切入既有岩層，因此侵入岩比被切入的岩層年輕。
• 不整合面：侵蝕或沉積中斷形成的界面，代表下伏岩層形成後曾經歷暴露、侵蝕，之後才有新地層覆蓋。

解題方法

圖中由下而上可讀到：石灰岩（1）被火成岩體（2）切入；兩者上方有一侵蝕起伏面（3），其上依序覆蓋砂岩（4）、火山泥流層（5）與礫岩（6）。判讀時先用截切關係確定火成岩與石灰岩的先後，再用地層疊置律排列上覆沉積層。

地質事件順序

由老至新，地質事件如下：

核心觀念

地球表面溫度取決於地球吸收的太陽能與向太空放出的能量是否平衡。地球吸收較多能量，或溫室氣體使熱量較難逸散，平均表面溫度便會上升；反之則下降。影響因子可分為外部強迫（如太陽輻射、地球軌道變化、火山與人為排放）及氣候系統內部變率與回饋（如海洋環流、冰雪反照率變化）。

簡化的全球能量平衡可寫為：

其中 $C$ 為氣候系統的有效熱容量，$F$ 為輻射強迫，$\lambda$ 為溫度升高後增加的向外能量散失效應。正的輻射強迫使地球增暖，負的輻射強迫使地球降溫；海洋熱容量大，會延緩溫度對強迫的反應。不同時間尺度上，主導的強迫與回饋不同。IPCC 對古氣候的整理也指出，地球氣候從年代尺度的火山影響，到數萬年至數十萬年的冰期循環，再到千萬年尺度的板塊構造與碳循環，具有不同的主導機制。IPCC AR6 第 2 章

解題方法

依題目列出的時間尺度，由短至長整理每一尺度上反應較快或作用持續較久的因子，並說明其改變能量收支的途徑。作答時要區分「直接改變入射能量或輻射收支的強迫」與「放大、削弱或延遲溫度變化的回饋」，也要注意全球平均溫度與區域溫度的差別。

各時間尺度的影響因子與原理

核心觀念

大陸地殼平均密度低，通常具有較強浮力，所以不容易像海洋地殼一樣整片隱沒。但「不易整片隱沒」不等於「不會流失」：大陸地殼可先被侵蝕、拆離或轉變成較高密度的岩石，再被帶入地函。大陸地殼的淨增減，取決於地殼生成與回收的平衡。

解題方法

依物質離開大陸地殼的路徑分類：

1. 地表物質先被搬運到海溝，再隨板塊隱沒。
2. 聚合板塊邊界直接刮削或拖曳上覆大陸物質。
3. 大陸地殼或其底部岩石失去浮力，向下沉入地函。

這樣分類能分辨「表層搬運至海溝」與「地殼深部直接下沉」等不同機制。

大陸地殼的移除機制

1. 風化侵蝕與沉積物隱沒

山脈及大陸表層岩石經風化、侵蝕後，碎屑被河流或海流搬運至海洋，部分沉積在海溝。沉積物若未被刮積到上覆板塊，就會隨隱沒板塊進入地函；溶解於水中的化學物質也可經海洋循環進入海溝並被帶入地函。

侵蝕本身只是把物質從大陸搬走；只有當這些物質進入隱沒帶並未返回地表時，才構成大陸物質的地球化學回收。

2. 隱沒侵蝕（構造侵蝕）

海洋板塊向大陸板塊之下隱沒時，可刮削上覆板塊前緣的物質，並將其帶入隱沒通道。這種侵蝕可發生在前弧區，也可在隱沒板塊上方的板塊底部進行；被移除的前弧基盤或其他大陸邊緣物質，隨後進入地函。

3. 大陸地殼隱沒

大陸碰撞時，大陸地殼可沿著隱沒帶向下俯衝一段距離。大陸地殼多半不會像典型海洋板塊那樣容易深沉，但其中較鎂鐵質的岩石在高壓下可轉變為密度較高的榴輝岩，增加向下沉降的趨勢。