111 年國立中正大學地球與環境科學系地震研究所《地球科學》考古題與詳解

Question 1

金星、地球與火星距離相近,都有大氣,都是類地行星。金星表面平均溫度為 $477^{\circ}C$, 地球為 $15^{\circ}C$, 火星為 $-47^{\circ}C$。試討論造成金星、地球與火星表面溫度差異的因素(10分)。

Accepted Answer

本題主要考驗學生對行星溫度影響因素的理解，特別是溫室效應、行星距離太陽的遠近、以及大氣組成與密度等關鍵概念。

解題思路：
行星表面溫度主要受以下幾個因素影響：

與太陽的距離：距離太陽越近，接收到的太陽輻射越多，溫度越高；反之亦然。
大氣層的存在與組成：大氣層可以透過溫室效應來保温。溫室氣體（如二氧化碳、水蒸氣）能吸收地球表面輻射出的長波輻射，再重新輻射回地表，使地表溫度升高。大氣的密度和厚度也會影響其保溫能力。
行星的反照率 (Albedo)：指行星表面反射太陽輻射的能力。反照率越高，吸收的太陽輻射越少，溫度越低。
行星的自轉速率與公轉週期：影響晝夜溫差和季節變化。

針對金星、地球、火星的比較：

金星 (Venus)：
- 距離太陽：比地球近，接收的太陽輻射較多。
- 大氣：金星擁有極其濃厚的大氣層，主要成分是二氧化碳 (約 $96.5\%$ )，且大氣密度約為地球的 90 倍。這造成了極強的溫室效應，是其表面溫度遠超地球的主要原因。
- 反照率：金星表面有厚厚的雲層，反射了大部分太陽輻射，反照率較高，但其強烈的溫室效應壓倒了反照率的冷卻效應。
- 結果：雖然接收的太陽輻射比地球多，但其極強的溫室效應使其表面溫度高達 $477^{\circ}C$ 。
地球 (Earth)：
- 距離太陽：位於太陽系的適居帶內，接收適量的太陽輻射。
- 大氣：地球大氣層主要由氮氣 ( $78\%$ ) 和氧氣 ( $21\%$ ) 組成，含有少量溫室氣體（如二氧化碳、水蒸氣）。

Question 2

水是生命的基本物質之一,水對於地球表面的各項營力也扮演重要角色。假若地球損失 $20\%$ 的水,請問會如何影響地球的環境與氣候?為什麼(20分)?

Accepted Answer

本題考驗學生對水在地球系統中角色（生命、氣候、地質營力）的理解，以及當水量顯著減少時可能產生的連鎖效應。

解題思路：
水在地球上扮演的角色非常多元，包括：

生命必需品：所有已知生命形式都依賴水。
氣候調節者：水循環、蒸發散、雲的形成、降水，以及海洋對熱量的儲存和傳遞，都對全球氣候有巨大影響。
地質營力：水的侵蝕、搬運、沉積作用塑造地表；水也是岩石風化、板塊運動（例如俯衝帶的水）的重要因素。
化學作用：水是重要的溶劑，參與許多地球化學循環。

若地球損失 $20\%$ 的水，會對上述各方面產生重大影響。首先需要思考這 $20\%$ 的水可能損失在哪裡，例如海洋、冰川、地下水、湖泊、河流、大氣水氣等。最直接的影響是總水量減少，但更深遠的影響是其在不同儲庫中的重新分配和對相關過程的衝擊。

以下從幾個面向探討影響：

對生命體的影響：
- 直接衝擊：許多淡水資源（湖泊、河流、地下水）將枯竭或大幅減少，導致許多依賴這些水源的陸地生物，包括植物和動物，面臨生存危機、棲地喪失，甚至大規模滅絕。
- 生態系統崩潰：食物鏈和生態系統將因物種減少而失衡，生物多樣性急劇下降。
- 海洋生物：雖然海洋佔地球總水量的大部分，但 $20\%$ 的總水量損失意味著海洋總體積也會減少，鹽度可能上升（因蒸發仍在進行，但總水量減少），對海洋生態系統造成壓力。
對氣候的影響：
- 水循環減弱：蒸發量減少，導致大氣水氣含量下降，雲量減少，降雨頻率和強度降低，可能加劇乾旱。
- 海洋的熱量調節能力下降：海洋吸收和釋放熱量的能力減弱，可能導致全球平均溫度波動性增大，區域性極端溫度事件（高溫和低溫）增加。同時，洋流的能量和模式可能改變，進一步影響區域氣候。
- 陸地表面反照率變化：植被減少、乾旱土地面積增加，可能導致地表反照率改變，進一步影響區域和全球能量平衡。
- 極端天氣事件：雖然總體降雨可能減少，但某些區域因能量和水氣重新分配，仍可能出現更嚴重的乾旱或局部強降雨。
對地質與地貌的影響：
- 侵蝕與搬運作用減弱：河流流量減少，地下水補給不足，將大幅減弱水的侵蝕和搬運能力，地表形態改變速率減慢。
- 風化作用改變：物理風化（如凍融）可能減少，化學風化（依賴水）也可能減弱。
- 地下水系統壓力降低：地下水水位下降，可能導致地面沉降，改變地下水流動方向和速度。

Question 3

試以不同的空間尺度:全球尺度、區域尺度(千公里至數千公里)以及地區尺度(數十公里至百公里)各舉出2個時間尺度大於年的海平面升降因子與其影響(海進或海退)和貢獻度大小(公厘?公分?公尺?)(20分)。

Accepted Answer

本題考驗學生對海平面變動影響因子及其在不同時間和空間尺度上的表現的理解。需要涵蓋全球、區域、地區尺度，並區分時間尺度大於年的因子，同時說明影響（海進/海退）與貢獻度。

解題思路：
海平面變動可以由多種因素引起，這些因素在不同的空間和時間尺度上作用不同。題目要求討論時間尺度大於年的因子，這意味著我們需要考慮長期趨勢，而不是短期的潮汐或季節性變化。

1. 全球尺度 (Global Scale)
主要因子是影響全球總水量和海水溫度的因素。

因子 1：冰川融化 (Melting of Glaciers and Ice Sheets)
- 原理：陸地上冰川和冰蓋（如格陵蘭、南極冰蓋）融化，其水量最終流入海洋，直接增加海洋總水量。
- 影響：海平面上升 (海進)。
- 貢獻度：這是導致現代海平面上升的最主要因素之一。根據 IPCC 報告，21 世紀以來，冰川融化是海平面上升的重要貢獻者。從長期來看（過去幾千年），冰川消融是海平面上升的主要驅動力。例如，過去幾個世紀，冰川融化貢獻了數公分至數十公分的上升。在快速暖化時期，單年融水貢獻可能達毫米級。若要達到公尺級，需要數百年至數千年的持續大量融化。
- 時間尺度：大於年，持續進行中，且在暖化時期加速。
因子 2：海水熱膨脹 (Thermal Expansion of Seawater)
- 原理：海水溫度升高時，體積會膨脹。全球暖化導致海洋吸收大量熱量，海水溫度升高，總體積增加，從而推高海平面。
- 影響：海平面上升 (海進)。
- 貢獻度：與冰川融化並列為現代海平面上升的主要貢獻者。在 20 世紀，熱膨脹貢獻了約一半的海平面上升。近年來，其貢獻比例可能與冰蓋融化相當或略高。平均而言，每升高 $1^{\circ}C$ 的海水溫度，體積膨脹約 $0.02\%$ 。在全球尺度上，這可以導致數毫米至數公分的上升。長期累積可達公尺級。
- 時間尺度：大於年，是長期暖化趨勢的結果。

2. 區域尺度 (Regional Scale) - 千公里至數千公里
除了全球性因素外，區域尺度還會受到地殼均衡調整、區域熱力學變化、以及大型洋流系統的影響。

因子 1：地殼均衡調整 (Isostatic Adjustment)
- 原理：過去冰河時期，厚重的冰蓋加壓在陸地上，造成地殼下沉；冰蓋融化後，地殼因失去負載而緩慢回彈 (Isostatic Rebound)。這種調整在地殼上會引起區域性的陸地垂直運動，進而影響相對海平面。例如，在過去冰蓋中心區域，陸地仍在回彈上升，導致相對海平面下降 (海退)；而在冰蓋邊緣，則可能因擠壓而相對下沉，導致相對海平面上升 (海進)。
- 影響：相對海平面上升 (海進) 或下降 (海退)，取決於區域位置。
- 貢獻度：在曾經有厚重冰蓋覆蓋的區域（如北歐、加拿大），地殼回彈速度約為每年 $1$ 到 $10$ 公釐 (mm/yr)，這會導致這些區域的相對海平面每年下降數公釐。這是一個長期過程，可達數千年。
- 時間尺度：大於年，是冰河期後遺的緩慢調整。
因子 2：區域性海水溫度變化與洋流改變 (Regional Sea Surface Temperature Changes and Ocean Current Variations)
- 原理：區域性的海水溫度變化（可能由氣候變遷、溫鹽環流的區域性波動等引起）會導致區域性的海水熱膨脹或收縮。大型洋流（如灣流）攜帶熱量，其強度的變化會影響沿途區域的海平面。例如，某些區域海水溫度升高，導致該區域海平面上升。
- 影響：區域性海平面上升 (海進) 或下降 (海退)。
- 貢獻度：區域性變化幅度較全球平均值大，可能導致一年內數公分至數十公分的變化，長期累積則可達數十公分。
- 時間尺度：大於年，與氣候變遷的區域表現和洋流的長期波動有關。

3. 地區尺度 (Local Scale) - 數十公里至百公里
地區尺度上海平面變動受到更局部的因素影響，包括地殼的垂直運動、沉積物壓實、以及局部水文地質條件。

因子 1：地殼沉降 (Subsidence due to sediment compaction and groundwater/hydrocarbon extraction)
- 原理：在河流三角洲、沿海低窪地區，厚厚的沉積物受到自身重量或抽取地下水、石油、天然氣等資源的影響，會發生壓實或孔隙壓力降低，導致地表沉降。
- 影響：相對海平面上升 (海進)。

Question 4

請列舉2種自然界將大氣中二氧化碳的碳固定在固相中的固碳方式(carbon sink)並解釋原理(10分)。

Accepted Answer

本題考驗學生對地球碳循環中，二氧化碳如何從大氣進入地殼（固相）的理解，特別是生物地球化學過程。

解題思路：
固碳 (Carbon Sequestration) 是指將大氣中的二氧化碳（氣態）轉化並儲存在其他物質（固態或液態）中的過程。題目要求的是「固相」的固碳方式，這意味著碳需要被固定在岩石、土壤、生物體等固體介質中。自然界主要有兩種主要的固碳途徑：生物固碳和地質固碳。

1. 生物固碳 (Biological Carbon Sequestration)
這是指利用生物體透過光合作用將大氣中的二氧化碳固定下來的過程。

原理：
植物、藻類和某些細菌利用光合作用，吸收大氣中的二氧化碳，並在光能的驅動下，將其轉化為有機物（如葡萄糖），同時釋放氧氣。
- 化學反應式簡化為： $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{光能} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$
  這些有機物構成了生物體的質量，碳就被儲存在生物體內。當這些生物體死亡後，其有機物會分解，一部分碳會釋放到土壤或水體中，形成有機質，一部分則可能被埋藏。
固相儲存：
- 生物體本身：植物的樹幹、葉片、根系，以及海洋中的浮游植物、藻類等，都儲存著大量的碳。
- 土壤有機質：生物死亡後，其有機物分解形成的腐殖質，會長期儲存在土壤中，是重要的碳庫。
- 海洋沉積物：海洋生物死亡後，其碳酸鈣骨骼（如貝殼、珊瑚）或有機物沉降到海底，經過長時間的壓實和變質，可能形成碳酸鹽岩（如石灰岩）或有機質沉積岩。
解釋：
光合作用是生物固碳的核心。植物透過葉片上的氣孔吸收 $CO_2$ ，利用太陽能將其與水反應，合成碳水化合物（如葡萄糖），釋放氧氣。碳就以有機物的形式儲存在植物體內。當植物死亡，這些有機碳會進入土壤，形成土壤有機質，或經過數百萬年的地質作用，形成化石燃料（煤、石油、天然氣）或碳酸鹽岩。海洋中的浮游植物和藻類進行光合作用，其遺骸和排泄物沉降，也將碳帶入海洋深層和沉積物中。

2. 地質固碳 (Geological Carbon Sequestration)
這主要指透過化學反應，將二氧化碳固定在岩石中的過程，尤其是碳酸鹽化作用。

原理：
二氧化碳溶解在水中形成碳酸 ( $H_2CO_3$ $H_{2} C O_{3}$ )。碳酸與某些岩石中的礦物質（特別是矽酸鹽礦物，如矽酸鈣 $CaSiO_3$ $C a S i O_{3}$ 或矽酸鎂 $Mg_2SiO_4$ $M g_{2} S i O_{4}$ ）發生化學反應，生成穩定的碳酸鹽礦物（如碳酸鈣 $CaCO_3$ $C a C O_{3}$ 或碳酸鎂 $MgCO_3$ $M g C O_{3}$ ）和二氧化矽 ( $SiO_2$ $S i O_{2}$ ) 或其他矽酸鹽。這個過程稱為「風化作用」或「碳酸鹽化作用」(Carbonation)。
- 簡化反應式：
  - $CO_2 + H_2O \rightarrow H_2CO_3$ (二氧化碳溶於水形成碳酸)

Question 5

何謂相對定年、絕對定年?請舉出2種相對定年與絕對定年的方法並解釋原理、應用與限制(20分)。

Accepted Answer

本題考驗學生對地質學中定年方法的理解，包括相對定年和絕對定年的定義、原理、應用及限制。

解題思路：
定年是確定地質事件發生時間、岩石形成時間或化石年代的方法。主要分為兩大類：相對定年和絕對定年。

一、相對定年 (Relative Dating)

定義：相對定年是指確定地質事件、岩層或化石的先後順序，但無法給出具體的年代數值。它告訴我們「哪個在前，哪個在後」，而不是「何時發生」。
原理與應用：
1. 疊覆律 (Principle of Superposition)
  - 原理：在未受擾動的沉積岩層序列中，下方的岩層比上方的岩層形成得更早。
  - 應用：可以依據岩層疊加的順序，判斷沉積作用的先後。
  - 限制：僅適用於未受褶皺、斷層等構造運動嚴重擾動的水平或近水平沉積岩層。
2. 侵入律 (Principle of Intrusions)
  - 原理：任何侵入到其他岩層中的火成岩體（如岩脈、岩株）或斷層，都比它所侵入或錯動的岩層形成得晚。
  - 應用：判斷火成岩侵入事件或斷層活動的時間，相對於被侵入或錯動的岩層。
  - 限制：需要明確識別出侵入體或斷層，並確定它與周圍岩層的接觸關係。
3. 橫切律 (Principle of Cross-cutting Relationships)
  - 原理：任何切割岩層的構造（如斷層、侵入岩）都比被切割的岩層年輕。
  - 應用：與侵入律類似，用於確定斷層、侵入岩、侵蝕面等事件的相對年代。
  - 限制：需要清晰的接觸關係。
4. 生物地層學 (Biostratigraphy)
  - 原理：利用化石在沉積岩層中的出現和演替規律來確定岩層的相對年代。某些生物（指標化石）在特定時期大量出現且分佈廣泛，它們的出現和消失標誌著特定的地質時期。
  - 應用：廣泛用於對比不同地區、不同岩層的年代，建立區域乃至全球的地層對比。
  - 限制：需要有保存完好的化石，且該化石具有良好的指標性（演化快、分佈廣、存在時間短）。
題目要求舉出兩種，可選疊覆律和生物地層學。
限制：
- 無法提供精確的年代數字。
- 對於經歷過複雜構造變動（如強烈褶皺、倒轉、多期斷層）的地區，應用相對定年法會變得非常困難。
- 無法確定沉積或事件之間的時間間隔。

二、絕對定年 (Absolute Dating)

定義：絕對定年是指給出地質樣本（如岩石、礦物、化石）的具體年代數值（通常以年為單位）。
原理與應用：
絕對定年主要依賴放射性同位素衰變的等時性。放射性同位素母元素會以恆定的速率衰變成子元素。透過測量樣本中母元素和子元素的比例，並知道其半衰期，就可以計算出樣本的形成年齡。
1. 鉀-氬定年法 (Potassium-Argon Dating, K-Ar Dating)
  - 原理：鉀 ( $^{40}K$ ) 是一種放射性同位素，會衰變成氬 ( $^{40}Ar$ ) 和鈣 ( $^{40}Ca$ )。其半衰期約為 $12.5$ 億年。當岩漿冷卻結晶時，氬氣會被困在礦物晶格中。之後，隨著時間推移， $^{40}K$ 不斷衰變成 $^{40}Ar$ ，樣本中 $^{40}Ar$ 的含量就與樣本的年齡成正比。
  - 應用：主要用於定年火成岩（如火山岩、花崗岩）和變質岩，特別適合定年較老的岩石（幾百萬年至數十億年）。常用於定年火山灰層，以支持生物地層學的研究。
  - 限制：
    - 適用範圍：主要適用於含有鉀的礦物，如長石、雲母、角閃石等。
    - argon 損失或加入：如果岩石經歷過高溫（如變質作用），困住的氬氣可能會逸失（「歸零」），導致年輕的讀數。若有外部氬氣污染，則讀數會偏老。
    - 半衰期較長，對於定年非常年輕的樣本（數千年以下）不夠精確。
2. 碳-14 定年法 (Carbon-14 Dating, $^{14}C$ Dating)

Question 6

請解釋並圖示 Wilson Cycle 並舉出各階段相對應於目前地球的代表位置(20分)。

Accepted Answer

本題考驗學生對 Wilson Cycle 的理解，包括其階段劃分、過程機理，以及如何在當代地球上找到對應的地理位置。

解題思路：
Wilson Cycle（威爾遜旋迴）是板塊構造理論中描述大洋盆地從形成、擴張、關閉到陸塊碰撞的地質週期。它解釋了地球上大洋的誕生、發展與消亡的過程。

Wilson Cycle 的階段劃分與解釋：

一個完整的 Wilson Cycle 大致可分為七個階段：

穩定陸塊 (Stable Continent)：
- 解釋：在一個相對穩定的陸塊內部，地殼沒有顯著的張裂或聚合。此階段為旋迴的起始或間歇期。
- 代表位置：地球上廣闊的穩定陸塊內部，如北美克拉通 (North American Craton) 的部分區域。
初期裂谷 (Initial Rifting)：
- 解釋：陸塊內部受地幔柱抬升或板塊運動影響，開始出現張力，形成裂谷。地殼變薄、斷裂，可能伴隨火山活動。
- 代表位置：東非大裂谷 (East African Rift Valley) 是目前最典型的例子。這裡地殼正在張裂，形成了連續的裂谷系統，其中一些區域已開始出現狹窄的海峽（如紅海）。
裂谷海 (Narrow Sea / Young Ocean Basin)：
- 解釋：裂谷進一步擴張，海水開始進入，形成狹窄的裂谷海或初始的海盆。海底擴張開始，形成新的大洋地殼。
- 代表位置：紅海 (Red Sea)。紅海位於非洲板塊與阿拉伯板塊之間，是正在形成的年輕大洋，海底擴張明顯，兩岸地殼正在分離。
成熟大洋 (Mature Ocean Basin)：
- 解釋：海底擴張持續進行，大洋盆地不斷擴大，形成寬闊的大洋。中央有活躍的大洋中脊 (Mid-Ocean Ridge)。兩側的陸殼邊緣為消減邊緣 (Passive Margin)。
- 代表位置：大西洋 (Atlantic Ocean)。大西洋是典型的成熟大洋，中央有大西洋中脊，兩岸為穩定的大陸邊緣。
大洋關閉 (Ocean Closure)：
- 解釋：由於板塊運動，大洋兩側的陸塊開始向內聚合。一側或兩側的洋殼開始向大陸板塊下方俯衝，形成隱沒帶 (Subduction Zone)，大洋盆地開始變窄。
- 代表位置：地中海 (Mediterranean Sea)。地中海地區正在經歷大洋（特提斯洋的殘餘）的關閉過程，非洲板塊向歐亞板塊俯衝，形成了環繞地中海的陸緣弧和火山活動。
大陸碰撞 (Continental Collision)：
- 解釋：當兩個大陸板塊碰撞時，由於大陸地殼密度較低，無法被有效俯衝，導致劇烈的擠壓、褶皺、斷裂和造山運動。殘餘的大洋地殼被擠壓、變形，最終形成巨大的山脈。
- 代表位置：喜馬拉雅山脈 (Himalayan Mountains)。這是印度板塊與歐亞板塊碰撞的結果，形成了世界上最高大的山脈，是大陸碰撞的典型代表。
新穩定陸塊/褶皺山帶 (New Stable Continent / Folded Mountain Belt)：
- 解釋：碰撞後，形成新的、更廣闊的穩定陸塊，或形成一個巨大的褶皺山帶。這可能標誌著一個 Wilson Cycle 的結束，或進入下一個旋迴的準備階段。
- 代表位置：歐亞大陸 (Eurasian Continent) 的大部分地區，以及如阿爾卑斯山脈 (Alps) 等碰撞帶形成的褶皺山帶。

圖示 (Diagram)：
Wilson Cycle 的圖示通常是一個循環圖，標示出從裂谷形成到大陸碰撞的各個階段。可以畫一個圓圈，將圓周分成幾個區域，標示各個階段，並用箭頭表示旋迴方向。例如：

      (1) Stable Continent
           /       \
          /         \
(7) Folded Mtn. Belt --- (2) Initial Rifting
        |                 |
        |                 |
(6) Continental Collision-- (3) Narrow Sea
        \                 /
         \               /
          (5) Ocean Closure ---- (4) Mature Ocean

111 年國立中正大學地球與環境科學系地震研究所《地球科學》

第一題10 分

第二題20 分

第三題20 分

第四題10 分

第五題20 分

第六題20 分

其他考古題

111 年中正大學的其他科目

中正大學《地球科學》其他年度

111 年 國立中正大學地球與環境科學系地震研究所《地球科學》

第 一 題10 分

第 二 題20 分

第 三 題20 分

第 四 題10 分

第 五 題20 分

第 六 題20 分