113 年 國立中正大學地球與環境科學系地震研究所《地球科學》

本題主要考驗野外地質調查中，判斷地層疊覆關係（stratigraphic relationships）的幾種重要地質構造。這些構造是地質學家在野外工作中，透過觀察岩層的空間排列來推斷其形成時間與相對位置的基礎。

判斷地層上下關係的五種主要地質構造及其繪圖說明如下：

1. 疊覆律 (Law of Superposition)：

   • 說明：在未受變質變形的地層中，未擾動的沉積岩層，下部地層比上部地層來得老。這是判斷地層序列最基本且最重要的原則。
   • 繪圖：繪製一組水平堆疊的岩層，標示出下方岩層較老，上方岩層較年輕。

     ▲ (年輕)
     |  岩層 C
     |  岩層 B
     |  岩層 A
     ▼ (老)
     

2. 侵入接觸律 (Law of Inclusions)：

   • 說明：若某岩層（或岩塊）被包含在另一岩層中，則被包含的岩層（或岩塊）比包含它的岩層來得老。例如，沉積岩中若包含有來自下伏基盤的礫石，則基盤較年輕的沉積物為老。
   • 繪圖：繪製一沉積岩層，其中包含有來自下方基盤的角礫或礫石。

     ▲ (年輕)
     |  沉積岩層 (包含礫石)
     |  --------------------
     |  基盤岩層 (礫石來源)
     ▼ (老)
     

3. 侵蝕面律 (Law of Cross-Cutting Relationships)：

   • 說明：任何地質構造（如斷層、岩脈、侵蝕面）若切割其他地質體，則該地質構造比被切割的地質體來得年輕。
   • 繪圖：繪製一組水平岩層，被一條垂直的岩脈穿過。岩脈較岩層年輕。

本題主要考驗學生對斷層分類的理解，特別是根據 Anderson (1951) 的斷層三維分類體系，以及不同斷層類型與應力場的關係。Anderson 的分類是基於地殼運動時，主要應力方向與斷層面的相對關係。

Anderson (1951) 將斷層分為三大基本類型，分別是正斷層 (Normal Fault)、逆斷層 (Reverse Fault，當傾角小於 45° 時稱為低角度逆斷層或衝上斷層 Thrust Fault) 和走向滑移斷層 (Strike-Slip Fault)。每一種類型都與特定的應力狀態相關。

1. 正斷層 (Normal Fault)

   • 說明：正斷層是當主要張力應力 (σ₁) 垂直於水平面，而主要壓縮應力 (σ₃) 水平時所形成的斷層。斷層面通常向一側傾斜，斷層上盤（hanging wall）相對於下盤（footwall）沿斷層面下滑。
   • 立體圖與應力分布：
     • 立體圖：繪製一個斷層面，斷層面傾斜，標示上盤（HW）和下盤（FW）。顯示上盤相對於下盤下滑。
     • 應力分布：主要張力應力 (σ₁) 垂直向下（或向上，依定義），主要壓縮應力 (σ₃) 水平。

        (張力 σ₁) ▼
     --------------------
     |       /          |
     |      /           |
     |     /  HW        |
     |    /             |
     |   /              |
     |  / FW            |
     | /                |
     --------------------
        (壓縮 σ₃)  → ←
     

     （註：此處為簡化示意， σ₁ 為垂直張力， σ₃ 為水平壓縮。更精確地說，正斷層是在 σ₁ 垂直，σ₂ 水平，σ₃ 水平且 σ₃ < σ₂ 的情況下，斷層面與 σ₁ 和 σ₂ 的交線上形成，通常傾向於 σ₃ 方向。）

2. 逆斷層 (Reverse Fault)

   • 說明：逆斷層是當主要壓縮應力 (σ₁) 水平，而主要張力應力 (σ₃) 垂直於水平面時所形成的斷層。斷層面通常向一側傾斜，斷層上盤相對於下盤沿斷層面向上滑移。若斷層傾角小於 45°，則稱為衝上斷層 (Thrust Fault)。
   • 立體圖與應力分布：
     • 立體圖：繪製一個斷層面，斷層面傾斜，標示上盤（HW）和下盤（FW）。顯示上盤相對於下盤上滑。
     • 應力分布：主要壓縮應力 (σ₁) 水平，主要張力應力 (σ₃) 垂直向下（或向上）。

本題主要考驗學生對台灣島複雜地體構造的認識，包括其形成機制、主要構造單元以及重要的地質分區。台灣位於歐亞板塊、菲律賓海板塊和太平洋板塊的交界帶，是世界上地體構造最活躍、地形起伏最大、地質現象最複雜的地區之一。

一、台灣島的地體構造與形成機制

台灣島的形成是板塊碰撞與聚合作用的結果，主要涉及兩個關鍵的板塊邊界過程：

1. 聚合作用 (Accretion)：台灣島的西部地區（如西部麓山帶、西部平原）是歐亞板塊向東俯衝的邊緣，在此過程中，部分來自太平洋的沉積物和地體（如沖繩海槽、琉球弧）被「刮」下來，堆積在歐亞板塊的邊緣，形成聚合的陸緣。
2. 碰撞作用 (Collision)：約在 3-4 百萬年前，隨著菲律賓海板塊向北移動，原本位於歐亞板塊東緣的琉球弧（Ryukyu Arc）與菲律賓海板塊的呂宋弧（Luzon Arc）開始發生碰撞。這種弧-陸碰撞導致了劇烈的地殼隆升、褶皺、斷裂和變質作用，形成了台灣中央山脈等高聳的山脈。

主要作用力：

• 菲律賓海板塊的北向運動：這是驅動台灣造山運動的主要動力。
• 俯衝作用：太平洋板塊向西俯衝於菲律賓海板塊之下（東部海域），菲律賓海板塊向北運動並俯衝於歐亞板塊之下（北部及西部海域）。

形成機制總結：台灣島的形成是一個複雜的「弧-陸碰撞」與「變質增生」過程，夾雜著部分「陸-陸碰撞」的特徵。其構造特徵反映了由西向東逐漸年輕化、活動性增強的趨勢。

二、台灣島的地質構造單元（由西向東）

台灣地質構造可大致劃分為幾個主要的構造單元：

1. 西部麓山帶 (Western Foothills)：

   • 特徵：由年輕的沉積岩（主要是砂岩、頁岩、泥岩）組成，呈一系列北北東走向的緊密褶皺和逆斷層。這裡的岩層傾角較陡，常有倒轉。
   • 形成：為菲律賓海板塊碰撞擠壓，導致歐亞板塊西緣的沉積物發生強烈褶皺與逆衝。

2. 中央山脈帶 (Central Range)：

   • 特徵：台灣島的脊梁，由古老的變質岩（如片岩、片麻岩）和部分火成岩組成。構造複雜，斷層密集，地勢高峻。
   • 形成：是碰撞造山的核心區域，經歷了劇烈的變質作用和隆升。

3. 海岸山脈帶 (Coastal Range)：

   • 特徵：位於台灣東部，由相對年輕的火山岩、沉積岩（如砂岩、礫岩、泥岩）和蛇紋岩組成。構造相對簡單，但仍有褶皺和斷層。

核心觀念

本題為地質學與台灣地質的核心經典整合題，主要考核三個核心觀念：

1. 岩石學分類系統（Petrology Classification）：岩石依據成因（Genesis）、**組織構造（Texture）及礦物/化學組成（Composition）**劃分為三大岩類（火成岩、沉積岩、變質岩）。
2. 台灣地質分區與岩性空間分布：由西向東各構造單元（澎湖群島、西部平原、西部麓山帶、雪山山脈、中央山脈、花東縱谷、海岸山脈、北部及東部離島火山群）的岩石出露特徵。
3. 板塊構造運動與造山歷史（Plate Tectonics & Orogeny）：以菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊之「弧陸碰撞（Arc-Continent Collision）」架構，解釋台灣岩石空間分布的動力學成因（隱沒火山、增生楔與造山帶深部變質作用、前陸盆地沉積作用、張裂構造）。

解題方法

採用「分類定義 $\rightarrow$ 空間分布 $\rightarrow$ 動力成因」三段邏輯鏈進行結構化作答：

1. 先定義分類依據與三大岩類：確立岩石學基礎。
2. 條列歸納三大岩類在台灣各構造區的空間分布：由西向東橫剖面定位。
3. 從板塊動力學機制深度剖析「為什麼」：分項解析碰撞造山、沉積作用、隱沒與張裂火山作用之成因。

詳解推導與完整擬答

一、 岩石的分類依據與三大類別

岩石主要依據**「地質成因機制（Formation Genesis）」為第一層分類標準，並輔以「組織與構造（Texture and Structure）」以及「礦物與化學組成（Mineral and Chemical Composition）」**進行細分，共可分為三大類：

1. 火成岩（Igneous Rocks）：
   • 分類依據：由地函或地殼深部的岩漿（Magma）上升、冷卻、凝固結晶而成。
   • 次級依據：依冷卻環境分為深成岩（Plutonic/Intrusive）與火山岩（Volcanic/Extrusive）；依二氧化矽（$\text{SiO}_2$）含量分為超基性、基性、中性及酸性岩。
2. 沉積岩（Sedimentary Rocks）：
   • 分類依據：地表既有岩石經風化、侵蝕、搬運、沉積，並經歷壓密與膠結等成岩作用（Diagenesis），或由生物遺骸堆積、化學沉澱而成。
   • 次級依據：分為碎屑沉積岩（如礫岩、砂岩、頁岩）、生物化學沉積岩（如石灰岩、煤）及化學沉積岩（如蒸發岩）。
3. 變質岩（Metamorphic Rocks）：
   • 分類依據：既有岩石在固態狀態下，受地底高溫（Temperature）、**高壓（Pressure）及熱液流體（Hydrothermal fluids）**作用，發生物理組織重排與化學礦物重結晶。
   • 次級依據：依組織分為**具葉理（Foliated）變質岩（如板岩、千枚岩、片岩、片麻岩）與無葉理（Non-foliated）**變質岩（如大理岩、石英岩）。

二、 這幾類岩石在台灣的分布情況

台灣受板塊擠壓呈南北狹長走向，三大岩類呈現顯著的「分區帶狀」分布：

1. 變質岩分布：
   • 大南澳變質雜岩（中央山脈東翼）：為台灣最古老的結晶基盤，出露片岩、大理岩、片麻岩及角閃岩。
   • 雪山山脈與中央山脈西翼（脊樑山脈）：廣泛分布古第三紀至中新世的低階變質岩（板岩、千枚岩、硬頁岩、變質砂岩）。
2. 沉積岩分布：
   • 西部麓山帶與平原區：覆蓋新生代晚期（中新世至更新世）巨厚的海相至陸相沉積碎屑岩層。
   • 恆春半島：深海濁流沉積之砂頁岩互層與墾丁混同層。
   • 海岸山脈與東部：覆蓋於火山弧之上的弧前盆地碎屑沉積岩（八里灣層）及板塊縫合帶構造混同層（利吉混同層）。
3. 火成岩分布：

本題主要考驗學生對板塊構造學說的理解，特別是板塊邊界的類型、其與火山活動和地震活動的關聯性。板塊構造是現代地球科學的基石，解釋了地球大部分的地震、火山和造山運動。

一、板塊邊界的類型

根據板塊相對運動的方向，板塊邊界主要可分為三種類型：

1. 離散型邊界 (Divergent Boundary)：

   • 運動：兩個板塊相互分離。
   • 地貌/現象：
     • 洋中脊 (Mid-Ocean Ridge)：在海洋中，岩漿湧出形成新的海底地殼，是主要的離散型邊界。伴隨有淺層地震。
     • 裂谷 (Rift Valley)：在陸地上，板塊分離形成裂谷，可能伴隨火山活動和淺層地震，最終可能發展成新的海洋。
   • 形成新地殼：岩漿從地函上湧，冷卻凝固形成新的岩石圈。

2. 聚合型邊界 (Convergent Boundary)：

   • 運動：兩個板塊相互碰撞。
   • 地貌/現象：根據碰撞板塊的類型，又可細分為三種：
     • 海洋板塊與海洋板塊碰撞 (Ocean-Ocean Convergence)：一個海洋板塊隱沒（Subduction）到另一個之下，形成海溝（Trench）和島弧（Island Arc）。
     • 海洋板塊與陸地板塊碰撞 (Ocean-Continent Convergence)：海洋板塊隱沒到陸地板塊之下，形成海溝、大陸邊緣火山帶（Continental Volcanic Arc）和山脈。
     • 陸地板塊與陸地板塊碰撞 (Continent-Continent Convergence)：兩個陸地板塊碰撞，由於陸殼密度較小不易隱沒，形成巨大的褶皺山脈。
   • 毀滅舊地殼：在隱沒帶，較老的、密度較大的海洋板塊被拉入地函。

3. 轉換型邊界 (Transform Boundary)：

   • 運動：兩個板塊相互平行滑移。
   • 地貌/現象：通常表現為大型的轉換斷層（Transform Fault），如聖安德列斯斷層。
   • 無明顯火山活動：通常沒有大規模的岩漿活動，但有頻繁的淺層地震。

二、火山與地震的分布與板塊邊界的關係

火山和地震的分布極不均勻，絕大多數集中在板塊邊界上。

1. 離散型邊界：
   • 火山：
     • 洋中脊：是全球火山活動最活躍的區域，但多數位於海底，不易觀察。噴發的主要是玄武岩質熔岩，形成枕狀熔岩 (Pillow Lava)。

本題主要考驗學生對地球氣候變遷，特別是冰期循環的成因及其研究方法的理解。地球氣候並非恆定不變，而是存在長期的週期性變化，其中冰期-間冰期的循環是重要的研究課題。

一、冰期發生的週期控制因素

冰期（Glacial Period）和間冰期（Interglacial Period）的週期性變化，主要受地球軌道參數（Milankovitch Cycles）的影響，這些參數的變化會改變地球接收到的太陽輻射量及其空間分布。主要有三個參數：

1. 地球軌道的離心率 (Eccentricity)：

   • 說明：地球繞日軌道的橢圓程度。軌道越橢圓（離心率越大），日地距離的季節性變化越大。
   • 週期：約 10 萬年和 40 萬年。
   • 影響：影響全年接收的總太陽輻射量。

2. 地球自轉軸的傾角 (Obliquity / Axial Tilt)：

   • 說明：地球自轉軸相對於公轉軌道平面的傾斜角度。
   • 週期：約 4.1 萬年。
   • 影響：影響季節的強度。傾角越大，季節差異越大；傾角越小，季節差異越小。

3. 地球自轉軸的進動 (Precession)：

   • 說明：地球自轉軸的指向在空間中的週期性擺動（類似陀螺）。分為兩種：
     • 天文進動 (Axial Precession)：自轉軸指向的擺動，週期約 2.6 萬年。
     • 軌道進動 (Apsidal Precession)：近日點和遠日點位置的擺動，週期與天文進動共同影響，約 2.3 萬年。
   • 影響：影響特定季節（如夏季或冬季）與近日點/遠日點的組合，進而影響季節的溫度。例如，當北半球的夏季發生在近日點時，北半球的夏季會更溫暖。

其他可能影響因素：

• 溫室氣體濃度：如二氧化碳 (CO₂) 和甲烷 (CH₄) 的濃度變化，會放大或減弱軌道參數的影響。例如，冰期時 CO₂ 濃度較低，間冰期時較高。
• 地殼構造與大陸分布：大陸的位置影響洋流和冰蓋的形成。
• 太陽活動：太陽輻射量的微小變化。
• 冰蓋的內部反饋機制：如反照率（Albedo）效應（冰雪覆蓋增加，反射陽光，導致降溫，形成正反饋）。

二、地球科學家如何研究過去的氣候變遷

地球科學家利用各種「古氣候指標」(Paleoclimate Proxies) 來重建過去的氣候狀況，這些指標是間接證據，反映了當時的環境條件。主要研究方法包括：

1. 冰芯 (Ice Cores)：
   • 取樣地點：極地（如格陵蘭、南極）和高山冰川。
   • 研究內容：
     • 氣泡分析：分析冰芯中封存的空氣氣泡，可直接測量過去大氣中 CO₂、CH₄ 等溫室氣體濃度。
     • 同位素分析：分析水分子中的氧 (¹⁸O/¹⁶O) 和氫 (²H/¹H) 同位素比例。