113 年 國立中正大學地球與環境科學系碩士班《普通地質學》

本題主要在探討野外火成岩的分類方法及其原理。火成岩的野外分類主要依據其礦物組成、質地（結晶顆粒大小與排列方式）以及構造來進行。

分類原理：

火成岩的分類原理主要基於其形成過程與化學組成，這些因素決定了岩石的礦物成分和質地。在野外，我們無法直接進行詳細的化學分析，因此主要透過觀察肉眼可見的礦物種類、顆粒大小、岩石的顏色、以及岩石的整體外觀（如是否有明顯的層理或構造）來推斷其性質。

1. 礦物組成 (Mineral Composition)：

   • 淺色礦物 (Felsic Minerals)： 如石英 (Quartz)、長石 (Feldspar)（正長石、斜長石）、白雲母 (Muscovite)。富含矽、鋁，顏色較淺。
   • 深色礦物 (Mafic Minerals)： 如輝石 (Pyroxene)、角閃石 (Amphibole)、橄欖石 (Olivine)、黑雲母 (Biotite)。富含鎂、鐵，顏色較深。
   • 分類依據： 淺色礦物與深色礦物的比例是區分火成岩酸性、中性、基性、超基性等重要指標。例如，富含石英和長石的通常是酸性岩（如花崗岩），而富含輝石、橄欖石的則是基性或超基性岩（如玄武岩、輝長岩）。

2. 質地 (Texture)： 質地反映了岩漿冷卻的速度和條件。

   • 粗粒 (Phaneritic)： 結晶顆粒較大，肉眼可見。表示岩漿冷卻緩慢，通常形成於地下深處（侵入岩），如花崗岩、閃長岩、輝長岩。
   • 細粒 (Aphanitic)： 結晶顆粒很小，肉眼難以分辨。表示岩漿冷卻快速，通常形成於地表或接近地表（噴出岩），如流紋岩、安山岩、玄武岩。
   • 斑狀 (Porphyritic)： 含有較大的晶體（斑晶）散佈在細粒的基質中。表示岩漿在冷卻過程中經歷了不同階段的冷卻速度。
   • 玻璃質 (Glassy)： 完全沒有結晶，呈玻璃狀。表示冷卻速度極快，如黑曜石。
   • 其他： 如多孔質 (Vesicular)、凝灰質 (Tuffaceous) 等。

3. 構造 (Structure)： 岩石的整體形態和排列方式。

   • 岩脈 (Dike)、岩床 (Sill)： 侵入岩的常見形態。
   • 熔岩流 (Lava Flow)、火山碎屑岩 (Pyroclastic Rocks)： 噴出岩的形態。

本題主要探討島弧岩漿的形成深度與成因。島弧是與俯衝帶相關的火山活動帶，其岩漿性質與形成環境密切相關。

形成島弧岩漿的成因：

島弧岩漿的形成與板塊俯衝 (Plate Subduction) 密切相關。當海洋板塊俯衝到另一個板塊（大陸板塊或另一個海洋板塊）之下時，俯衝的海洋板塊會攜帶含水礦物和沉積物進入地幔。

1. 水的釋放與熔融作用 (Dehydration and Melting)： 隨著俯衝板塊的下沉，溫度和壓力升高，含水礦物（如雲母、角閃石）會開始釋放出水。這些水會滲入到上覆的地幔楔 (mantle wedge) 中。
2. 降低熔點： 水是一種強力的熔劑 (flux)，能夠顯著降低地幔岩石的熔點。因此，水的加入會使得地幔楔的岩石發生部分熔融 (partial melting)，形成富含水分的岩漿。
3. 岩漿的成分： 這種由水誘發的地幔熔融所形成的岩漿，通常是富含二氧化矽 (SiO2) 的，屬於鈣鹼性 (calc-alkaline) 系列的岩漿，其成分介於安山岩 (andesite) 和流紋岩 (rhyolite) 之間，但早期熔融產物可能較基性。
4. 岩漿上升與噴發： 形成的岩漿比周圍的地幔岩石密度小，因此會開始上浮。

本題主要探討新生代以來的氣候變遷、冰期時間以及影響氣候變遷的非人類因素。

新生代以來的氣候變遷型態：

新生代 (Cenozoic Era)，約始於 6600 萬年前，整體呈現一個由暖到冷的趨勢。

1. 古新世-始新世極暖期 (PETM, Paleocene-Eocene Thermal Maximum)： 在新生代早期（約 5600 萬年前），地球經歷了一段短暫但極端的全球暖化事件，氣溫急劇升高。
2. 漸冷趨勢： 隨後，地球氣候開始逐漸變冷。這主要與幾個因素有關，包括喜馬拉雅山脈和青藏高原的隆升，導致風化作用增強，消耗大氣中的二氧化碳；以及南極繞極洋流的形成，使得南極大陸逐漸與溫暖的海洋隔絕，進入冰封狀態。
3. 漸新世-中新世的波動： 在這個過程中，氣候並非單純線性變冷，存在一些波動。
4. 上新世-更新世的冰期-間冰期循環 (Quaternary Glacial-Interglacial Cycles)： 大約在 260 萬年前，地球進入了更新世 (Pleistocene)，氣候變冷趨勢加劇，開始出現明顯的冰期 (glacial periods) 和間冰期 (interglacial periods) 的交替循環。這是新生代氣候變遷最顯著的特徵之一，表現為全球平均氣溫的劇烈波動，導致冰蓋的擴張與退縮。

末次冰期發生於何時？

末次冰期 (Last Glacial Period) 是更新世冰期-間冰期循環中的一個階段。根據地質學研究，末次冰期大約發生在11.5 萬年前至 1.17 萬年前之間。其中，最冷的時期（稱為末次盛冰期，Last Glacial Maximum, LGM）大約發生在 2.6 萬年前至 1.9 萬年前。

影響氣候變遷的非人類因素：

除了當前最受關注的人類活動（如燃燒化石燃料導致溫室氣體排放增加）外，影響地球氣候變遷的自然因素有很多，主要可分為以下幾類：

1. 天文因素 (Astronomical Factors) / 米蘭科維奇循環 (Milankovitch Cycles)：
   • 地球軌道偏心率 (Eccentricity)： 地球繞日軌道的橢圓程度變化，週期約為 10 萬年和 40 萬年。
   • 地球自轉軸傾角 (Obliquity / Axial Tilt)： 地球自轉軸與公轉軌道平面之間的夾角變化，週期約為 4.1 萬年。這影響了季節的強度。
   • 地球自轉軸進動 (Precession)： 地球自轉軸的指向在空間中的週期性擺動，週期約為 2.3 萬年。這影響了太陽輻射在一年中不同時間的分布。

本題為名詞解釋題，要求解釋四個地質學上的專有名詞。

a. Mantle (地幔)

• 定義： 地幔是地球內部結構中，位於地殼之下、地核之上的一個厚層。它佔地球體積的絕大部分（約 84%）和質量的約 67%。
• 組成： 地幔主要由富含鐵、鎂的矽酸鹽礦物組成，如橄欖石 (olivine)、輝石 (pyroxene) 和石榴石 (garnet)。其化學成分大致相當於一種稱為「 the rocky material of the Earth 」的岩石，但礦物在不同壓力下的結構會有所不同。
• 分層： 地幔通常被分為上部地幔 (upper mantle) 和下部地幔 (lower mantle)。上部地幔的頂部與地殼一起構成了岩石圈 (lithosphere)，而岩石圈下方是具有塑性、能夠緩慢流動的軟流圈 (asthenosphere)。地幔的對流是驅動板塊運動的主要動力。
• 溫度與壓力： 溫度隨深度增加而升高，從上部地幔的約 500°C 到下部地幔的約 4000°C。壓力也隨深度顯著增加。

b. Anticline (向斜)

• 定義： 向斜是一種褶皺 (fold) 的結構，其岩層的兩翼（兩側）都向著一個共同的軸部 (axis) 傾斜，並且軸部通常是年輕的岩層。
• 形態： 在橫截面上，向斜呈現一個「U」形或「V」形的結構，中間是岩層年代最年輕的部分。
• 形成原因： 向斜是地殼在受到擠壓應力作用下，岩層發生彎曲變形而形成的。
• 野外識別： 在野外，識別向斜通常需要觀察岩層的傾斜方向。如果兩側岩層都向中間傾斜，且中間的岩層比兩側的年輕，則可判斷為向斜。

c. Hornblende (角閃石)

• 定義： 角閃石是一類重要的鏈矽酸鹽礦物 (inosilicate)，屬於閃石族 (amphibole group)。
• 化學成分： 其化學成分複雜，通常為通式 $\text{Ca}_2\text{Na}_0\text{Mg}_4\text{Fe}^{2+}_3\text{Fe}^{3+}_1\text{Al}_1\text{Si}_6\text{O}_{22}(\text{OH})_2$ 或類似的變體，含有鈣、鈉、鎂、鐵、鋁、矽、氧、氫等元素。