109 高普考高考三級 地質 構造地質學 考古題詳解

核心觀念

本題考查走向滑移斷層系統的應變幾何，以及臺灣斜向板塊碰撞如何分配變形。臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的聚合交界，聚合方向與碰撞帶走向並不垂直，因此板塊運動可分解為：

• 垂直碰撞帶走向的分量：造成地殼縮短、褶皺與逆衝斷層。
• 平行碰撞帶走向的分量：造成走向滑移與側向逃逸。

本題的關鍵是判斷兩種應變模式及其斷層幾何：

• 純剪應變（pure shear）：變形可視為沿兩個互相垂直方向的縮短與伸長，沒有整體旋轉分量。走向滑移斷層常形成共軛組，兩組斷層的運動方向相反，並以有限應變主軸為對稱基準。
• 單剪應變（simple shear）：變形主要集中於一個剪切面，物質點沿該面相對滑移，伴隨整體旋轉。走向滑移斷層可形成斜列或平行排列，常見於板塊邊界剪切及地體側向逃逸。

解題方法

先由臺灣的斜向聚合背景，說明走向滑移變形為何會與縮短、逆衝作用並存；再分別描述純剪與單剪的應變特徵、斷層排列及其在臺灣可能發育的位置或構造環境。作答時應指出，臺灣不是整座島只有單一應變模式，而是不同區域、不同深度與不同構造階段可由不同模式主導。

純剪模式

在純剪模式下，水平應變可表現為一方向縮短、與之垂直方向伸長。若應變場具有剪切成分，走向滑移斷層可成對發育為共軛組，兩組具有相反的側移方向；斷層走向相對於主應變軸呈對稱關係。其幾何特徵是分布式變形較明顯，整體旋轉較弱。

臺灣的板塊聚合造成顯著地殼縮短與增厚，碰撞帶內廣泛發育褶皺、逆衝斷層及斷層分區。走向滑移成分若在較廣範圍內分散，且能以縮短—伸長的有限應變場描述，即可用純剪觀念理解。尤其在碰撞帶內部，走向滑移與擠壓共同作用，可形成斜向擠壓（transpression）構造。

單剪模式

核心觀念

正反轉構造（positive inversion structure）是原先在張裂作用下形成的正斷層，後來於擠壓作用下反向再活動，成為逆斷層。判讀重點是比較兩期沿斷層面的位移量：

• 早期張裂位移：正斷層位移量，記為 $D_e$。
• 晚期擠壓位移：逆斷層再活動位移量，記為 $D_c$。

晚期逆向位移會抵銷早期正向位移，因此剖面上看到的是兩期位移疊加後的淨位移。沿斷層由上往下，淨位移可由逆斷層型態逐漸轉為正斷層型態；兩者恰好抵銷、淨位移為零的位置稱為零位移點（null point）。

解題方法

先辨認各期地層，再比較同一標準層在斷層兩側的地層落差：

1. 以同沉積地層判定早期張裂。 正斷層活動時，下降盤形成沉積空間；同裂谷地層常向下降盤增厚，並呈生長地層幾何。這類厚度變化與地層錯移，可用來判讀正斷層活動及其位移量。
2. 以晚期地層錯移判定擠壓再活動。 若原斷層反向滑動，原下降盤相對上升；同一標準層在斷層兩側的落差因而減小，甚至反轉成逆斷層型態。
3. 沿斷層追蹤各標準層的分離量。 將不同深度標準層的斷層分離量繪成曲線，可看出位移方向及大小如何改變；分離量由一種方向轉為相反方向、通過零值之處，即為零位移點。

若只考慮同一斷層上兩期相反方向的位移，則局部淨位移可概念化表示為：

其中正負號依選定的位移方向而定。若 $D_c<D_e$，仍保留早期正斷層的淨位移，屬部分反轉；若兩者相等，該處淨位移為零；若 $D_c>D_e$，晚期逆向位移超過早期位移，剖面上呈現逆斷層型淨位移。實際判讀應沿斷層不同位置分別比較，因位移量通常會隨深度或斷層段落改變。

剖面示意

以下為概念剖面，非依比例繪製。左側為早期張裂形成的盆地與同裂谷生長地層；右側為晚期擠壓使原正斷層反向再活動後的幾何。箭頭表示斷層兩盤的相對運動方向。

核心觀念

本題考查剪切帶內的變形機制如何隨溫度、圍壓與深度改變。一般而言，地殼淺部低溫、低圍壓，岩石以脆性破裂與摩擦滑動變形；深部高溫、高圍壓，岩石則以晶體塑性流動為主。兩者之間存在脆—韌性轉換帶，變形機制可同時包含破裂與塑性流動。

此處的「脆性」指岩石主要透過裂隙、破碎和顆粒摩擦產生變形；「韌性」指岩石在未形成貫穿性破裂的情況下，透過晶粒內部變形、再結晶或擴散等機制，產生連續的形變。

溫壓條件並非唯一控制因素。岩石成分、粒徑、含水量、應變速率及孔隙流體壓力，也會影響岩石呈現脆性或韌性行為。因此，所列溫度僅為常見概略範圍，並非絕對界線。

解題方法：由淺部至深部比較

依序比較不同溫壓環境下的變形機制、剪切構造幾何形態及斷層岩種類，即可完整作答。答題時應明確呈現「低溫淺部以破裂為主、高溫深部以塑性流動為主、中間為混合變形」的連續變化。

低溫、低圍壓：脆性剪切

淺部圍壓較低，岩石較容易產生張裂、剪裂及顆粒破碎；變形多集中在狹窄斷層帶，兩盤沿斷層面發生摩擦滑動。常見構造包括：

• 斷層面與斷層泥：細粒碎屑受反覆剪磨，形成鬆散的斷層泥。
• 斷層角礫岩與碎裂岩：岩石被裂隙切割、破碎，形成角礫狀至細碎的斷層岩。
• 剪裂面組構：可發育共軛剪裂面、Riedel 剪裂面等，協助判斷剪切方向。
• 摩擦熔融產物：快速滑動造成局部摩擦熱，可形成假玄武玻璃（pseudotachylyte）；它常呈暗色脈體，可能是古地震快速滑動的證據。

中溫、中高圍壓：脆—韌性轉換

隨深度與溫度增加，圍壓抑制張裂，而礦物開始能以晶內滑移、雙晶、壓力溶解及動態再結晶等方式變形。此時常見脆性與韌性機制並存：

• 強度較高或不易塑性變形的礦物（例如長石）可能破裂，形成碎裂的斑晶或碎斑。
• 石英等較容易塑性變形的礦物則可拉長、再結晶，形成細粒基質。
• 剪切帶中可同時出現碎裂、脈體、細粒化與塑性流動構造。

核心觀念

差排潛變（dislocation creep）是晶體在持續差應力作用下，靠晶格內的差排（dislocation）移動而產生的時間依賴性、不可逆塑性變形。它常見於中高溫、深部地殼及地函的岩石變形；石英、方解石、長石與橄欖石等礦物都可發生晶內塑性變形。

差排是晶格中的線狀缺陷。差排沿滑移面移動稱為滑移（glide），是造成晶體形狀改變與塑性應變的主要方式；差排離開原滑移面移動稱為攀移（climb），需要原子或空位擴散，通常在較高溫時更容易進行。交滑移（cross-slip）與攀移也可協助差排繞過障礙、重新排列或互相抵銷，使變形得以持續。

差排潛變常以冪次流變律描述：

其中，$\dot{\varepsilon}$ 為應變率，$\sigma$ 為差應力，$n$ 為應力指數，$Q$ 為活化能，$R$ 為氣體常數，$T$ 為絕對溫度，$A$ 為材料與微結構相關常數。典型差排潛變的 $n$ 大於 1，因此應變率對差應力呈非線性反應；其應變率通常不直接依賴晶粒大小，這點與擴散潛變不同。

解題方法：由差排運動連結到岩石現象

作答時可依「差排如何移動 → 差排如何累積與復原 → 形成哪些微構造與岩體尺度現象」說明。題目所問的「反應其作用所產生之現象」，應涵蓋差排潛變本身的延性流動，以及伴隨的復原、動態再結晶、組構與剪切帶等結果。

1. 差應力驅動差排在晶格內滑移，晶粒因此改變形狀，岩石產生晶內塑性應變。持續變形會增加差排密度與晶粒內部應變能。
2. 當溫度與擴散條件適合時，差排會攀移、交滑移、重新排列或互相抵銷，形成復原（recovery）。差排排列成低角度晶界，可把原晶粒分隔為方向略有差異的次晶粒（subgrains）；這種次晶粒化也稱為多邊化（polygonization）。
3. 變形持續進行時，次晶粒間的方位差可逐漸增加，形成次晶粒旋轉再結晶；若晶界遷移活躍，則可發生晶界遷移再結晶。兩者都屬於動態再結晶，能在變形進行時形成新晶粒。

核心觀念

赤平投影可把平面表示為大圓，也可把平面的法線表示為點，稱為「極點」。兩平面的夾角等於其法線的夾角；在赤平投影上，就是兩個極點的角距。題目通常所稱的兩面夾角取較小的二面角，範圍為 $0^\circ$ 至 $90^\circ$。

題目中的方位簡寫須配合走向與傾向互相垂直的幾何關係解讀：$N30^\circ E$ 走向的平面向南側傾，傾向取 $S60^\circ E$；$N45^\circ W$ 走向的平面向北側傾，傾向取 $N45^\circ E$。下列依此解讀作圖。

解題方法

採下半球赤平投影，先標出兩面的走向與傾角，再各自求出極點，最後量兩極點的角距。用極點求角可直接讀出兩平面的銳二面角。

作圖步驟

1. **畫參考圓與方位。**畫出下半球投影網的基圓，標示北、東、南、西，以及方位角刻度。

2. **標出第一面的走向。**第一面走向為 $N30^\circ E$，即方位角 $030^\circ$；其反向為 $210^\circ$。在基圓上標出兩端點，連成走向直徑。

3. **畫出第一面大圓。**題示向南側傾，依垂直關係取傾向 $120^\circ$（$S60^\circ E$），傾角為 $30^\circ$。將走向直徑旋轉至便於使用投影網的位置，沿傾向方向量 $30^\circ$，描出通過兩走向端點的大圓，再將透明紙轉回原方位。這條大圓即第一面。

4. **標出第一面極點。**極點垂直於平面，從傾向反方向量 $90^\circ-30^\circ=60^\circ$，得到下半球極點。其方位為傾向反方位 $300^\circ$、俯角 $60^\circ$。

5. **標出第二面的走向。**第二面走向為 $N45^\circ W$，方位角為 $315^\circ$；反向為 $135^\circ$。在基圓標出兩端點，連成走向直徑。