111 高普考高考三級 採礦工程 礦物與岩石學 考古題詳解

核心觀念

本題評量礦物學、火成岩石學、變質岩石學與礦床學的基礎名詞意涵與成因機制，涵蓋四大岩石學核心體系：

1. 長石固溶體與離溶作用（Exsolution）：鹼性長石在次固相線下隨溫度降低跨越溶線（Solvus）時，因固溶度劇降產生之不互溶分離現象，依主晶與離溶晶的組成差異區分為「條紋長石（Perthite）」與「反條紋長石（Anti-perthite）」。
2. 火山碎屑作用（Pyroclastic Process）：爆發性火山噴發中，微細火山灰在大氣或噴發煙柱中與水氣、靜電凝聚之沉積微構造（增生火山礫）。
3. 變質岩石學基礎（Metamorphism）：變質作用前的初始岩石狀態（原岩），其化學成分決定了變質礦物群與變質相。
4. 接觸交代變質與熱液礦床（Contact Metasomatism）：中酸性岩漿侵入碳酸鹽岩所引發之交代變質作用，形成特徵鈣矽酸鹽礦物組合與金屬礦床（矽卡岩）。

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解題方法

本題為典型的「專有名詞申論題」，閱卷評分重點在於「定義的精確性」與「背後的成因機制」。答題時切入點應採取「四段式結構」鋪陳：

1. 標準中文譯名與基本定義：明確指出該名詞所屬的岩石/礦物範疇。
2. 形成機制（物理／化學過程）：點出驅動其生成的溫壓條件、化學反應或動力學過程（例如：離溶作用、交代作用、凝聚作用）。
3. 代表性礦物組成或岩相特徵：寫出關鍵化學式、礦物組合或粒徑構造特徵。
4. 地質產狀與工程／採礦意涵：說明常見的地質產狀，若具經濟礦產價值（如 Skarn）務必補述。

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子題詳解

(一) Anti-perthite（反條紋長石／反紋長石）

1. 定義：指長石礦物內部的一種出溶（離溶）互生組織，以斜長石（Plagioclase，特別是富鈉斜長石如鈉長石至奧長石）為主晶（Host），內部包裹或析出細微片狀、脈狀或滴狀的鉀長石（K-feldspar）片晶（Lamellae）。
2. 成因機制：在高溫岩漿結晶時，斜長石中可固溶少量的鉀長石分子（$\text{KAlSi}_3\text{O}_8$）；當深成岩體緩慢冷卻降溫時，晶體穿越溶線（Solvus），鉀原子在斜長石晶格中的固溶度大幅下降，富鉀相便自富鈉斜長石固溶體中以固態出溶形式析出。
3. 地質產狀：常見於中至高階變質岩（如麻粒岩相岩石）、高度分異的中性至基性火成岩（如斜長岩、紫蘇花崗岩）。

(二) Perthite（條紋長石／紋長石）

1. 定義：指以鉀長石（K-feldspar，如正長石或微斜長石）為主晶（Host），內部出溶細微平行葉片狀、絲狀或條狀**斜長石（主要為富鈉之鈉長石 Albite，$\text{NaAlSi}_3\text{O}_8$）**的互生構造。
2. 成因機制：高溫條件下，鉀長石（$\text{KAlSi}_3\text{O}_8$）與鈉長石（$\text{NaAlSi}_3\text{O}_8$）能形成完全連續的固溶體系列（高溫鹼性長石）。隨溫度降低跨入非互溶區（超越 Solvus 線），晶格容納鈉離子的能力急遽降低，過飽和的鈉長石組分沿鉀長石特定結晶方向（常平行於 $(100)$ 或 $(010)$ 面）出溶成片晶。依顯微尺度可再細分為微條紋長石（Microperthite）與隱條紋長石（Cryptoperthite）。
3. 地質產狀：酸性深成火成岩（如花崗岩、正長岩）與花崗偉晶岩中最常見的特徵組織。

(三) Accretionary lapilli（增生火山礫／聚積火山礫）

1. 定義：火山碎屑岩（Pyroclastic rocks）中的球狀至次球狀微構造顆粒，其粒徑通常介於 $2\text{ mm} \sim 64\text{ mm}$（火山礫 Lapilli 的粒度範疇），內部具有由微細火山灰呈同心圓同心層狀（Concentric layering）緊密包裹的構造。
2. 成因機制：主要形成於爆發性火山噴發柱（Eruption column）或火山碎屑湧浪流（Pyroclastic surge）中。空氣中的水氣（常因水岩交互作用的水蒸氣凝結或大氣降雨）使濕潤的細微火山灰顆粒（Fine ash）在表面張力與靜電引力作用下，以某顆小碎屑或液滴為核心，如滾雪球般層層吸附增生。
3. 地質意涵：地層中出現增生火山礫，是辨識「水文火山爆發（Phreatomagmatic eruption）」或「近火山口潮濕大氣沉積環境」的重要沈積指準相標誌。

(四) Protolith（原岩／母岩）

1. 定義：指變質作用（Metamorphism）發生之前，岩石未受變質影響時的最初母體岩石（Precursor rock）。
2. 成因與特徵：原岩可以是火成岩、沉積岩，甚至是更早期形成的變質岩。在變質過程中，除揮發份（如 $\text{H}_2\text{O}$、$\text{CO}_2$）逸散外，多數變質作用屬於「等化學變質作用（Iso-chemical metamorphism）」，因此原岩的整體化學成分（Bulk composition）直接決定了變質後所能生成的變質礦物群（如泥質、基性、鈣質、超基性原岩）。
3. 實例：

核心觀念

本題旨在評量地質學與岩石學中「火山岩」（噴出火成岩）之基本定義、岩石學分類體系、野外巨觀鑑定特徵，以及火成作用之物理化學動力學過程；並結合臺灣區域地質學（大地構造與板塊構造學說），檢驗考生對臺灣新生代至現代火山活動在時空分布、岩石成分與地球動力構造機制（板塊隱沒、弧陸碰撞、大陸邊緣張裂）之整合分析能力。

解題方法

本題配分共 25 分，採層次化申論解答，依題意拆解為四大核心軸線作答：

1. 火山岩之定義（3 分）：從岩漿冷凝環境、冷卻速率、岩石結晶程度與結構特徵切入，嚴謹界定其與深成岩之區別。
2. 分類架構與野外鑑定法（4 分）：

• 分類架構：依化學成分（$\text{SiO}_2$ 重量百分比與色率）劃分四大族群；依噴發冷凝型態分為熔岩流與火山碎屑岩。
• 野外鑑定：提出利用「肉眼與放大鏡」檢視之具體物理標誌（色率、斑晶礦物種類、石基組織、原狀構造如氣孔／節理）。

3. 火山噴發產物與成因動力學（9 分）：

• 噴發產物：系統化歸納「氣體、液體（熔岩流）、固體（火山碎屑物，依粒徑大小分類）」。
• 噴發成因：自深部岩漿生成（減壓熔融、脫水熔融）、岩漿浮力上升，至揮發份減壓發泡出溶、黏滯度差異主導之爆裂／溢流噴發動力學機制完整推導。

4. 臺灣地區火山岩之分布與形成機制（9 分）：

• 空間劃分三大主要火山岩區：北部火山區、東部火山區、西部（含澎湖）火山區。
• 分區論述其「代表岩石類別」與「對應大地構造形成機制」（後弧張裂、島弧隱沒、大陸張裂邊界）。

選項分析

本題為國家考試專業科目申論題（問答題），非選擇題，故無個別選項。題內各子題配分明確，作答關鍵在於條理化羅列岩石學與地體構造專有名詞，避免非科學性之空洞描繪。

解題技巧

1. 名詞精準度：化學分群務必寫出二氧化矽含量區間（如玄武岩 $45\%\text{--}52\%$、安山岩 $52\%\text{--}63\%$ 等）；構造機制務必對應正確之板塊名稱（歐亞板塊、菲律賓海板塊）與構造類型（沖繩海槽張裂、呂宋島弧隱沒系統、大陸邊緣地塹張裂）。
2. 粒徑數據化：火山碎屑物分類應給予精確公制界限（$< 2\text{ mm}$ 火山灰、$2\text{--}64\text{ mm}$ 火山礫、$> 64\text{ mm}$ 火山塊／火山彈），展現專業嚴謹度。
3. 分點標題化：按題目配分結構給予對應子標題，使閱卷委員能在短時間內勾稽到所有評分點。

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【答案】

一、火山岩之定義（3 分）

火山岩（Volcanic Rocks），又稱噴出火成岩（Extrusive Igneous Rocks），係指地下深處的高溫岩漿沿地殼裂隙、斷層或火山口通道上升，噴出地表或侵入至地表極淺處，在低溫、低壓環境下快速冷卻固結所形成之火成岩。 由於冷卻受熱淬火（Quenching）速度極快，礦物晶體無法充分生長，其微觀至巨觀特徵主要呈現細粒隱晶質（Aphanitic）、玻璃質（Glassy）或由粗大斑晶與微晶／玻璃質石基構成的斑狀組織（Porphyritic Texture）。

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二、火山岩之分類與野外鑑定法（4 分）

（一）火山岩之分類體系

1. 依化學成分與色率分類（基底分類）： 依岩石中二氧化矽（$\text{SiO}_2$）重量百分比及礦物色率（Color Index, $M'$），由基性至酸性依序劃分為：

• 超基性火山岩（$\text{SiO}_2 < 45\%$）：如科馬提岩（Komatiite）。
• 基性火山岩（$\text{SiO}_2$ 介於 $45\%\text{--}52\%$）：玄武岩（Basalt），鐵鎂質礦物含量高，屬暗色岩。
• 中性火山岩（$\text{SiO}_2$ 介於 $52\%\text{--}63\%$）：安山岩（Andesite），色率中等，以中長石、角閃石為代表。
• 中酸性／酸性火山岩（$\text{SiO}_2 > 63\%$）：英安岩（Dacite，$\text{SiO}_2$ 約 $63\%\text{--}69\%$）與流紋岩（Rhyolite，$\text{SiO}_2 > 69\%$），屬淺色岩，富含石英與鹼性長石。

2. 依噴發冷凝產狀與構造分類：

• 熔岩類（Lavas）：熔融岩漿溢流冷凝固結而成之塊狀、柱狀或枕狀岩體。
• 火山碎屑岩類（Pyroclastic Rocks）：爆裂噴發之碎屑經沉降、熔融熔接或膠結成岩，如凝灰岩（Tuff）、火山角礫岩（Volcanic Breccia）、集塊岩（Agglomerate）。

（二）野外巨觀鑑定法

在缺乏顯微鏡與化學分析之野外露頭環境下，主要透過手相標本及巨觀產狀判定：

1. 顏色與色率判別：黑灰至灰黑色通常為基性玄武岩；灰白、淺灰至灰綠色通常為中性安山岩；灰白、肉紅色通常為酸性流紋岩或英安岩。
2. 斑晶（Phenocrysts）礦物組合觀察（使用 10 倍地質放大鏡）：

• 若含黃綠色粒狀橄欖石、黑色短柱狀輝石斑晶，基質緻密，多為玄武岩。
• 若含黑色長柱狀角閃石、六角板狀黑雲母、白色斜長石斑晶，多為安山岩。
• 若見無色透明雙錐狀石英斑晶，伴隨正長石，則為流紋岩或英安岩。

3. 原生構造與組織特徵：

• 觀察是否具備氣孔構造（Vesicular structure）或次生充填之杏仁狀構造（Amygdaloidal structure）。
• 觀察岩體產狀：熔岩流表面之繩狀熔岩（Pahoehoe）、塊狀熔岩（Aa）；發達之幾何柱狀節理（Columnar jointing）；或水下噴發之枕狀構造（Pillow structure）。
• 碎屑岩則辨認其粒徑均勻度、熔接組織（Welded texture）及是否夾雜異源捕獲岩塊（Xenoliths）。

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三、火山噴發產物與成因機制（9 分）

（一）火山噴發產物

火山噴發物依物質物理相態分為三大類：

1. 氣體產物（Volcanic Gases）：

核心觀念

本題評量地球內部圈層中「地殼岩石學」（Crustal Petrology）與「板塊構造環境」（Plate Tectonic Settings）的整合應用，涉及的核心理論與觀念包括：

1. 地球圈層構造與大陸地殼劃分：上部地殼（Upper Continental Crust, UCC）平均厚度約為 $10 \sim 15\text{ km}$，與下部地殼通常以康拉德不連續面（Conrad Discontinuity）為過渡邊界。上部地殼化學成分以富矽（$\mathrm{SiO_2} \approx 66\%$）、鋁、鉀、鈉等長英質（Felsic / Sialic）成分為主，平均組成接近「花崗閃長岩質」（Granodioritic）。
2. 三大岩類與造岩礦物生成相（Mineral Assemblage）：上部地殼在低溫低壓、富水流體及地表風化剝蝕環境下，其岩石由長英質侵入與噴出火成岩、表層沉積岩及低度至中度變質岩構成；主要礦物遵循鮑氏反應系列（Bowen's Reaction Series）低溫端礦物組合，以及地表風化沉積與低溫變質作用產生的次生礦物。
3. 板塊構造環境與造岩作用（Tectonic Environments）：上部地殼岩石的形成、堆積、變形與出露，直接受控於板塊運動動力機制，涵蓋穩定地塊（地盾與地台）、聚合型板塊邊界（造山帶與火山弧）、張裂型板塊邊界（大陸裂谷）及走滑構造環境。

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解題方法

1. 第一小題（10 分）：分類系統化，岩石與礦物相互對應

• 岩石種類：切忌只答「花崗岩」，應分門別類完整列出構成上部地殼的三大岩類（沉積蓋層、長英質深成岩／噴出岩、中低階變質岩）。
• 礦物組合：依「主要造岩礦物（矽酸鹽礦物）」、「表生／沉積成因礦物」及「副礦物」三層次條列，並標明化學組成與固溶體特徵。

2. 第二小題（15 分）：以「板塊構造環境」為經、「地質作用與出露機制」為緯

• 從板塊動力學四大體系（穩定陸塊、聚合構造帶、張裂構造帶、走滑構造帶）切入。
• 詳述上部地殼岩石在該環境下的生成機制（如岩漿侵入、火山噴發、沉積作用、區域變質）與揭露機制（構造抬升、剝離斷層、剝蝕作用），並輔以全球典型實例佐證。

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選項分析

本題為高考三級採礦工程類科之申論題，非選擇題，故無單選選項。閱卷評分關鍵與比重配置如下：

• 第一子題（10 分）：
• 岩石種類完整性（佔 5 分）：須涵蓋長英質火成岩（花崗岩類）、地表沉積岩（頁岩、砂岩、碳酸鹽岩）、低至中度變質岩（板岩、片岩、片麻岩）。
• 礦物組合精確度（佔 5 分）：須指出石英、鉀長石、斜長石、雲母類、角閃石，以及沉積次生礦物（黏土、方解石）。
• 第二子題（15 分）：
• 各構造環境劃分（佔 10 分）：每列出並詳述一個典型地質環境約給 $2.5 \sim 3$ 分（穩定地台/地盾、大陸碰撞造山帶、隱沒帶陸弧、大陸裂谷等）。
• 地質成因、出露機制與實例（佔 5 分）：能否清楚說明構造抬升與剝蝕如何使上部地殼岩石暴露地表。

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解題技巧

1. 化學本質先破題：回答上部地殼時，首句點出「總體呈長英質（Felsic），平均化學成分相當於花崗閃長岩（Granodiorite）」，展現專業答題深度。
2. 面積與體積區分：地表出露面積以「沉積岩」佔多數（約 $75\%$），但上部地殼整體體積與質量則以「長英質結晶岩（花崗岩類與片麻岩）」為主，此對比能凸顯考生紮實的岩石學底子。
3. 環境論述附帶地質實例：第二小題說明地質環境時，帶入世界或台灣代表性地質構造（如加拿大地盾、喜馬拉雅造山帶、東非裂谷、安第斯山脈火山弧），能直接拉高申論成績。

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【答案】

一、上部地殼的岩石種類與礦物組合（10 分）

上部大陸地殼（Upper Continental Crust, UCC）平均厚度約為 $10 \sim 15\text{ km}$，總體化學組成富含矽與鋁（長英質／Sialic），平均成分相當於花崗閃長岩（$\mathrm{SiO_2}$ 含量約 $66\text{ wt}\%$）。其岩石種類與礦物組合詳述如下：

(一) 岩石種類

1. 火成岩類（Igneous Rocks）

• 深成侵入岩：為上部地殼結晶基底的主體，主要由花崗岩（Granite）、花崗閃長岩（Granodiorite）、**石英二長岩（Quartz Monzonite）及少量閃長岩（Diorite）**構成巨大岩基（Batholith）與岩株（Stock）。
• 噴出火山岩：多形成於淺表，以酸性至中性的流紋岩（Rhyolite）、**英安岩（Dacite）與安山岩（Andesite）**為主，常伴隨大量火山碎屑岩（凝灰岩）。

2. 沉積岩類（Sedimentary Rocks）

• 沉積岩覆蓋了全球大陸地表約 $75\%$ 的面積，形成上部地殼最表層的「沉積蓋層」（Sedimentary Cover）。
• 主要種類包括：
• 泥質碎屑岩：頁岩（Shale）、泥岩（Mudstone），佔沉積岩總體積約 $60\%$。
• 砂質碎屑岩：石英砂岩（Quartz Arenite）、長石砂岩（Arkose）、雜砂岩（Greywacke）。
• 碳酸鹽岩與生物化學沉積岩：石灰岩（Limestone）、白雲岩（Dolomite）。
• 礫岩（Conglomerate）與蒸發岩（Evaporites，如石膏、岩鹽）。

3. 變質岩類（Metamorphic Rocks）

• 以低溫低壓至中溫中壓的區域變質岩及動力變質岩為主，構成了造山帶沉積物深埋或結晶基底重新改造的產物。
• 主要種類包括：板岩（Slate）、千枚岩（Phyllite）、片岩（Schist，如雲母片岩）、長英質片麻岩（Felsic Gneiss）、石英岩（Quartzite）及大理岩（Marble）；斷層帶內可見糜稜岩（Mylonite）與碎裂岩（Cataclasite）。

核心觀念

1. 變質岩分類架構：變質岩主要依據「組織構造（葉理發育程度）」進行簡單二分法分類，輔以「原岩化學性質（正變質 vs. 副變質）」及「變質度／相系（低度至高度變質）」。
2. 變質礦物與原岩對應：變質礦物組合受原岩化學成分及變質溫壓條件（$P$-$T$ 條件）嚴格控制。泥質原岩產出絹雲母、黑雲母、石墨；基性火成原岩產出綠泥石、綠簾石、角閃石；碳酸鹽原岩重結晶為方解石與白雲石；超基性火成原岩水化交代為蛇紋石。
3. 臺灣板塊地體構造分區：臺灣變質岩係受歐亞板塊與菲律賓海板塊聚合造山運動影響，自西向東呈帶狀分布：雪山山脈帶（低度/亞變質帶）、脊梁山脈帶（板岩帶）、大南澳雜岩帶（中度至高度變質基底，細分為太魯閣低壓高溫/中溫帶與玉里高壓低溫帶）。

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解題方法 本題為標準的「觀念分類＋本土區域地質與經濟礦物」整合申論題，配分共 25 分。作答時採「三段式破題」，權重應配合配分合理分配：

1. 變質岩簡單分類（3 分）：直接以最具代表性、最實用的「組織構造（葉理構造）」切入，明確區分為「具葉理變質岩」與「無葉理／塊狀變質岩」，並分別列出岩石代表。
2. 臺灣主要變質岩礦物成分（7 分）：選取臺灣最具代表性且具工程採礦意義的六大岩類（板岩/千枚岩、片岩類、大理岩、片麻岩、角閃岩、蛇紋岩），條列其「主要造岩礦物」與「副礦物/特徵變質礦物」。
3. 分布（15 分，核心重頭戲）：依地體構造單元由西向東，或按各岩類逐條深入說明，務必明確寫出具體地質構造帶、代表地層及精確地理產地（鄉鎮、溪流、山岳），展現採礦工程地質的扎實基礎。

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選項分析 本題為申論題（非選擇題），無選項分析。各子題評分規準與閱卷給分要點分析如下：

1. 第一子題（3 分）：重點在於分類依據（葉理）是否明確。若未寫出依據直接列舉岩石名稱，將酌扣 1 分。
2. 第二子題（7 分）：礦物成分必須精確對應岩石，特別是片岩類需區分黑片岩（泥質）、綠色片岩（基性）之差異，綠色片岩與角閃岩的角閃石類礦物、大理岩的方解石組成均為得分關鍵點，籠統帶過無法拿滿 7 分。
3. 第三子題（15 分）：配分最高，評分標準取決於地理區位與地質單元的精確度。僅籠統回答「中央山脈、花東地區」僅能獲基本及格分；若能精準點出「雪山山脈、脊梁山脈、大南澳雜岩太魯閣帶、玉里帶」並搭配代表性露頭（如中橫溪畔、蘇澳、東澳粉鳥林、豐田、向陽等），方能獲得 13 分以上之高分。

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解題技巧

1. 矩陣記憶口訣：

• 泥質沉積原岩 $\rightarrow$ 板岩 $\rightarrow$ 千枚岩 $\rightarrow$ 黑色片岩（石英＋白雲母＋石墨）。
• 基性火成原岩 $\rightarrow$ 綠色片岩（綠泥石＋綠簾石＋陽起石） $\rightarrow$ 角閃岩（普通角閃石＋斜長石）。
• 碳酸鹽原岩 $\rightarrow$ 大理岩（方解石為主）。
• 超基性火成原岩 $\rightarrow$ 蛇紋岩（蛇紋石＋滑石，常賦存閃玉）。

2. 配分與時間分配：本題總分 25 分，答題時間控制在 22～25 分鐘。第三子題占 15 分，篇幅應占整體答案卷面之 $60\%$ 以上，務必分項條列，層次井然。

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【答案】

一、變質岩之簡單分類（3 分）

變質岩在岩石學中最通用且實用之簡單分類，係依據**組織構造（葉理發育程度）**二分為以下兩大類：

1. 具葉理變質岩（Foliated Metamorphic Rocks）： 岩石受定向應力（差應力）作用，片狀或柱狀礦物呈定向平行排列，具顯著的平面或面相構造。隨變質度由低至高依序為：

• 板岩（Slate）：具發達的板狀劈理（Slaty cleavage）。
• 千枚岩（Phyllite）：葉理面具絹雲母重結晶帶來之絲絹光澤。
• 片岩（Schist）：具肉眼清晰可見之片理（Schistosity）。
• 片麻岩（Gneiss）：具深淺色礦物相間平行排列之片麻狀帶狀構造（Gneissic banding）。

2. 無葉理／塊狀變質岩（Non-foliated / Massive Metamorphic Rocks）： 形成於均向圍壓、熱接觸變質作用，或原岩礦物缺乏片狀/柱狀習性（等粒狀重結晶）：

• 大理岩（Marble）：由石灰岩或白雲岩重結晶而成。
• 石英岩（Quartzite）：由富石英砂岩受熱重結晶而成。
• 角頁岩（Hornfels）：岩漿侵入熱烘原岩產生之緻密細粒接觸變質岩。
• 蛇紋岩（Serpentinite）：超基性岩受熱液交代蝕變而成，多呈塊狀。

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二、臺灣主要變質岩之礦物成分（7 分）

臺灣變質岩以區域變質產物為主，各主要岩類之礦物組成如下：

1. 板岩（Slate）與千枚岩（Phyllite）（原岩為泥岩、頁岩）：