113 專技高考高等考試 應用地質技師 工程地質學（包括水文地質學） 考古題詳解

核心觀念

地熱系統能否形成並供開發，須同時具備三項條件：熱源、儲集層與流體通道。熱源可來自岩漿活動、地函熱流上湧，或造山作用中深埋岩體所保存的熱；儲集層須有足夠孔隙或裂隙空間；斷層、節理等構造則可讓地下水循環至深部受熱，再沿通道上升。若有低滲透性的蓋層，還能使熱流體在儲集層中聚集。

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊交界，呂宋島弧與中國大陸邊緣碰撞形成造山帶；東北部另受琉球島弧隱沒、弧後張裂及岩石圈減薄影響。碰撞、張裂、抬升與斷層活動共同造成高熱流與密集裂隙，因此地熱潛能呈現明顯區域差異。判讀時不可只看地表溫泉，還須確認熱源位置、深部構造、流體補注及儲集層條件。

解題方法

依序從「板塊構造背景 → 熱源機制 → 儲集層與流體通道 → 適合的調查方法」分析各地。調查工作由區域尺度逐步縮小至場址尺度：

1. 區域地質與構造調查：整理地質圖、地層與岩性、活動構造、斷層及線形構造，配合野外露頭、裂隙與斷層量測，研判熱液通道及構造應力。
2. 地表地熱徵兆調查：調查溫泉、噴氣孔、熱液蝕變及地表溫度；採集溫泉水、氣體與岩石樣本，分析主要離子、微量元素、氣體組成、同位素與礦物，以推估流體來源、深部溫度及混合或冷卻情形。
3. 地球物理探勘：依地質環境選用大地電磁法（MT）、電阻率影像剖面、重力、磁力、地震波速度結構及微震監測，推估地下岩性、熱液蝕變帶、裂隙構造及可能的熱源。
4. 鑽探與井測驗證：依前述成果選定探勘井，量測井溫與地溫梯度，進行岩心、岩屑、井下地質與地球物理井測，並以抽注水及產能試驗確認儲集層的溫度、滲透性、流量與補注能力。

地熱潛能區域特性與調查重點

一、宜蘭平原及周邊山區

宜蘭位於臺灣東北部，鄰近琉球島弧系統及沖繩海槽弧後張裂影響範圍。造山帶受到張裂與地塊下陷作用，岩石圈減薄、深部熱流較易上升；宜蘭平原及周邊山區又分布斷層、破碎帶與溫泉，具備熱源上湧和流體循環的有利條件。清水、土場、仁澤等地是重要地熱區，部分潛能與變質岩區的裂隙型熱水系統有關。

**調查重點：**平原沖積層覆蓋厚，地表露頭不足，須結合地震資料、重力與磁力調查、MT及電阻率剖面，辨識基盤深度、隱伏斷層及深部熱液通道；山區則加強斷層與裂隙測繪、溫泉水化學和氣體分析。探勘井須驗證平原下方及山區斷層帶的地層、溫度與透水性，並評估流體補注與儲集層連通性。

二、大屯火山群及北部火山區

大屯火山群位於琉球島弧西端，與隱沒作用、火山活動及深部熱源密切相關，屬火山型地熱系統，具有高溫潛能。火山岩、火山碎屑岩、熱液蝕變帶及火山構造共同控制流體循環；溫泉與噴氣等地表徵兆明顯。但熱液常呈酸性，流體可能造成管線與設備腐蝕，且火山活動與地質構造增加場址評估複雜度。

**調查重點：**除一般構造與裂隙調查外，應加強火山地質、熱液蝕變分布、噴氣與溫泉水化學、氣體及同位素分析，以判斷熱源與流體性質；

核心觀念

變質岩是原岩在未完全熔融的條件下，受到溫度、壓力、應力及流體作用，發生礦物重結晶、礦物相轉變、變形與組織改造後形成的岩石。原岩可為火成岩、沉積岩或較早形成的變質岩；變質作用通常保留固態岩石的連續性，若發生大量熔融，則已涉及岩漿作用。

變質岩工程性質主要受兩組因素控制：

1. 構造與組織：片理、劈理、片麻狀條帶、節理、褶皺及剪裂帶等，影響岩體的方向性、破壞面與地下水通道。
2. 礦物成分與組合：石英、長石、雲母、角閃石、方解石、滑石、蛇紋石等礦物，其硬度、解理、抗風化性及遇水反應各異，造成強度、耐久性與變形特性差異。

因此，工程判釋不能只以岩名判定強弱，還須考察岩體中的不連續面、風化程度、地下水及工程面向。

變質岩的成因特徵

變質作用的控制因素

• 溫度：促進礦物重結晶及新礦物生成；熱源包括地熱增溫及岩漿侵入。
• 壓力：埋藏造成的圍壓可促使礦物轉變；定向應力則使岩石產生變形、礦物定向排列或分異。
• 流體：熱液可加速化學反應、搬運離子並改變岩石成分；流體參與造成顯著化學交代時，常稱交代作用。
• 原岩成分與變質程度：原岩提供反應物，變質條件決定礦物組合及岩石組織。同一原岩在不同壓力、溫度及流體條件下，可形成不同變質岩。

主要變質作用類型

• 接觸變質：岩漿侵入周圍岩層，熱效應集中於侵入體周邊，形成接觸變質帶。岩石常呈緻密、細粒、非葉理構造，如角頁岩。
• 區域變質：廣大地區在埋藏、造山及定向應力作用下，經歷較廣泛的壓力與溫度變化，常形成板岩、千枚岩、片岩及片麻岩等具葉理或條帶構造的岩石。
• 動力變質：斷層或剪裂帶內的強烈變形及摩擦作用使岩石破碎、磨碎或重結晶，可形成斷層角礫岩、斷層泥及糜稜岩。
• 熱液變質：熱液沿裂隙或孔隙流動，造成礦物改變及化學交代，常與火成活動、裂隙帶或礦化作用相關。

變質岩常見構造

• 板狀劈理：細粒片狀礦物呈定向排列，岩石易沿劈理面剝離，如板岩。
• 千枚狀構造：具細密片理及絲絹光澤，片理面常呈微波狀。
• 片理：雲母等片狀礦物定向排列形成顯著面狀構造，如片岩。
• 片麻狀條帶：石英、長石等較粗粒礦物與暗色礦物分帶排列，如片麻岩。
• 非葉理構造：礦物未呈明顯定向排列，如大理岩、石英岩及角頁岩。

解題方法：由構造與成分推估工程性質

答題時先指出變質岩是原岩受變質作用改造的產物，再分別從構造與成分推論工程行為。構造判讀重點是辨識弱面及其與工程開挖面的幾何關係；成分判讀重點是評估礦物本身的強度、解理、耐久性及遇水反應。最後將兩者連結至岩體強度、變形、滲水與風化。

構造對工程性質的影響

1. 葉理造成方向性與強度差異

片理、劈理及片麻狀條帶使岩石呈現異向性。平行葉理方向與垂直葉理方向的抗壓強度、抗拉強度、彈性變形及剪切強度可能不同。雲母富集的葉理面常是較弱的滑動面，岩石可能沿葉理面剝落或剪裂。

2. 葉理與坡面、隧道的相對方位影響穩定

核心觀念

自然邊坡工址調查的重點，是掌握坡體及其周邊的地形、地質、水文與既有變形，據以判斷可能的破壞型態、破壞範圍與影響因子，並提供穩定分析、設計、施工及監測所需資料。自然邊坡的調查範圍不能只限於坡面，也須涵蓋坡頂集水區、坡腳及可能延伸的滑動範圍。

調查結果常用於建立地質模型，並進行邊坡穩定分析。以抗剪強度表示時，土體有效應力莫爾—庫侖準則為：

其中 $c'$、$\phi'$ 分別為有效凝聚力與有效摩擦角，$\sigma$ 為總正向應力，$u$ 為孔隙水壓。調查須能提供地層與不連續面資料、材料強度，以及地下水與孔隙水壓條件，才能合理評估抗剪強度與穩定性。

解題方法與調查項目

作答宜依「先看地形與災害跡象，再查地層構造與材料，接著查地下水，最後取得分析參數並持續監測」的順序，逐項寫明調查內容及目的。

核心觀念

本題考查飽和含水層中溶質如何隨地下水移動、擴散及改變濃度分布。主要機制包括平流、機械弥散、分子擴散與化學反應；實際污染羽流通常是多種機制同時作用的結果。

飽和地下水溶質傳輸常以對流—弥散方程描述。對均質含水層中的保守性溶質，可寫成：

其中，$C$ 為溶質濃度，$t$ 為時間，$\mathbf{v}$ 為孔隙水平均線速度，$\mathbf{D}$ 為水動力弥散係數張量。若考慮吸附、衰變或其他反應，方程還須加入相應的反應項。

解題方法：逐一說明傳輸機制

一、平流（advection）

溶質隨地下水整體流動而遷移，傳輸方向主要由水力梯度決定。達西定律給出單位總截面積的流量：

其中 $K$ 為水力傳導係數，$h$ 為水頭。溶質實際隨孔隙中的水移動，其平均線速度為：

$n_e$ 為有效孔隙率。平流主要造成污染物隨水流向下游搬移；在理想均勻流場中，平流本身不會使溶質雲團展寬。

二、機械弥散（mechanical dispersion）

地下水通過孔隙介質時，各條流線的路徑與流速不同，使溶質團塊逐漸展寬。其成因包括：

• 縱向弥散：沿主要地下水流向的展寬，縱向弥散度通常大於橫向弥散度。
• 橫向弥散：垂直於主要流向的展寬，包含水平橫向及垂直方向的展寬。

常以弥散度與孔隙水流速表示弥散係數：

其中 $\alpha_L$、$\alpha_T$ 分別為縱向與橫向弥散度，通常 $\alpha_L>\alpha_T$。弥散會使溶質濃度分布變寬、峰值濃度降低，但不等於溶質質量消失。