111 專技高考高等考試 採礦工程技師 地質與礦床 考古題詳解

核心觀念

本題評量採礦工程技師在「構造地質學」、「礦床學」與「經濟地質學」領域中五個極具指標性之基礎專有名詞。考點涵蓋：

1. 背斜（anticline）：幾何形態、地層年代相對關係及流體／礦化圈閉機制。
2. 交代作用（metasomatism）：熱液系統中固相與液相之化學質量傳遞與等體積置換規律。
3. 成礦區域（metallogenic province）：宏觀板塊構造、地質演化與金屬元素時空富集成礦規律。
4. 網狀脈（stockworks）：水力壓裂機制、礦化型態特徵與大規模採礦工程的相容性。
5. 鐵帽（gossan）：硫化物氧化淋濾、風化殘積與次生富集作用及其探礦指標意義。

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解題方法

名詞解釋題每小題佔 4 分，閱卷評分重點在於「精準定義」與「礦業／地質應用價值」。解題架構採「三層次答題法」展開：

1. 定義與形態特徵：給出嚴謹學術定義與判別條件（年代、幾何特徵、成分）。
2. 形成機制／地質作用：闡明成因動力學或物理化學過程（應力狀態、流體作用、化學反應）。
3. 採礦地質與經濟意義：列舉在礦產探勘、採礦開採工程或礦床賦存上的實務意義與典型實例。

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解題技巧

1. 背斜的判斷陷阱：切勿僅回答「向上彎曲的岩層」，必須點出「核部地層較老、翼部地層較新」的相對年齡關係，以區分向形背斜（antiform）與背斜（anticline）。
2. 交代作用的本質：必須強調「開放系統」與「化學成分改變」，以有別於等化學變質作用（isochemical metamorphism）；並提及「等體積置換原則（Lindgren's law of equal volume）」。
3. 鐵帽與找礦實務：務必寫出硫化物氧化與水解反應，以及下部對應的「次生富集帶（supergene enrichment zone）」，這是採礦技師探礦極關鍵的考點。

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【答案】

(一) 背斜（anticline）

1. 定義與幾何特徵： 背斜是指岩層受構造應力（主要為水平擠壓應力）作用向上凸起彎曲的褶皺構造。其幾何鑑別關鍵在於地層層序關係：褶皺的核部（軸部）為相對較老的岩層，而兩翼則為相對較新的岩層，且兩翼地層傾向通常向外傾斜。
2. 形成機制： 主要發育於擠壓構造環境（如造山帶、褶皺衝斷帶），地層在未超過脆性破裂極限前，由彎滑作用（flexural slip）或彎流作用（flexural flow）塑性變形而成。
3. 採礦與經濟地質意義：

• 油氣圈閉：背斜頂部常因具備不透水蓋層，構成最典型的「背斜圈閉（anticlinal trap）」，富集密度較小的石油與天然氣。
• 礦床賦存：在褶皺彎曲軸部，層間常因拉張剪切形成虛脫裂隙，提供熱液沉澱空間，發育著名的鞍狀脈（saddle reef）金礦（如澳洲 Bendigo 金礦床）。

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(二) 交代作用（metasomatism）

1. 定義與核心特徵： 交代作用是指岩石受熱液或揮發流體作用時，流體與原岩固相礦物之間發生化學物質交換，導致岩石的整體化學成分與礦物組成發生實質性改變的地質作用。過程通常在固態下進行，且普遍遵循「等體積置換規律」（Lindgren's law of equal volume）。
2. 作用機制： 屬於開放體系的熱液地球化學作用。高溫熱液沿著岩石微裂隙滲透擴散，依據化學位差（chemical potential gradient），帶入外來組分、帶走岩石既有組分，使舊礦物溶解並同步析出熱力學更穩定的新礦物。
3. 採礦與經濟地質意義： 交代作用是諸多熱液礦床的核心成礦機制。

核心觀念

本題測驗「野外地質調查學」與「沉積地質學」中極為關鍵的示頂構造（Way-up structures / Geopetal structures / Facing indicators）。

在構造變質強烈或造山帶區域（如逆衝斷層帶、倒轉褶皺之倒轉翼），地層常受到構造應力擠壓而發生傾角反轉，形成倒轉層（Overturned bed）。野外無法單純依據地層產狀（走向與傾向）判斷新老關係，必須藉由沈積岩沉積過程中原生的非對稱性幾何特徵，辨識沈積時的原始垂直方向（即指示朝向「頂面（Top / Stratigraphic up）」或「底面（Bottom）」），進而判定地層是否倒轉。

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解題方法

切入點在於選擇野外露頭最常見、幾何形態最穩定、且在垂直剖面或層面上具備明確「頂底極性（Polarity）」的原生沉積構造。論述時針對每一種構造依序說明：

1. 構造名稱（中英文）
2. 正常沈積狀態之幾何特徵與形成機制
3. 倒轉時之野外判別準則

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詳細解說：四種判斷地層倒轉的沉積構造

1. 粒級層理（遞變層理，Graded Bedding）

• 正常特徵與機制： 常見於濁流沉積物（濁積岩，Turbidites）的鮑瑪序列（Bouma sequence）A段。當水流能量由強漸弱時，懸浮物質依粒徑與重量先後沉降，在單一沉積層內呈現**底部顆粒最粗（砂級或礫級）、向上逐漸變細（粉砂至泥級）**的「正粒級（Normal grading）」，且該層與下伏岩層交界常呈清晰之侵蝕沖刷面。
• 倒轉判別： 若在野外露頭中觀察到粗粒沉積物位於層面上部，細粒物質反而位於下部（且排除碎屑流等罕見逆粒級環境後），或是侵蝕突變面出現在上方，即代表該地層已被倒轉。

2. 交錯層理（交錯紋理，Cross-Bedding）

• 正常特徵與機制： 由風或單向水流推移砂質沉積物移動（砂丘或沙波前進）所形成。主層理內部的前積紋層（Foreset laminae）具有明顯的幾何截切關係：前積紋層的頂部被上覆地層以較高角度侵蝕截切（Sharp/Erosional truncation）；底部則以漸近、平緩的切線弧度整合接觸下伏岩層（Tangential / Asymptotic base），整體呈現凹面向上（Concave upward）的幾何形貌。
• 倒轉判別： 若前積紋層呈現下部被高角度截切、上部呈平緩漸近弧度接觸，或紋層凹面朝下彎曲，即判定地層呈倒轉狀態。

3. 對稱波痕（波浪波痕，Wave / Oscillation Ripple Marks）

• 正常特徵與機制： 常見於淺水湖泊或潮間帶等受對稱往復水波擾動的沉積環境。在垂直剖面觀察，正常成型的波浪波痕具有尖銳或狹窄的波峰（Crest，指向天空／頂部）以及平緩、寬圓的波谷（Trough，朝向地心／底部）。
• 倒轉判別： 若在橫截面發現波痕幾何形態呈現「尖銳處朝下、圓滑寬廣處朝上」（即倒立的波峰與波谷），表示地層已被翻轉倒置。

4. 泥裂（乾裂，Mud Cracks / Desiccation Cracks）

• 正常特徵與機制： 泥質沉積物露出水面曝曬乾燥時，因失水體積收縮，在層面上形成多邊形龜裂。

核心觀念

本題考查地熱資源探勘、水文地質學及水質地球化學調查中「地熱溫泉水現場量測項目」與「微量金屬樣品採樣及保存技術規範」。依據命題當年（民國 111 年）行政院環境保護署公告之水質檢驗採樣及保存通用原則（NIEA W102）與水文地質調查慣例：

1. 現場量測性質（In-situ Parameters）：地熱溫泉水自高溫、高壓之深部地層流出至地表大氣環境時，水氣平衡、氧化還原狀態及溶解氣體分壓會產生劇烈變化，導致易變性物理化學性質迅速失真，因此必須於湧出點現場即時測定。
2. 微量金屬樣品採集與保存（Sampling and Preservation of Trace Metals）：微量金屬（如 $\text{As}$、$\text{Pb}$、$\text{Cd}$、$\text{Cu}$、$\text{Zn}$、$\text{Fe}$、$\text{Mn}$ 等）在水樣中極易發生「水解沉澱」、「被容器壁吸附」或「共沉澱於氧化鐵/錳膠體」，故採樣必須嚴格遵循「過濾去雜質、酸洗容器、加酸酸化固定、低溫冷藏」之規範程序。

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解題方法

本題屬標準的專技高考申論題，答題架構應劃分為兩大主軸切入：

1. 現場量測性質的判斷切入點：從「不穩定性（易受溫度散失、降壓脫氣、空氣氧化影響的參數）」逐一條列關鍵指標，並清楚交代「為何必須在現場量測」的物理化學成因（如氣體逸散導致碳酸平衡偏移、低氧還原態受氧氣氧化等）。
2. 微量金屬採集與保存的切入點：依照標準作業流程（SOP）開展，涵蓋「容器材質挑選與前處理 $\to$ 現場過濾（區分溶解態金屬）$\to$ 酸化添加試劑與標的 $\text{pH}$ 值 $\to$ 密封冷藏溫度 $\to$ 品保品管（QA/QC）」完整生命週期。

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選項分析

本題為申論題型，無選項。針對題旨兩大子題之評分核心要素拆解分析如下：

1. 子題一：現場量測性質

• 水溫（Temperature）：離開泉口即與周遭大氣進行熱交換降溫，影響各項化學平衡常數，必測。
• 酸鹼值（$\text{pH}$）：水中溶存之揮發性氣體（如 $\text{CO}_2$、$\text{H}_2\text{S}$）逸出後，碳酸解離平衡移動（$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$），會使 $\text{pH}$ 迅速上升，實驗室數值無法反映深部原始狀態。
• 導電度（Electrical Conductivity, EC）：代表水中總溶解固體（TDS）離子總量，需於現場測定並同步進行溫度校正（補償至 $25^\circ\text{C}$）。
• 氧化還原電位（ORP / Eh）：地下水熱流體通常處於深部缺氧或強還原環境，一旦接觸空氣，鐵、錳、硫化合物迅速氧化，電位大幅升高。
• 溶氧量（Dissolved Oxygen, DO）：原生地熱水含氧極低，接觸空氣後溶氧量快速增加。
• 湧水量／流量（Flow Rate）：水文物理產能評估參數，不可於實驗室重現。

2. 子題二：微量金屬採集與保存

• 容器限制：不可使用普通玻璃瓶，因玻璃易溶出微量金屬（如 $\text{B}$、$\text{Si}$、$\text{Na}$）且內壁矽醇基易吸附重金屬陽離子；必須選用經酸洗清洗之塑膠容器（HDPE 或 PTFE/FEP）。
• 現場過濾關鍵：欲分析「溶解態微量金屬（Dissolved Trace Metals）」，必須於現場立即以 $0.45\,\mu\text{m}$ 濾膜過濾；若帶回實驗室才過濾，沉澱形成或顆粒溶出將嚴重扭曲溶解態與懸浮態之分相比例。
• 酸化保存條件：加入高純度濃硝酸（Trace Metal Grade $\text{HNO}_3$）調整至 $\text{pH} < 2$，利用強酸抑制金屬水解為氫氧化物沉澱，並促使金屬離子解離為游離態以避免吸附於容器內壁。
• 儲存與運送：注滿容器排除頂部氣體空間，於 $4^\circ\text{C} \pm 2^\circ\text{C}$ 避光冷藏運送，以抑制化學與微生物活性。

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解題技巧

1. 現場量測口訣：「溫、酸、導、氧、位、量」（水溫、$\text{pH}$、導電度、溶氧量、氧化還原電位、湧出流量）。
2. 微量金屬採樣規範標準三要素：

• 膜：$0.45\,\mu\text{m}$ 現場濾膜過濾（區分溶解態金屬）。

核心觀念

本題評量金屬礦床探勘中「土壤地球化學探勘」（Soil Geochemical Exploration）的完整標準作業程序（SOP）與地質學原理解析。核心概念包含：

1. 次生分散暈（Secondary Dispersion Halo）：隱伏或出露的基岩礦體經風化、侵蝕、地下水淋濾及毛細作用，在覆蓋的風化殼及土壤層中形成範圍遠大於原生礦體的化學元素富集區。
2. 土壤剖面層位學（Soil Horizons）：風化殼垂直分帶自上而下為有機層（O層）、淋溶層（A層）、澱積沉澱層（B層）、母質風化層（C層）與基岩（R層）。金屬離子在各層之吸附、富集特性不同，採樣層位的一致性是探勘成敗關鍵。
3. 元素地球化學特徵：目標元素（Target Elements，如 $\text{Au}$、$\text{Cu}$）與指示元素（Pathfinder Elements，如 $\text{As}$、$\text{Sb}$、$\text{Hg}$、$\text{Mo}$、$\text{Bi}$）的活動性、富集機制差異。
4. 地球化學基底與異常判別：利用統計方法區分背景值（Background, $C_0$ 或 $\mu$）與異常閾值（Threshold, $T$），經典統計學界定為： $T = \mu + 2\sigma$ 或利用累積頻率分佈曲線之轉折點進行異常圈定。

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解題方法

本題為典型的工程實務型申論題，答題架構應緊扣探勘流程的生命週期，以「專業工程師技術報告」之層次分五大子題逐項推進：

1. 規劃階段：強調「因地制宜」，依據礦床模型（如斑岩型、熱液脈型、矽卡岩型）預判元素組合，並以測網佈設及「前期試驗（Orientation Survey）」確立參數。
2. 採樣階段：聚焦於「採樣層位（首選 B 層）」、「採樣器具抗污染規範」及「代表性樣品採集」。
3. 處理與分析階段：依序說明「乾燥與防揮發」、「粒徑過篩（如 $-80\text{ mesh}$）」、「溶礦消化（王水/多酸）」及「儀器分析（ICP-MS/ICP-OES）」，並貫穿 QA/QC 規範。
4. 資料整合評估：由「單變量與多變量統計」進階至「GIS 地質–地物–地化綜合疊合分析」，圈定探勘靶區（Target Generation）。
5. 注意事項：指認假異常（False Anomaly）、地形位移、有機質/鐵錳吸附干擾及污染源防範。

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選項分析

本題為專技高考之申論題，非選擇題，故無個別選項之對錯辨析。考生在考場上應將此題的評分點落實在五個子題的結構化作答，各子題的權重均衡（各約佔 4～5 分，總分 20～25 分），切忌偏廢任何一小項。

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解題技巧

1. 關鍵字踩分法：閱卷委員極度重視專業術語，必須精準寫出「導向試驗（Orientation Survey）」、「B層澱積層」、「$-80\text{ mesh}$（$177\,\mu\text{m}$）」、「王水消化（Aqua Regia）」、「ICP-MS」、「$\mu + 2\sigma$」、「假異常（False Anomaly）」。
2. 作答結構佈局：每一子題均以「條列式＋粗體小標」呈現，論述邏輯採「目的 $\to$ 方法 $\to$ 成果」，展現資深採礦技師之工程邏輯。
3. 常見失分陷阱：

• 採樣未說明選取特定層位，誤答「隨機挖取表土」（表土易受地表人為或有機質嚴重污染）。
• 樣品乾燥過程誤寫高溫烘烤（會導致 $\text{Hg}$、$\text{As}$ 等揮發性指示元素散失）。
• 忽略分析品質控制（QA/QC，如標準品、重複樣、空白樣）。

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【答案】

於具金屬礦床潛能地區進行土壤地球化學探勘，其完整作業流程及技術要點說明如下：

(一) 規劃（Exploration Planning）

1. 基礎地質與環境資料蒐集：

• 蒐集工區的地質圖（構造、地層、岩性）、遙測影像、水系沉積物前導資料、地形氣候與風化歷史（紅土化、溫帶或乾旱風化）。

2. 前期導向試驗（Orientation Survey）：

• 在已知礦化出露點或典型剖面上預先進行小規模試驗，用以決定：最佳土壤採樣層位（如 B 層）、最佳篩分粒級（如 $-80\text{ mesh}$ 與 $-200\text{ mesh}$ 比較）、最佳消化酸液體系及目標與指示元素組合。

3. 測網與測線佈設（Sampling Grid Design）：

• 測線方向：垂直於區域控礦構造、地層走向或主要成礦岩體接觸帶。
• 採樣網密度：依探勘階段而定：
• 普查階段（Reconnaissance）：採用大間距測網，如 $200\,\text{m} \times 50\,\text{m}$ 或 $400\,\text{m} \times 100\,\text{m}$。
• 詳查與靶區驗證（Detailed）：加密至 $50\,\text{m} \times 20\,\text{m}$ 或 $25\,\text{m} \times 10\,\text{m}$。

4. 成礦元素組合與指示元素確定：

• 針對目標金屬（如金、銅、鉛、鋅）選定伴生指示元素（Pathfinder Elements）。例如：探勘金礦（$\text{Au}$）常選用活動性高、氣相暈寬廣之 $\text{As}$、$\text{Sb}$、$\text{Hg}$、$\text{Bi}$；探勘斑岩銅礦（$\text{Cu}$）則搭配 $\text{Mo}$、$\text{W}$、$\text{Ag}$、$\text{Pb}$、$\text{Zn}$。

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(二) 採樣（Soil Sampling）

1. 採樣層位選擇：

• 首選 B 層（澱積層 / Illuvial Horizon）：此層富含次生黏土礦物及鐵錳水合氧化物，對金屬陽離子具強吸附能力，最能忠實反映基岩次生分散暈，且受地表有機質與雨水直接沖刷的干擾最小。
• 避開 A 層（淋溶層）與 O 層（腐植層）：避免淋溶作用造成元素流失或有機質造成非礦化富集。若處於極端風化剝蝕區無典型 B 層，則採集 C 層（殘積母質層）頂部。

2. 採樣工具與操作規範：

• 使用手搖螺旋鑽（Soil Auger）、不銹鋼鏟或洛陽鏟取樣。
• 嚴禁使用含鋅、黃銅或鍍鉻工具，杜絕金屬工具磨損對微量元素的污染。

3. 樣品規格與紀錄：

• 每一採樣點採集約 $300 \sim 500\,\text{g}$（若含金顆粒效應嚴重需增至 $1\,\text{kg}$）之土壤樣品。
• 裝入透氣性高、耐濕之專用牛皮紙地化樣袋（Kraft Paper Bags），防止樣品發霉。

核心觀念

本題旨在評量採礦工程技師對「外生礦床學（Exogenetic Ore Deposits）」中機械式沉積礦床（Mechanical Sedimentary Deposits，地質學與採礦實務上通稱砂礦床，Placer Deposits）的掌握程度。

核心概念涵蓋：

1. 沉積成礦作用機制：原生含礦岩體經風化解離後，藉由外力介質（重力、流水、波浪、風等）搬運，利用有用礦物與脈石礦物間的物理性質差異（比重、硬度、韌度、化學穩定度），在水動力條件改變（流速減緩）處產生物理分選與沉降聚集。
2. 水動力分選原理：粗粒或高比重顆粒依循斯托克斯沉降機制（Stokes' Settling Velocity）： $v = \frac{2 r^2 (\rho_s - \rho_f) g}{9 \eta}$ （其中 $r$ 為顆粒水力半徑，$\rho_s$ 為礦物密度，$\rho_f$ 為流體密度，$\eta$ 為流體黏滯係數，$g$ 為重力加速度），密度極高的有用礦物在搬運能量驟降時率先沉澱於特定幾何陷阱中。
3. 沉積環境與分類：殘積、坡積、沖積（河流）、海濱及古代古砂礦床（Paleoplacers）之環境特徵與代表性賦存礦種。

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解題方法

本題為標準申論題，答題架構應以「三階段系統化剖析」切入：

1. 成因拆解：從「母岩風化解離 $\rightarrow$ 流體搬運與機械耐磨淘汰 $\rightarrow$ 水力分選與地貌陷阱富集」之連續地質作用循序陳述，並引入流體動力學觀點強化說服力。
2. 特色提煉：從「礦物物理與化學特徵」、「產狀與地質年代」、「開採與選冶經濟性」三個維度歸納，展現兼具地質與採礦工程的宏觀視野。
3. 實例歸納：按沉積營力與沉積環境分類列舉（河流型、海濱型、古砂礫岩型），並具體寫出「礦物名稱」與「全球／台灣知名礦區」，切忌僅列出空泛的元素名稱。

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選項分析

本題為專技高考申論題，非選擇題。作答時應將題目的三個子題（成因、特色、代表性礦床）建立嚴整的條列結構，避免雜糅：

• 子題一（成因）：必須凸顯「物理分選」與「化學耐受性」，區隔於化學沉積礦床（如蒸發岩、條帶狀鐵礦 BIF）。
• 子題二（特色）：重點答出高比重、高耐磨、淺埋藏、鬆散未固結、重選易回收等工程特質。
• 子題三（實例）：必須包含貴金屬（金、鉑）、稀有金屬/重砂（錫石、鋯石、鈦鐵礦、獨居石）及非金屬寶石（鑽石、剛玉），並區分現代砂礦與古砂礦。

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解題技巧

1. 成礦三要件口訣：「比重大、硬度高、化學惰性強」。非此三條件之礦物無法耐受長途搬運，必於搬運過程中被磨碎溶解。
2. 常見陷阱與扣分點：

• 陷阱一：僅回答「河流沖積形成」，忽略了殘積、坡積、海濱碎浪及冰川沉積等其他營力。
• 陷阱二：遺漏「古砂礦床（Paleoplacers）」。許多歷史級巨型金礦（如南非蘭德金礦）本質上是固結成礫岩的古代機械沉積礦床，漏答此項將難以取得滿分級距。
• 陷阱三：混淆「砂礦重選」與「浮選／化學冶煉」。砂礦最大經濟優勢在於礦物已單體解離（Liberated），採礦後多直接透過比重選礦法（跳汰機、搖床、螺旋選礦機）回收。

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【答案】

一、機械式沉積礦床之成因

機械式沉積礦床（砂礦床，Placer Deposits）係指原本賦存於火成岩、變質岩或熱液礦脈中的有用礦物，經地表外生營力作用而發生解離、搬運、物理淘選並在有利地貌構造中富集形成的次生礦床。其具體成因經歷以下三個關鍵地質階段：

1. 原岩風化與單體解離階段（Weathering and Liberation）： 含礦母岩或原生脈礦出露地表，經歷長期的物理風化（溫差破裂、凍融）與化學風化（水解、氧化）。圍岩與常見脈石礦物（長石、雲母、方解石等）易風化泥化或溶解，而具高度化學惰性與物理韌性的有用礦物則自原岩中脫落解離，形成單體碎屑顆粒。
2. 外力介質搬運與耐磨淘洗階段（Transportation and Mechanical Milling）： 解離之碎屑受重力、地表逕流（暴流、河川）或海浪拍擊而搬運。在搬運過程中，顆粒相互碰撞摩擦，質脆、解理發達或抗磨蝕力弱的脈石被粉碎成細泥隨懸移載重（Suspended load）被沖走；殘留的堅硬耐磨顆粒則沿底質呈推移載重（Bedload）滾動位移。
3. 水力分選與沉降沉積階段（Hydraulic Sorting and Concentration）： 流體遵循水力分選原理。