113 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

本題考查《地質與礦床》的四項基本名詞：構造地質中的褶皺、礦床學中的脈石、火成岩學中的金伯利岩，以及岩石圈內部的變質作用。作答時應分別交代其形成或組成、主要特徵與地質意義，並清楚區分容易混淆的概念。

解題方法

依「定義—特徵—地質意義」說明各名詞。褶皺要說明岩層如何變形；脈石要與有用礦物區分；金伯利岩要點出其岩石性質及與鑽石的關聯；變質作用則要界定作用條件，並說明它與風化、熔融的差別。

（一）褶皺（Fold）

**定義與形成：**褶皺是岩層或其他地質面受力後，產生連續彎曲變形的構造。常見成因是岩層在地殼水平擠壓下發生延性變形；其形成與岩石性質、溫度、壓力、埋藏深度及變形速率有關。

**主要構造：**褶皺的兩側稱為翼部，彎曲最明顯處為轉折部；連接各層轉折部的面稱為軸面，軸面與地表的交線稱為褶皺軸。常見類型包括背斜與向斜：背斜通常呈向上拱起，向斜通常呈向下凹陷；若依岩層新老關係判定，背斜核心通常較老，向斜核心通常較新。

**地質意義：**褶皺可反映岩層受力方向與區域構造變形歷史，也會影響地層分布及礦床、地下水與油氣的賦存位置。

（二）脈石（Gangue）

**定義：**脈石是礦石中與有用礦物伴生、但在特定採礦或選礦目的下沒有經濟價值的礦物或岩石物質。例如金屬礦石中的石英、方解石或黏土礦物，常被視為脈石。

**與礦石的關係：**礦石通常包含有用礦物與脈石；脈石並非必然是某些固定種類的礦物，其是否被稱為脈石，取決於礦床的開採目標與經濟條件。同一種礦物在一個礦床中可能是脈石，在另一個礦床中則可能具有回收價值。

**地質與採礦意義：**脈石的種類、粒度及與有用礦物的共生或嵌布關係，會影響破碎、磨礦、選礦流程及尾礦量，進而影響礦石的經濟價值。

（三）金伯利岩（Kimberlite）

核心觀念

表生富化作用是指地表附近的原生礦床，經風化、氧化與地下水循環後，金屬元素從上部淋出，向下搬運，並在較深處重新沉澱，使局部礦石品位提高的過程。它屬於地表作用形成的次生富集，與由深部熱液形成的原生（hypogene）礦化不同。

典型例子是斑岩銅礦中的次生硫化銅富集帶：地表附近的原生硫化物受氧化，銅被淋出並隨水下移；到達缺氧、較還原的環境後，銅再沉澱為輝銅礦等次生硫化物。

成因與作用過程

1. 原生硫化物露出或接近地表 隆升與侵蝕使原生硫化物礦床進入風化帶。含氧雨水、地下水沿裂隙與岩石孔隙下滲，氧化黃鐵礦及其他硫化物。

2. 硫化物氧化，產生酸性淋濾液 黃鐵礦氧化可產生硫酸與三價鐵離子，形成具有氧化性、酸性的水溶液。簡化反應式如下：

$\mathrm{FeS_2 + \frac{15}{4}O_2 + \frac{7}{2}H_2O \rightarrow Fe(OH)_3 + 2SO_4^{2-} + 4H^+}$

生成的酸性水溶液可溶解或搬運銅等金屬離子；上部也可能留下較不易溶解的鐵氧化物與氫氧化物，形成褐鐵礦質的鐵帽（gossan）。

3. 金屬向下淋移 含金屬離子的水溶液沿裂隙與孔隙向下滲流。上部因可溶性金屬被移走，形成淋失帶或氧化帶。金屬的搬運及保留程度，會受水的酸鹼度、氧化還原狀態、岩石滲透性及圍岩成分影響。

4. 在地下水面附近或其下方沉澱富集 水溶液向下進入氧氣供應不足、較還原的環境後，金屬離子溶解度降低，便與原生硫化物或硫反應，形成次生硫化物。

核心觀念

風化殘留礦床是岩石經長期風化後，易溶、易移動的成分被水溶解淋失，較難溶的有用礦物或元素則留在原地，因而相對富集形成的礦床。其富集方式以「移除脈石、留下有用成分」為主，亦稱殘積富集。

須與**沖積砂礦（砂礦）**區分：砂礦是風化產物經流水或海浪搬運、分選後，在異地沉積富集；殘留礦床則以原地風化殘留為主要特徵。若部分風化元素先被淋溶，再於下部重新沉澱，則可能兼有次生富集作用。

解題方法

可從「風化環境—母岩—物質移動—富集產物」依序說明：

1. 風化環境：高溫、多雨、排水良好且地形相對平緩的地區，有利於化學風化持續進行，也讓溶解物質不斷被帶走。
2. 母岩條件：母岩須含有可形成有用礦物的元素，例如富鋁岩石可形成鋁土礦；超基性岩可提供鎳、鈷。
3. 物質移動與殘留：長石、鎂、鈣、鈉、鉀及部分矽等較易分解、溶解或淋失；鐵、鋁等較不易移動的成分，或在風化帶內形成的次生礦物，則留在原地累積。
4. 長期保存：若侵蝕不致將風化殼大量剝除，且風化作用延續足夠時間，殘留物便可形成具有一定厚度與品位的礦體。

這類礦床通常不是由岩漿直接析出的原生礦體，而是地表或近地表風化作用重新集中元素的結果。

成因與特徵

風化殘留礦床主要由化學風化、溶解淋濾及殘積富集形成。雨水與含酸性成分的地下水進入母岩裂隙，使原生礦物分解；可溶成分隨水移出，難溶成分及特定有用元素則留在風化殼內。部分元素也會在剖面中移動，再於適當的化學環境下沉澱，因此礦體可呈現上下分帶。

常見特徵如下：

• 位置淺、常接近地表：多發育於土壤、紅土或風化殼內，風化殼下方可逐漸過渡至半風化母岩。
• 形態受地形與母岩控制：常呈毯狀、層狀或不規則覆蓋體，厚度及品位會隨地形、排水和母岩性質變化。

核心觀念

本題考查熱液礦床的形成機制與主要產物。熱液是含有溶解物質的熱水溶液，常含金屬離子、硫化物、氯化物或其他揮發性成分。熱液可由岩漿分異出的流體、地下水受熱循環，或變質作用釋出的流體形成；它沿岩石裂隙、斷層、孔隙與可滲透層運移，並與圍岩發生反應。

熱液中的金屬與成礦元素，會因溫度、壓力、酸鹼度、氧化還原條件、流體成分改變，或與其他流體混合而失去溶解能力，遂沉澱、結晶並聚集成礦體。

解題方法

作答可依「流體來源與運移 → 金屬搬運 → 物理化學條件改變 → 沉澱成礦 → 礦床產物與形態」說明，並補充熱液改變圍岩的作用。

1. 熱液形成並取得成礦物質 岩漿結晶晚期分離出的流體，或地下水循環至深部受熱後，能溶解、攜帶金屬及成礦元素。流體也可從岩石中淋取物質。

2. 熱液運移與交代 流體受熱浮力、壓力梯度及構造通道控制，沿裂隙、斷層、岩層孔隙等向上或側向流動。流體與圍岩反應時，可溶解部分原有礦物，並沉澱新礦物，形成交代作用與圍岩蝕變。

核心觀念

本題考查大屯火山群硫磺的火山噴氣成礦作用。硫磺是自然硫（native sulfur），主要成分為元素硫 $S$，常在火山噴氣孔、硫氣孔及溫泉周邊形成。大屯火山群的硫磺與地下熱液、火山氣體及地表氧化環境有關，屬於後火山作用的產物。

解題方法

作答可依「硫從哪裡來、如何形成、產在何處、呈現何種特徵」四個層次說明。

1. **硫的來源：**地下岩漿與熱液系統釋出含硫氣體，主要包括硫化氫（$H_2S$）及二氧化硫（$SO_2$）；含硫熱泉也可將硫帶至地表。
2. **硫的生成：**含硫氣體在噴氣孔附近冷卻、凝結，或與空氣中的氧接觸而氧化，析出自然硫。代表性反應如下：

硫化氫也可與二氧化硫反應生成自然硫：

3. **礦床的形成：**生成的硫可在噴氣孔周圍結晶，也可隨含硫熱水沉澱，滲入火山碎屑、土砂等鬆散堆積物中，形成硫磺礦床。
4. **產狀與伴生現象：**硫磺集中於噴氣孔、溫泉及熱液換質區附近；周圍岩石常受酸性熱液作用而發生換質，並可見矽化及含鐵硫化物、氧化物等伴生現象。

硫磺的特徵