構造地質（師大）

老師著重的投影片重點

老師著重的投影片重點

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這頁在回答：投影片很長，哪些是考試會用到的？依講次列出「考題會直接用到」的投影片內容，並標出對應的考題（→）。完整觀念請連到台大〈地球構造〉的章節。

Lecture 01　Preface and Overview

  • 尺度觀：要了解大陸變形 → 山脈 → 褶皺與斷層 → 原子尺度的韌性與脆性變形機制。地質學是歷史性也是解釋性的科學。
  • 造山理論的演變：岩漿上推、地球冷卻收縮 → James Hall 地槽說 → Wegener 大陸漂移 → Holmes 地函對流 → Hess 海底擴張。
  • 地質構造的七種分類（老師列得很完整，可用在名詞比較）：
    分類依據類別
    I 形狀平面、曲面、線狀
    II 地質意義原生與非構造（原生、局部重力、局部密度倒轉如鹽丘、液壓）vs 次生（構造）
    III 形成時間同沉積（波痕、交錯層、生長斷層）、半同期（焰狀構造）、成岩後（節理）
    IV 變形機制破裂、摩擦滑動、塑性、擴散
    V 內聚程度脆性（節理、斷層）、韌性（褶皺、葉理）、脆韌性（膝折）
    VI 應變壓縮、伸張、走滑
    VII 分布連續、均透（penetrative，劈理）、局部（斷層）、孤立
  • 應力 σ = F／A；σv = ρgh：地下 1000 m 花崗岩（2700 kg/m³）約 26.5 MPa ≈ 265 bar。
  • 變形 = 剛體平移 + 剛體旋轉 + 扭曲（distortion，形狀變） + 膨縮（dilation，體積變）；扭曲 + 膨縮 = 應變。均勻 vs 非均勻變形 → B 名詞比較。
  • 構造解析六層次：形態、應變、運動、動力、力學、大地構造解析。觀察尺度：微、中、巨、宏觀。
  • Steno 法則：原始水平、上下疊置、原始側向連續、包裹、截切、化石同類同層。最不嚇人原則（Occam's razor）；觀察和解釋要分開。
  • 位態：面 090°/45°N（走向／傾角）= 000°/45°（傾向／傾角）；線 30°/315°（傾沒／傾沒方向）。→ A 位態換算。HW1：Table 1.2 的名詞（apparent dip、attitude、cross section、dip、foliation、lineation、pitch、plunge、plunge direction、profile plane、rake、strike、trace、trend）。

Lecture 02　Primary and Nontectonic Structures → C1

  • 原生構造：顆粒集結後、固結前，只受重力作用形成（壓密、滑移）；次生構造：集結後受外力。
  • 地層單位：超群 > 群 > 層 > 段 > 岩層（bed，最基本）。層面標為 S₀；facing／younging direction（變年輕的方向）、current direction。
  • Facing indicators：粒級層理（濁流、Bouma 序列）、交錯層理（offlap、onlap）、表面印痕（動物足跡、礫石覆瓦、槽鑄型、泥裂、雨滴印痕、波痕、牽引線理、蟲孔）、碎屑岩脈、荷重鑄型（ball-and-pillow）。Hjulström–Sundborg 圖：流速與沉積構造。
  • 接觸面三種：沉積、斷層、侵入。沉積接觸：整合 vs 不整合（假整合、交角不整合、非整合），hiatus。
  • 壓密與成岩構造：泥岩 → 頁岩（parting）；不等量壓密 → 縮小膨脹構造（pinch-and-swell）；壓溶 → 凹坑礫石（pitted pebble）、縫合線、鐵鏽紋（Liesegang banding）。
  • 半同期構造：碎屑流（基質支撐、淘選差）、滑移（slumping）、層間構造（intraformational）。
  • 鹽構造：鹽密度低（2.2）、不可壓縮、黏度低；鹽枕 → 鹽丘 → 鹽柱 → 鹽篷；鹽丘上方的正斷層群；重力驅動的鏟狀正斷層與滾動背斜。
  • 火成構造：岩脈（斜交層面）、岩脈群（環狀、放射狀）、岩床（平行層面）、岩蓋；混合岩、捕獲岩；繩狀熔岩、塊狀熔岩、枕狀熔岩、柱狀節理、流動葉理。
  • 撞擊構造：碎裂錐（shatter cone）、震波變質（石英 → 重矽石）、假玄武玻璃（pseudotachylyte，也可由斷層摩擦熔融形成）。

Lecture 03　Force and Stress → B、C4

  • 力：體力（∝ 質量）vs 面力（∝ 面積）；四種基本力；F = ma（a = 0 靜力學）。→ B Force vs Stress
  • 應力橢球：三個互相垂直的主應力軸與主應力；三種表示法：應力橢球、莫爾圓、應力張量（9 個分量）。→ B Stress vs Strain ellipsoid
  • 莫爾圓：σn = (σ1+σ3)/2 + (σ1−σ3)/2·cos2θ，τ = (σ1−σ3)/2·sin2θ；最大剪應力 = 軸差應力的一半，作用在法線與 σ1 夾 45° 的面上。→ C4、HW2
  • 軸差應力 σ1 − σ3：地殼只有幾百 MPa、地函幾十 MPa（但足以驅動地函流動）。
  • 平均應力 σm = (σ1+σ2+σ3)/3 → 改變體積；偏差應力 σdev = σ − σm → 改變形狀。→ B（每年幾乎都考其中一組）
  • 靜水應力／靜岩壓：σ1 = σ2 = σ3；Pl = ρgh；只改變體積。不均勻應力：三個主應力不等。→ B Hydrostatic vs Lithostatic
  • 單軸、雙軸、三軸應力狀態；Lithostatic／Hydrostatic state 的莫爾圓是一個點。

Lecture 04　Deformation and Strain → B、C3、HW3

  • 均勻應變的幾何結果：直線仍直、平行仍平行、圓 → 橢圓；尺度問題。
  • 縱應變：伸長率 e = (l − l₀)／l₀；拉長比 s = 1 + e；二次拉長比 λ = s²；X = s₁、Y = s₂、Z = s₃。→ B Stretch vs Elongation
  • 剪應變 γ = tanψ；變形前後保持垂直的兩條物質線 = 主應變軸 → 應變橢球。
  • Flinn 圖：a = X/Y、b = Y/Z、k = (a − 1)/(b − 1)；體積變化 Δ = (V − V₀)/V₀，Δ + 1 = XYZ；表觀扁平與表觀收縮（體積變化會讓點偏離 k = 1）。Ramsay 圖：ln a、ln b，K = ln a／ln b，等量增量走直線。應變強度 i = [(X/Y − 1)² + (Y/Z − 1)²]^½。→ C3（每年 20 分以上）
  • pure shear（共軸，kxky = 1）、simple shear（非共軸）、general shear；transtension（橫張）／transpression（橫壓）。→ B
  • 流動參數：速度梯度張量 L = S + W；運動渦度數 Wk = cos α（α 是兩條流動漸近線夾角）：pure shear 0、simple shear 1。
  • 板岩形成實例：天然板岩的扁平應變常需要約 50 % 體積損失（假設平面應變 k = 1 時）；剪切帶中 γ 可達 40。
  • HW3：由應變資料估計 ψ′ 與方位 θ′、解主應變與方位、畫應變莫爾圓、算面積膨脹。

Lecture 05　Rheology → C2、HW4

  • σij = Cijklεkl：力／應力、變形／應變、流變（兩者的關係）。同一物質在不同時間尺度下可像固體或液體。
  • 應變速率 ė = e／t：30 % 應變 1 天 → 3.5 × 10⁻⁶ /s；1 Ma → 9.5 × 10⁻¹⁵ /s；地質應變率 10⁻¹² – 10⁻¹⁵ /s；指甲 2 × 10⁻⁸ /s；隕石撞擊、火山爆發 10⁻² – 10⁻⁴ /s。剪應變率 γ̇ = 2ė。
  • 理想彈性（彈簧）：σ = Ee（Hooke），E 約 10² GPa；可恢復、瞬間、與時間無關（內部應變能）。剪力模數（剛度）τ = Gγ；波松比 ν = −e⊥／e∥（−1 到 0.5；岩石 0.25–0.35；軟木塞 0）；體積模數 K = E／3(1 − 2ν)，可壓縮度 = 1/K。→ C2、C4b
  • 理想黏性（唧筒）：σ = ηė，應變隨時間累積、永久；黏度 Pa·s（1 poise = 0.1 Pa·s）；水 10⁻³、地函 10²⁰–10²² Pa·s。
  • 塑性（滑塊）：超過降伏應力才有永久且連續的變形；微觀機制：差排、擴散、雙晶。理想塑性（St. Venant）、彈–理想塑性、彈塑性加工硬化。
  • 應變硬化（差排纏結）vs 應變軟化（粒徑變小、再結晶、流體）。→ B Work hardening vs Work softening
  • 組合模型（像電路串聯、並聯）：彈塑性、黏塑性（熔岩、油漆）、Kelvin（並聯，可恢復但延遲）、Maxwell（串聯，短期彈性、長期黏性，地函）、General linear。
  • 非線性：ė ∝ σⁿ（n > 1）；有效黏度隨應力或應變速率增加而減少（應力相依黏度）。
  • 潛變曲線（定差應力）：初期、穩態、加速三階段。實驗變因：圍壓、溫度、應變率、孔隙壓。
  • HW4：用 Excel 做岩石圈強度剖面：花崗岩上地殼、輝長岩下地殼、橄欖岩地函；Byerlee τ = C + μσn 與冪律潛變 ė = Aσⁿ exp(−Q/RT) 取小值。

Lecture 06　Brittle Deformation → C5、破壞準則題

  • 脆性變形：破裂成長、沿破裂或顆粒接觸滑動、顆粒旋轉與破碎。粉碎化（pulverization，> 100 /s）、碎裂作用與碎裂流（中尺度看起來是韌性）。
  • 破裂模式：Mode I（張開，⊥ σ3）、Mode II（滑動，⊥ 裂隙前鋒）、Mode III（撕裂，∥ 裂隙前鋒）。單軸 vs 三軸實驗的破壞方式。
  • Coulomb：τ = C + σn tanφ = C + μσn；Byerlee：τ = 0.85σn（σn < 200 MPa）、τ = 50 + 0.6σn（> 200 MPa）。von Mises 降伏應力；樣本越大強度越低。
  • 理論強度約 10 GPa，實際低很多 → Griffith 裂隙：材料中既存的微裂隙尖端應力集中；Griffith 準則 τ² + 4Tσn − 4T² = 0、C = 2T；Navier–Coulomb–Griffith 組合準則。→ 2020 期中
  • 應力強度因子 KI = σtY(πc)^½；裂隙長度和粒徑有關 → 細粒岩石比粗粒岩石強。翼裂隙、破裂終止與交互作用。
  • Amonton 摩擦定律：摩擦力與正向力成正比 → 既存斷層再活動 τ = μσn′。→ C5d、HW5

Lecture 07　Joints and Veins → 礦脈題

  • 節理：天然、未充填、平面或曲面的破裂；羽狀構造、扭梳紋（twist hackle，主應力方向旋轉時裂成雁行小節理）、節理間距與應變量（伸張越多節理越多）；野外調查：節理組、節理系、位態。
  • 礦脈分類（→ 2020 期中）：
    • 晶體形狀：自形、塊狀（blocky）、拉長、纖維狀（fibrous）；纖維脈又分同向（syntaxial）與反向（antiaxial）。
    • 成因：既存裂隙再活動；超壓：Pf > σ3、> σ2、> σ1 時可以張開不同方位的裂隙；自然水力破裂 τ = C − μ(σn − Pf)、σ3′ = σ3 − Pf < 0。
    • Crack-seal（一破即封）：裂隙一形成就被礦物充填，反覆形成纖維。纖維長軸 = 最大伸張方向。
    • 排列：平行脈群、網狀脈群（stockwork）、雁行脈（剪切帶中，長軸和帶邊界約 45°）、S 形雁行脈（中段被旋轉）。

Lab 01–02

  • Lab01 位態：走向是面和水平面交線與正北的夾角；象限式 0–90°、方位式 0–360°（三位數、右手法則）；真傾角在唯一的鉛直面上量；線的方位（bearing／trend）與傾沒角；rake（pitch）在線所在的面上量；羅盤、磁偏角；定位：卷尺羅盤、步測羅盤、三點交會、三角網。
  • Lab02 等值圖：等值線間距固定、不交叉、必閉合或被截切、重複等值線代表坡向反轉；V 字法則；構造等高線圖（關鍵層）、斷層在構造等高線圖上的表現（垂直斷層缺失、正斷層斷口、逆斷層重疊）；形態等高線圖；isopach（真厚度）vs isochore（鉛直視厚度）：水平層相等、傾斜層 isochore 較大。→ B（2019–2023 每年考）

期中考古題解答

名詞解釋總表

本頁目錄

Lecture 01　Preface and OverviewLecture 02　Primary and Nontectonic Structures → C1Lecture 03　Force and Stress → B、C4Lecture 04　Deformation and Strain → B、C3、HW3Lecture 05　Rheology → C2、HW4Lecture 06　Brittle Deformation → C5、破壞準則題Lecture 07　Joints and Veins → 礦脈題Lab 01–02