第 8 章　節理與脈

這章在回答：節理是怎麼形成的？為什麼常常等間距、而且常限制在某些岩層裡？節理面上的紋路能告訴我們什麼？脈裡的礦物怎麼長、能告訴我們什麼？節理就是 Ch7 的張裂（Mode I），這一章把它放回真實的岩層。

考前 30 秒

1. 節理 ⊥ σ3，需要有效張應力 + 低差應力（直徑 σ1 − σ3 < 4T，圓才會先碰到張力點 −T）。
2. 地殼的真正張應力只在地表下幾百公尺；更深要靠孔隙壓：p_f > σ3 + T（水力破裂）。
3. 成因：埋藏（超壓）、構造（褶皺、斷層）、卸載（頁狀節理）、冷卻（柱狀節理、抬升冷卻）。
4. 節理間距 ≈ 層厚（應力陰影）；硬層（E 高、ν 低）先裂；節理散開、剪裂叢聚。
5. 羽狀構造指出傳播方向；T 型交會中停住、彎曲的是年輕的。
6. 流量 ∝ 開口的三次方（立方定律）。
7. 同向脈從壁往中間長、礦物同圍岩；反向脈從中線往兩壁長、纖維礦物不同於圍岩；纖維長軸 = 最大伸張方向。
8. 雁行脈：simple shear 時尖端和剪切帶夾 ~45°，中段旋轉 → S 形脈。

先認識的名詞

這一章的邏輯地圖

★ = 考試重點。每一節最後有「自我檢測」，先自己回答再打開。

1. 節理是什麼、為什麼重要

節理是一種開口位移極小、沿壁面幾乎沒有錯動的破裂，也就是 Ch7 的張裂（Mode I）。節理是「銳利的不連續面」：在顯微鏡下、手標本和露頭上都界線分明，而且岩石沿著它失去內聚力，這是節理化岩體很重要的力學性質。張開較大、含空氣或流體的叫裂縫；被流體帶來的次生礦物充填的叫脈。

節理和剪裂、斷層最大的差別是位移相對長度很小：節理的長度可以從 mm 到數百 m，但開口極小；剪裂和斷層的位移相對長度大得多。在長度–開口圖上，不同的節理族群落在稍微不同的區域，反映岩性和形成條件不同（p.5）。

分類：單一節理有規則（平面）和不規則之分；系統節理平直、平行、間距大致固定，非系統節理則不規則、不構成組。方向和形態相似的一群叫節理組，兩組以上叫節理系。

易錯：兩組高角度的「共軛」節理組，通常不是真的共軛。共軛剪裂是同時在同一個應力場下形成的一對剪裂（σ1 平分銳角）；兩組節理都是張裂、都 ⊥ 各自當時的 σ3，往往是不同時期、不同應力場下形成的（p.2）。

為什麼重要（p.1）：揭示古應力（⊥ σ3）；增加滲透率（水、熱液、石油、天然氣）；是岩漿的通道（岩脈）；可以再活動成斷層；降低邊坡穩定、控制落石；影響隧道和開挖面的穩定；控制侵蝕和地形；控制洞穴的形狀。

2. 形成條件：有效張應力 + 低差應力 ★

節理是張裂，所以垂直最小主應力 σ3、平行 σ1 和 σ2。形成節理需要兩個條件：

1. 有效張應力：有效的 σ3 要到達 −T（抗張強度）。
2. 低差應力：如果差應力太大，Mohr 圓會先碰到包絡線的剪力段，形成的是剪裂而不是節理。

用 Griffith 包絡線可以算出界線：拋物線在頂點（−T）的曲率半徑是 2T，所以只有當 Mohr 圓的半徑 ≤ 2T、也就是差應力 σ1 − σ3 < 4T 時，圓才能在碰到拋物線其他部分之前先碰到 −T 點。

問題是：地殼裡哪來的張應力？ 上覆岩層的重量讓壓應力隨深度增加，所以真正的張應力只在很淺的地方（通常地表下幾百公尺內）才可能出現。更深的地方，要靠孔隙壓把有效應力推到張力區（水力破裂）：

孔隙壓讓 Mohr 圓往左移、大小不變（Ch7），差應力小的話就碰到 −T，形成節理；σ3 有效值仍為正、差應力大的話則形成剪裂。

3. 地殼裡哪來的張應力：四種成因 ★

考古題：影響岩體中破裂面發育的因子有哪些？

(1) 埋藏：沉積物埋藏時孔隙迅速減少，孔隙流體要被排出。被不透水頁岩包住的砂岩，流體排不出去，就變成超壓、欠壓密的狀態。超壓是靠水力破裂形成節理和脈的主要驅動力。未固結的砂被超壓擠入裂縫，就形成砂岩脈（碎屑岩脈），它們是最接近節理和脈的一種軟沉積物構造。

(2) 構造應力與應變：

• Appalachian 高原的陡節理大致垂直 Alleghanian 期的褶皺軸（橫褶皺節理）：構造擠壓和縮短提高了沉積岩的孔隙壓，加上平行褶皺軸方向的少量伸張，形成垂直軸的節理。
• 應變造成的節理：褶皺外弧伸張，形成走向平行褶皺軸的節理；層平行縮短時的節理；地殼或岩石圈尺度的拱升（冰河消退的均衡回彈、碰撞、軟流圈的熱過程）也會造成節理。
• 和斷層有關的節理：正斷層活動區上盤的節理；逆斷層面不規則處上方的節理；沿斷層的羽狀節理（pinnate joints）；正斷層末端的馬尾狀、翼裂隙（例如砂岩中一條既有正斷層被輕微右移再活動）。

(3) 卸載（剝露）：侵蝕移除上覆岩層，垂直應力減小，經由泊松效應水平應力也減小，形成卸載節理。非常靠近地表時，自由面的存在變得重要：σ3 垂直地表，形成平行地表、受地形控制的頁狀（剝離）節理。典型例子是花崗岩體被侵蝕後，一層層平行地表的彎曲破裂把岩丘剝成洋蔥狀，例如優勝美地的半圓頂（Half Dome）。

(4) 冷卻：熔岩冷卻收縮形成柱狀節理；岩層抬升時的冷卻也讓水平應力下降（Ch4–5 的熱效應），硬層進入張應力。錫安國家公園棋盤台地上，水平的破裂順著層理、垂直的破裂和剝露時的冷卻與應力釋放有關，再被風化加強（Ch7 p.1）。

4. 節理的分布：為什麼等間距、為什麼限在某些層 ★

力學地層：沉積岩是不同力學性質的層疊在一起，有強硬層和軟弱層。抗流力（competency）描述一層岩石抵抗變形的能力；硬（stiff）的層楊氏模數 E 比鄰層高；強（strong）的層能承受較大的差應力（p.15）。例如夾在兩層頁岩之間的石灰岩，節理常常只發育在石灰岩裡、停在頁岩界面。

為什麼硬層先裂？（考古題：埋藏的砂頁岩層在剝露時怎麼破裂？）回到 Ch4–5 的埋藏–抬升模型：抬升時水平應力的下降速率由 E 和 ν 決定，E 高、ν 低的硬層（砂岩、石灰岩）下降得最快，先進入張應力；頁岩一直是壓應力。另外，硬層裡的差應力也比較大。

為什麼節理會散開、等間距？ 剪裂常常叢聚在一起，節理卻常常平均分散（p.16），有兩個模型解釋：

• 應力陰影模型：每條節理形成後，旁邊平行層面的張應力被釋放，要離開大約一個層厚才恢復到遠場應力。新的節理只能在陰影區外形成，所以節理會散開，而且間距和層厚成正比。
• 接觸力模型：硬層夾在軟層之間，拉伸時剪力從上下界面傳進硬層，硬層中的張應力從節理處的 0 往中間逐漸累積，兩條節理正中間的張應力最大，下一條節理就在那裡形成。

此外，未變形岩石中原本就有的瑕疵和缺陷，也決定節理從哪裡開始（Ch7 的 Griffith 裂隙）。

先預測：同樣的岩性和應力，一層 2 m 厚的砂岩和一層 0.5 m 厚的砂岩，哪一層的節理比較密？

5. 節理怎麼長、誰先誰後 ★

羽狀構造告訴我們破裂從哪裡開始、往哪裡傳播；停止線告訴我們破裂是分幾次長的。扭梳紋出現在岩層邊緣：σ3 的方向在那裡扭轉，破裂面就分裂成一排雁行的小面（σ1 垂直、σ2 是傳播方向時，σ3 和破裂面一起扭轉，p.20）。

相對年代（考古題：怎麼知道節理組的切割關係？）：

T 型交會的關鍵：新的破裂接近舊的時，會試著保持垂直 σ3；而舊節理是一個自由面，附近的主應力方向被改變（垂直或平行舊節理），所以新節理會彎過去、垂直地碰上舊節理。σ1 是壓應力、沿舊節理有收縮時常見 T 型；σ1 和 σ3 大小接近、沿舊節理有張力時，可能形成 X 型（p.21）。

6. 節理與流體

節理和微裂隙可以連通孔隙、增加滲透率，形成次生滲透率。在一定的水力梯度下，流過一條節理的流量（立方定律）：

b 是開口、H 是節理高度、μ 是流體黏滯度。流量和開口的三次方成正比，所以開口稍微變大，流量就大增。但節理要彼此連通，流體才能流過比單一節理更大的範圍；節理造成的滲透率有時足以讓油氣圈閉的蓋層漏油（p.24）。

例子（考古題：為什麼砂岩的節理旁邊有漂白的邊緣？）：還原性的流體沿節理流動，把砂岩中紅色的 Fe³⁺ 還原成可溶的 Fe²⁺ 帶走，節理兩側就褪成白色（和 Ch2–3 退色斑、地化 L7 的 redox 是同一件事）。

7. 脈：被礦物填起來的張裂 ★

脈是被次生礦物充填的破裂或長條空洞，礦物從富含水的流體中沉澱，常見的是石英、方解石、綠簾石、綠泥石。脈的礦物怎麼長，記錄了脈怎麼張開：

纖維長軸 = 最大伸張方向（p.28）：纖維平行脈張開的方向，所以斜的纖維代表脈是斜向張開的，彎曲的纖維代表張開方向隨時間改變。

雁行脈 ★（作業：畫出並解釋雁行脈和 S 形雁行脈，說明 pure shear 和 simple shear 下脈列的演化）：一列斜列的脈常定義出一條剪切帶。要檢查這條帶是不是 simple shear，看脈的尖端是不是和剪切帶夾約 45°：simple shear 時瞬時伸張軸 ISA1 永遠和剪切帶夾 45°（Ch2–3），新長出來的尖端垂直 ISA1。

先預測：剪切持續進行，先長出來的脈中段會怎樣？

• Pure shear：脈只是逐漸變長、變寬，不旋轉，保持直的。
• Simple shear：脈的中段隨剪切旋轉，尖端卻一直沿 45° 長，所以變成 S 形（或 Z 形）脈；之後還可能被第二代、第三代脈切過。S 或 Z 的彎曲方向反映剪切方向（Ch10 的運動學指標）。
• 兩組互相共軛的脈組，代表總體是共軸（pure shear）的應變。

容易混淆的地方

章末綜合題