認識有趣的地質學

看圖說故事系列---

認識有趣的地質學

Introduction to Geology and Earth Science

主講人：

一張精彩的示意圖或照片 勝過千言萬語的文字描述

這就是看圖說故事系列課程的基本精神

地質學相關知識重點

動態的地球 板塊構造論 火山活動 地震

造山運動

常見不良地質現象 崩塌與滑坡

泥石流

岩溶

地震

地質學相關知識重點

地質年代

化石和岩石記錄 前寒武紀的地球 古生代　

中生代和新生代

地質學相關知識重點

地表的演化

風化、儀蝕、土壤 風化

侵蝕和沉積作用 土壤的形成

地貌單元 剝蝕地貌

山麓斜坡堆積地貌 河流地貌

湖積與海岸地貌

地質學/水文學相關知識重點

地表水

地表水運動 河流的形成

湖泊和淡水濕地 地下水

地下水的運動和儲存 地下水的侵蝕和沉積 地下水系統

水文學基本知識 河流與流域

降水與下滲 河川徑流 水位觀測

水位與流量關系曲線

地質學/地球科學相關知識重點

大氣圈與海洋圈 大氣圈

氣象圈

風暴的本質 氣候

海洋物理學

海洋環境

地質學相關知識重點

地質構造

地殼構造運動的類型 水平岩層及傾斜岩層 褶皺構造

節理構造與玫瑰花圖 斷層

識讀地質圖

地質學相關知識重點

礦物

礦物的形態

晶質體和非晶質體的概念 礦物的單體形態

礦物集合體的形態 礦物的物理性質 顏色

條痕

光澤

透明度

硬度

解理

斷口

認識我們的地球

.

礦物的形成方式

.

礦物的形成方式(1)

礦物的生成方式

　　形成礦物的地質作用---從和岩石的成因關係來看，可以分爲火成作用、沈積作 用和變質作用三種成因類型。

　　一、火成作用 　　1.岩漿礦物

　　礦物可形成由岩漿冷凝後直接結晶而成。由於地殼深處溫度很高，壓力很大，

那裏的物質已經成爲熔融狀態，這種高溫熔融的物質就是岩漿。當岩漿受到地殼 運動的影響，侵入到地殼上部，壓力慢慢減少，溫度漸漸降低，礦物就按其熔點 高低順序而結晶，形成如橄欖石、金剛石、輝石、長石等礦物。

　　2.熱液礦物

　　隨著岩漿的溫度不斷下降，大量的水蒸氣産生液化，成爲熱水溶液，在這種熱 液裏溶解有各種各樣有用的礦物組成，從而可以形成各種各樣的礦物，如錫石、

石英等。

　　3.火山礦物

而當地下的岩漿如果遇到地殼某處裂隙，壓力減小，便會沿裂隙上升，也就是人 們常說的火山爆發，世界上有許多著名的山如日本富士山、長白山等就是火山噴 發形成的。在火山噴發時，火山口及周圍可能形成火山礦物，如硫磺、沸石、蛋 白石等。

礦物的形成方式(2)

礦物的生成方式 　　二、沈積作用 　　1.風化礦物

在自然界，無論岩石和礦石多麽堅硬，風吹雨淋，受熱膨脹，遇冷收縮，

天長日久，最後整塊岩石都會發生碎裂，變成大大小小的碎塊。這些碎 塊繼續受侵蝕，當其中易溶物質被水溶解帶走，難溶物質殘留下來，就 形成了表生礦物，如黃鐵礦就變成了褐鐵礦， 黃銅礦變成了孔雀石、藍 銅礦。

　　2.沈積礦物

由風化作用形成的碎塊，除殘留原地外，主要被流水搬運走，經過河水 搬運，海水的沖刷和淘洗，比較重的礦物和堅硬、穩定的礦物聚集在一 起，形成了一些有經濟價值的礦物，如金剛石、金、錫石等的砂礦。而 被流水溶解帶走的物質，當它們進入內陸湖泊或封閉的海灣以後，水分 不斷蒸發，溶液達到過飽和時，就可以結晶沈澱下來形成鹽類礦物，如 石鹽、石膏、硬石膏、方解石。

礦物的形成方式(3)

礦物的生成方式 　　三、變質作用 　　1.熱變質礦物

由於岩漿向上侵入，岩漿的熱能對其周圍的岩石和礦物産生了作用，使 它們發生變化（最爲常見的是石灰岩經過熱變質作用變質爲大理岩），

進而在接觸部位形成許多新的礦物組合。常有熱變質礦物石榴子石、紅 柱石、透閃石、陽起石、堇青石等。

　　2.區域變質礦物

當地殼發生強烈運動，尤其是板塊邊緣的運動，造成大規模地殼的升降、

褶皺和斷裂。使原來岩石和礦物所處的環境發生變化。當岩石上的壓力 足以把礦物中的水分擠壓出來，且産生岩石中礦物晶體重新組構所需的 能量時，就形成一系列密度更大、更堅硬的礦物，如藍晶石、石榴石、

十字石等礦物。

礦物

.

礦物

.

礦物

※ 礦物的形態 　 ◇ 晶體結構 　

　 ◇ 晶體的形成方式 　 ◇ 晶體的生長

※ 礦物的物理性質 　 ◇ 光學性質

　 ◇ 力學性質

　 ◇ 密度和相對密度 　 ◇ 電磁性質

　 ◇ 放射性質

※ 礦物的成因 　 ◇ 內生作用

礦物

奧地利礦物學家摩氏(Frederich Mohs)曾經創立一種硬度表，可作為礦物間 相對硬度的標準，稱為摩氏硬度計(照片一，照片二)。其最軟者為滑石，

最硬者為金剛石，共有十種礦物。由軟至硬分為：

滑石(Talc)

石膏(Gypsum) 方解石(Calcite) 螢石(Fluorite) 磷灰石(Apatite) 正長石(Orthoclase) 石英(Quartz)

黃玉(Topaz)

剛玉(Corundum)

金剛石(Diamond)又稱為鑽石

礦物學--硬度

摩氏硬度表所定的數字，並沒有一定比例上的關係。如石英的硬度為7，並 不表示其硬度為滑石的7倍，僅表明數字大者，其硬度比較高，所以摩氏 硬度計只是一種相對硬度。另外以儀器可以測量出礦物本身的絕對硬度，

稱為壓痕硬度，單位為kgw/mm2，是使用錐狀金剛石在晶體表面上以一 定壓力施壓一段時間後，再觀測表面壓痕的大小深淺以決定晶體的硬度。

滑石以至於剛玉的壓痕硬度，皆在2000 kgw/mm2以下呈線性遞增，但金 剛石的壓痕硬度卻高達10000 kgw/mm2。

硬度是礦物晶體很重要的物理性質之一，自然也受制於晶體構造、化學成 分以及瑕疵構造等影響。結晶構造對硬度的影響主要在於鍵結的強弱。

由強力共價鍵(註：共價鍵等名詞可查閱高中化學課本)結合而成的晶體 包括金剛石、碳化矽、碳化硼、氮化硼、氮化矽等都是硬度很高(大於9) 的晶體，在超硬材料應用上具有重要價值。其中碳化矽已經被發展成鑽 石的代用品上市，稱為美神萊寶石(Moissanite)，此礦物硬度相當高為 9.25(明顯優於蘇聯鑽)，更重要的特性是它的折射指數、色散指數和光澤 率皆優於金剛石，若得到適當的切磨，會比金剛石擁有更燦爛的火彩和 更明亮的光澤。

礦物學--礦物的物理性質

礦物的物理性質

鑑定礦物最簡易的方法便是利用礦物的物理性質，如顏色、晶形、硬度、條痕、解 理和韌度等來比較。

顏色

不同的礦物常有不同的顏色，但有時同一種礦物因含少量雜質而有不同的顏色。世 人所喜愛的寶石常有一些迷人的色彩，如祖母綠(照片)發出迷幻般熒熒綠光，翡 翠(照片)卻發出溫暖潤澤綠袍，貴蛋白石有多彩變化莫測的炫光，而海藍寶綠柱 石(照片)有著如海水般透明的湛藍。

太陽光譜中，人類可以看見的所謂「可見光」範圍大約從波長7000埃的紅光到4000 埃的紫光之間。不同波段的光波組合產生不同的顏色，所有波段混合在一起則為 白光。陽光照射在物體上，若所有光波都被吸收，沒有光從該物體放射出來，物 體看起來是黑的，如果所有色光都被反射出來，物體則呈現白色。而若部份波段 被吸收，另外部份波段放射出來，則可以看到放射光波所組成的顏色，例如紅寶 石吸收了橙黃綠藍紫等色光，只讓紅光放出來，我們肉眼對紅寶石的感覺就呈現 紅色。

大部份晶體成色原理與晶體內部電子因能階躍升而吸收部份可見光有關，電子能階 之間的能量差，決定電子吸收的光波波長(波長愈短者能量愈大)，而能階之變化 又決定於晶體之結構。

礦物學--礦物的物理性質

同一種礦物會因含少量的雜質或微量元素而呈現不同的顏色。以水晶為例，

大部份的水晶是無色透明，但含少量鐵離子(Fe3+)則成為紫水晶，含少 量鉻離子(Cr3+)則成為黃水晶，含少量鋁離子(Al3+)則成為黑色的煙水 晶。

紅寶石是無色的剛玉(成分Al2O3)因夾雜少量鉻離子(Cr3+)而造成它美麗的 紅色，三價鉻離子取代三價鋁離子，其晶體力場效應所產生的電子能階 躍升造成紅寶石的黃光-綠光及紫光兩個吸收帶，少量藍光和大部份紅光 穿透，所以看到紅寶石是紅色的。

鉻離子是寶石界中的顏色魔法師，祖母綠的高貴綠色、亞力山大石的變色 原因、以及台灣玉和緬甸玉的神奇翠綠，都是鉻離子的傑作。

礦物

.

礦物

.

沉積岩

.

沉積岩

沉積岩：有的岩石是由石頭的碎片、動物骨骼等等，經過幾百萬年的堆積，

逐漸形成的岩石，就叫做沉積岩。沉積岩是一層一層逐漸向上堆高而成 的，所以我們可發現一層層排列的「層理」(如左圖所見)，這也是沉積 岩的主要特。常見的沉積岩如下：

石灰岩： 主要礦物成份為方解石。質地細密，多為珊瑚、藻類，有孔蟲等 海洋生物所造成。

白雲岩： 主要礦物為白雲石，與石灰岩類似，質地比石灰岩硬。

蒸發岩： 為海水或湖水蒸發而成的岩石，如岩鹽、石膏等。

礫 岩： 由圓形或似圓形的礫石與砂及黏土膠結而成的岩石。礫石的直徑 多在二公厘以上。

砂 岩： 礦物成份以石英、長石為主，含有各種膠結物，顆類狀組織是它 的特徵。最常見的砂岩是石英砂岩、長石砂岩和雜質砂岩。

頁 岩： 為黏土或與泥土組合成的岩石，質地細密而容易破裂，裂開面常

沉積岩

.

沉積岩

沈積岩（sedimentary rocks）

自然沈積物固結形成的岩石。通常是在常溫、常壓環境下，由先成岩石 的風化物質、火山噴出的碎屑物質、生物遺體及少量宇宙塵埃，經搬運、

沈積和成岩等地質作用而形成。多呈層狀産出。沈積岩在地表分佈很廣，

占陸地面積的75％。海底幾乎全部爲沈積物所覆蓋。由於它主要是由先 成岩石的風化物質再堆積而成，所以曾被稱爲次生岩；又因其主要是在 水體中沈積形成的，故又曾被稱爲水成岩。

沈積岩具有特徵性的化學成分、礦物成分和結構構造 。由於沈積分異作 用的原因，不同類型沈積岩石的化學成分差別很大，如碳酸鹽岩以鈣鎂 氧化物和CO2爲主，砂岩以SiO2爲主，泥岩則以鋁矽酸鹽爲主。

沉積岩

在礦物成分方面，岩漿岩中常見的鐵鎂礦物在沈積岩中少見，沈積岩中常 見的鹽類礦物和粘土礦物在岩漿岩中不存在或罕見。在結構構造方面，

沈積岩具有獨特的碎屑結構，泥狀結構，層理層面構造和發育的孔隙爲 岩漿岩所沒有。含有生物化石也是沈積岩的特徵。

沈積岩中蘊藏著大 量的礦產 ，據統計 世界資 源總量的75％～85％是由 沈積或沈積變質形成的。石油、天然氣、油葉岩和煤幾乎全爲沈積形成。

許多沈積岩本身就是有用的礦產，如建築石料、水泥及玻璃原料、冶金 熔劑及耐火材料等大多是沈積岩。沈積岩與地下水開發利用，與工程建 設的規劃和設計有密切關係。沈積岩是地殼發展歷史的重要記錄 ，通過 沈積岩的研究，可查明地質歷史時期自然地理變遷，地殼運動及構造變 動情況，通過沈積岩中所含古生物化石的研究，還可獲得生命起源和生 物演化的寶貴資料。

沉積岩

.

沉積岩

.

沉積岩

.

沉積岩

.

沉積岩

.

沉積岩

.

火成岩、沈積岩、變質岩

臺灣地質大致由火成岩、沈積岩、變質岩所組成。

1.火成岩的敘述定義如下：「火成岩是經由火山作用噴發出來的岩漿冷卻變 硬所形成的。若岩漿噴出地表時，馬上接觸到空氣而冷卻，形成結晶顆 粒細小的礦物，如：流紋岩、安山岩、玄武岩；若岩漿沒有噴發到地表 上而潛伏滯留在地底下，冷卻速率較慢，因此有足夠長的時間形成結晶 顆粒較大的礦物，如:花崗岩、閃長岩、輝長岩、橄欖岩。」

2.沉積岩的敘述定義如下：「沈積岩是經由風、河流或冰川搬運的沉積沙石、

泥土、或是岩屑，受到重力慢慢沉積而成的一層層的岩石(圖二)。經過 膠結作用壓實石化變硬，或經由有機物或是化學過程，也會形成沉積 岩。」

3.變質岩的敘述定義如下：「變質岩是經由地球的內力的作用，引起岩石本 身內部構造發生物質成分變化和重新結晶產生的岩石。地球的內力包括 溫度、壓力、應力、和化學成分。例如：石灰岩變質成大理岩(圖三)。

火成岩、沈積岩、變質岩

火成岩、沈積岩、變質岩

變質岩

.

變質岩

變質岩：地殼運動不但會形成高山，造成岩石褶起，它產生 的高熱和高壓，往往也會改變岩石的原貌，這樣形成的岩 石，我們就叫做變質岩。常見的 變質岩如下：

石英岩： 主要成份為石英，顏色一般為白色，如含有雜質時，

便會呈其他顏色，但都以淺色為主。礦物顆粒較細，質地 堅硬，破裂面平滑。

大理岩： 主要成份為方解石，顏色為白色、灰色，如有雜質 便呈現美麗的花紋。礦物顆粒粗細不等。

板 岩： 主要成份有石英、長石、綠泥石等，顏色以所含的 礦物而定，一般以深灰色較多。由細粒沉積岩而成，常裂 開成薄板狀。

片 岩： 種類很多，主要成份為雲母，綠泥石、角閃石，各

種片岩都有所含的礦物，顏色以所含礦物而定。是分布較

變質岩

.

變質岩 (metamorphic rock)

.

變質岩 (metamorphic rock)

.

變質岩 (metamorphic rock)

.

變質岩 (metamorphic rock)

Metamorphic rocks are rocks that have

"morphed" into another kind of rock.

These rocks were once igneous or sedimentary rocks. How do

sedimentary and igneous rocks change?

The rocks are under tons and tons of pressure, which fosters heat build up, and this causes them to change. If you exam metamorphic rock samples

closely, you'll discover how flattened

some of the grains in the rock are.

變質岩

.

變質岩

.

變質岩

.

變質岩

.

變質岩

.

火成岩

.

火成岩

火成岩：岩漿從地球深處，經由火山爆發流出來後，冷卻形成 的岩石叫火成岩。常見的火 成岩如下：

花岡岩---- 是侵入岩中最重要的岩石，顏色為淺淡，如灰白、

淺紅等，主要礦物成份為長石與石英，組織成粗粒狀，世界 各地都有分布，常用作建築材料。

凝灰岩---- 凝灰岩是火山活動時噴出的火山灰塵等聚合膠結而 成的，主要成份為正長石和石英，顏色淡，組織呈粒狀。

玄武岩---- 玄武岩是最豐富的噴岩，主要成份為斜長岩和輝岩，

顏色為深色，如黑色、褐色、暗紅色等。組織細緻緊密，有 柱狀結構，氣孔很多。

安山岩---- 為分布最普遍的火成岩，主要成份為斜長石，顏色

為灰色、綠色，呈班狀結構，有時也會有氣孔。

構造地質學--褶皺

.

構造地質學--褶皺

.

構造地質學--褶皺

.

構造地質學--褶皺

.

構造地質學--節理

.

構造地質學--節理

.

構造地質學--節理

.

構造地質學--節理

.

構造地質學--節理

.

構造地質學--斷層

.

構造地質學--斷層

.

構造地質學--斷層

.

構造地質學--斷層

.

構造地質學--斷層

.

構造地質學--斷層

.

構造地質學--斷層

.

構造地質學--斷層

.

構造地質學--斷層

活斷層的定義

「斷層」是地殼或地球內部的一條斷裂，其兩側地盤有明顯 的相對位移者。地球自形成以來，歷經數十億年的地質變 動，在地殼內部留下許多斷層。尤其是在造山帶內，斷層 更是多如牛毛。不過，在這些斷層中，絕大部份是不活動 的；有許多斷層其內部物質甚至已經岩化，成為所謂的糜 嶺岩(mylonite)。即使在活動的造山帶內，也不是每一條

斷層都是會動的，其中僅有少數幾條具有近代活動的記錄。

近代活動過的斷層一般被認為將來有進一步活動的潛能。

活斷層是一種現今仍然在活動，並且可能在不久的將來再

次發生錯動的斷層。活斷層的定義隨不同國家與地區及不

同學者而有所不同。日本活斷層研究會(1980)認為在第四

紀(<±2,000,000年)有過反復活動者為活斷層。美國墾務局

(USBR, 1976, in Logan et al., 1978)認為在過去十萬年內有

地震

地震的成因

發生地震的原因不外乎下列數種：(1) 斷層錯動，(2) 火山活 動，(3) 岩溶塌陷，(4) 隕石撞擊，(5) 地函物質相變化，(6) 地下核爆及其它人為因素等。按目前的瞭解，斷層錯動是 發生地震最主要的原因；其發生次數最為頻繁，造成災害 的機會也最大。火山活動引致的地震一般規模較小，影響 範圍有限。岩溶塌陷一般限於卡斯特地形發育的石灰岩區，

其引致的地震規模亦小。大的隕石撞擊可能會引起很大的

地震，地球上雖留有隕石撞擊的痕跡，例如：美國亞利桑

那州的梅提歐隕石坑（直徑約一公里），但自有近代地震

儀的百年以來，尚未有這一類地震的記錄。發生在地下數

百公里深處的地震目前有一種說法，認為是地函物質因結

晶構造突然轉變發生體積變化而產生地震。地下核爆產生

的能量甚大（相當於一個中高規模的地震），故亦為地震

的來源。

地震

台灣的活斷層

台灣位處太平洋西岸弧狀列嶼中，呂宋弧與琉球弧銜接之處。

台灣島是因呂宋弧與亞洲大陸碰撞後擠壓隆起的一個年輕 島嶼。台灣本島的中央山脈及中央山脈以西地區代表亞洲 大陸邊緣被擠壓隆起的部份，台灣東部的海岸山脈則代表 呂宋弧撞上台灣主島的部份，而台東縱谷即是此種弧陸碰 撞的逢合處在地面上的位置。因為弧陸踫撞的結果，台灣 地區地殼變動激烈，斷層發達，且地震頻繁。在東北部，

包含呂宋弧在內之菲律賓海板塊隱沒到屬歐亞大陸板塊的 琉球弧底下。在東南部，包含呂宋弧在內之菲律賓海板塊 係騎跨到包括南中國海亞板塊在內的歐亞大陸板塊之上。

在台灣的中心部位呂宋弧則直接與亞洲大陸發生碰撞。

風化作用

.

風化作用

.

風化作用--生物風化

.

風化作用

.

風化作用

風化作用

如果沿著岩石的節理出現裂縫或發生化學分解，那便稱為風 化作用，這是任何地貌侵蝕的第一階段。風化可分為三大 類，包括物理風化，化學風化和生物風化。

風化是一個頗為漫長的過程，但經過長時間的風化，你知道 最後的產物是甚麼嗎？

物理風化 ─ 溫度差異會令岩石分裂，甚至成為小塊。

化學風化 ─ 雨水會改變岩石的成分，甚至會將其部分分解。

生物風化 ─ 人類、植物或動物的活動會引起岩石分裂。

風化作用

.

風化作用

.

Thank you for your attention.

成功大學航空太空研究所碩士 陳俊中（Adion Chen）

信箱：adion3@gmail.com

.