北迴鐵路隧道內各種岩型之代表岩石標本經選擇大約三百個製成薄片，以顯微鏡研究岩石之組構與礦物成份。其結果見表1。另就各岩類選擇代表型數個作礦物種類（modal）分析，其結果見表2。茲將較具代表之岩石特性描述如次。
　　黑色片岩　黑色片岩出露於和平溪以北鐵路沿線地區，主要分佈於永春隧道北段、南澳隧道兩端及觀音、谷風隧道。黑色片岩（圖1）呈深灰色至黑色，中至細粒度，具有發育良好之片理，並有中度發育之節理，故岩性較弱。主要組成礦物為白雲母、石英、斜長石、綠色黑雲母、石墨和柘榴石，局部含有黃鐵礦與方解石。許多被認為是石墨片岩的黑色片岩，實際僅含碳百分之二至百分之五，通常小於百分之五；但由於其本身之深黑色外觀與所具之物理特性，石墨無論在微視或巨視下均甚顯著（圖2）。黑色片岩之原岩可能是含碳質的砂岩、頁岩、和粉砂岩。
　　綠泥片岩　綠泥片岩出露於北迴鐵路北段地區，分佈於觀音隧道南口及永春、南澳、崇德諸隧道中。圍岩為黑色片岩、變質石灰岩或角閃岩。綠泥片岩（圖3）呈深綠色或淺綠色，片理至為發育。本岩可依組成礦物之粒度及結構分為中粒及細粒兩種。組成礦物之一半以上為綠泥石，其餘為綠簾石、黝簾石、石英、和方解石。中粒綠泥片岩呈綠色，具中粒及等粒結構，大部份以綠泥石、綠簾石、黝簾石、角閃石、石英及方解石為主要構成礦物。細粒帶狀型綠泥片岩含白色條紋，多由方解石、石英及長石組成；綠泥石及綠簾石則為綠色部份之主要礦物。綠泥石一般為斜綠泥石（clinochlore）、葉綠泥石（penninite）或蠕綠泥石（prochlore）。陽起石僅存在於含少量或不含方解石之綠泥片岩中。綠泥片岩均存在於變質沉積岩中，其片理與圍岩幾乎一致，可見大部份的綠色片岩係由基性火成碎屑岩變質而成，一部份則原為基性火成岩。其變質程度相當於綠色片岩相。
　　石英片岩　石英片岩（圖4）分佈於谷風地區，即谷風隧道西南側。此片岩成層狀夾於其他岩石中，圍岩為變質石灰岩或黑色片岩。外觀呈白色或灰白色，常因風化浸染而呈淺褐色。片理發達，節理不顯著。石英片岩由中至細粒（0.3-0.02mm）石英粒鑲嵌結構組成。此片岩為石英砂岩或長石砂岩由熱液變質作用而成，岩質堅緻。
　　角閃岩　角閃岩發育於永春隧道南段及南澳隧道北段，以大凸鏡體夾於其他岩層中，片理與圍岩片理相同。圍岩為黑色片岩、變質砂岩及綠色片岩。又在角閃岩中常見有偉晶花崗岩脈、石英脈、及基性岩脈。角閃岩呈綠色至墨綠色，具片理及線構造。結構分粗粒（圖5；等粒，片理不顯著，外觀頗似變質輝綠岩）、中粒（圖6；等粒，片理顯著）及細粒（等粒，片理顯著）等，但構成礦物組成並無大異。主要構成礦物為角閃石、斜長石、綠簾石、黝簾石、榍石 及鐵礦，有時尚含少量透閃石、石英、綠泥石、及絹雲母。角閃石無色、或呈淡綠色、深綠色、黃褐色或深黃色，呈斑狀組織者有時核心為淺綠色，外圍為深綠色，亦有呈帶狀雙晶組織者。角閃石之邊緣有時為綠泥石、黑雲母、或黝簾石取代。長石主要為中長石（andesine），但亦有奧長石（oligoclase）或倍長石（bytownite）。長石常為粗粒混濁狀（moire），換質之次生礦物有綠簾石、黝簾石、絹雲母和方解石。石英充填於孔隙之中，呈波狀消光。榍石粒或附生於不透明礦物之榍石有著榍石環（sphene rings）構造。依花崗岩質侵入作用影響，本區域之角閃岩可分成三種：（一）似未受熱變質作用的含綠色角閃石之角閃岩，分佈於永春隧道及南澳隧道北端；（二）受花崗岩質深成侵入熱變質及換質作用，含棕色角閃石及斜輝石之角閃岩；及（三）受混合（migmatized）或混染（contaminated）及鉀交換作用之角閃岩。包裹角閃岩體與片麻岩相互作用而形成黑雲母緣、黑雲母塊、黑雲母角閃塊或經白化作用（leucocratic）而呈粗粒片麻岩塊。此粗粒岩塊由黝簾石、白雲母和榍石礦物組成。角閃岩之原岩多為基性火成岩及其碎屑岩，但一小部份可能為高鎂質沉積岩變質而來；經至少三次以上的變質作用，分別依次為角閃岩相變質作用、花崗岩質侵入岩體之熱變質作用、及綠色片岩相之退化變質作用。
　　變質石灰岩　變質石灰岩主要分佈於和仁隧道南段、清水、崇德隧道及永春隧道中段、觀音隧道之一小部份，部份成層狀延展，部份為凸鏡體夾於其他岩層中。出露於永春、觀音隧道者為薄層之凸鏡體；出露於和仁、清水、崇德隧道者為厚層，且延展甚遠。此變質石灰岩之圍岩為黑色片岩、綠色片岩或石英片岩。變質石灰岩顏色與粒徑變化大，大部份呈灰色緻密狀，另有呈白色或黑色者，亦有具片理者。白色者結構為粗至中粒，黑色者一般較細。變質石灰岩局部含鎂較高，常遞變為白雲岩或白雲岩質變質石灰岩。主要礦物為方解石（或方解石與白雲石），另含少量石英、絹雲母、硫化鐵、綠泥石、金雲母、和碳質物。伴隨之礦物受制於母岩之來源，如不純物質（碳質物、黏土）之含量及變質作用程度（圖7）。結晶石灰岩之組構（texture）變化大，有些呈等粒斑狀鑲嵌結構，但大部份為不規則之犬牙狀交錯結構。母岩可能為珊瑚及紡錘蟲石灰岩。
　　南澳片麻岩　南澳隧道之片麻岩夾生於角閃岩及變質泥質沉積岩（metapelite）之間，呈狹長之凸鏡狀。由北而南，其岩層之次序如後：角閃岩、片麻岩、石英－長石質副片麻岩（或變質泥質沉積岩）、黑色片岩。其間角閃岩與片麻岩間夾一層由此兩種岩石之混合岩；花崗片麻岩漸變為石英－長石質副片麻岩；石英－長石質副片麻岩與黑色片岩之接觸至為明顯，兩者以整合關係相接觸。本片麻岩與圍岩間有著層疊貫入（lit-par-lit injection）之密切關係，其周緣含有不少包裹岩體，包裹岩體與片麻岩體之片理並不一致。包裹岩體種類以角閃岩為最多，鉀交代換質作用強烈。本片麻岩呈淺灰色，岩質相當均勻，具鑲嵌或花崗變晶狀結構（圖8），可分為中粒及粗粒兩種，粗粒者較盛。黑雲母與白雲母均有之。白雲母可能出於花崗閃長岩質之貫入作用；黑雲母主要集中於混合岩帶。部份中等程度半平行的雲母排列，表現出了片麻岩之片理結構。大部份石英為自形，呈波狀消光，有些亦呈長粒狀平行排列。長石常呈自形，主要為中長石，鈉長石雙晶或其他雙晶均有之，亦有呈半平行排列者。除石英、長石、雲母外，伴隨礦物有磷灰石、鋯石、榍石、和柘榴石。較常見之換質礦物有綠泥石、絹雲母和黝簾石。由其構成礦物與野外關係觀之，本片麻岩應相當於變質花崗岩或花崗閃長岩。
　　石英－長石質副片麻岩或變質泥質沉積岩　石英－長石質副片麻石分佈於南澳隧道南端，北與南澳片麻岩呈不規則狀漸變接觸關係。變質砂岩（圖9）與變質頁岩為其母岩。本變質泥質沉積岩為粗至細粒，具片麻與殘留碎屑狀結構，含大量石英、白雲母、黑雲母或未具雙晶或單一型式雙晶之鈉長石。伴隨礦物有綠泥石、綠簾石、和柘榴石。纖維狀矽線石（sillimanite）發現於本岩中，矽線石產於石英、黑雲母、白雲母、長石、柘榴石、及不透明礦物內。部份矽線石取代白雲母，形成纖維網或針狀叢（圖10）。由岩石結構與石英、鉀長石、白雲母和矽線石之關係推測得以下之反應：　白雲母＋石英→鉀長石＋矽線石＋水
　　偉晶花崗岩　偉晶花崗岩或偉晶岩出露於南澳隧道片麻岩體中，觀音隧道之黑色片岩及和平隧道之片麻岩體之中。多沿岩層之片理貫入，形成凸鏡狀體，大小厚薄不一。主要由石英、長石和不等量白雲母、黑雲母組成，伴隨礦物有電氣石和柘榴石。具文象或蠕狀共生（graphic or myrmekitic intergrowth）構造。根據調查，偉晶岩脈依礦物組成有著顯著不同，可分為（一）長石－石英；（二）石英－長石－雲母±綠泥石±電氣石；（三）石英－長石及雲母。但同一岩脈中，通常其岩性均勻。其礦物成份則與圍岩有關：白雲母偉晶岩多賦生於片岩中，黑雲母則多賦生於片麻岩中。
　　和仁片麻岩　和仁片麻岩出露於和平及和仁隧道北段。就岩石學的觀點而言，本片麻岩之岩質均一，整個岩體之結構、岩性、礦物成份均相仿。為灰綠色、中粒、片理發達（時具複雜之褶曲與流紋構造）。主要組成礦物為石英、角閃石、陽起石、綠色黑雲母、綠簾石、黝簾石和少量黃鐵礦、鋯石、方解石、和磷灰石（圖11~13）。石英含量最多，通常呈扁豆狀或平行排列，有時呈眼狀構造。長石以曹長石至中性長石為主，鉀長石有時存在。白雲母較少；絹雲母成塊狀，呈複雜褶曲和流紋狀構造。黑雲母有綠色和棕色兩種，綠色者較多。條狀角閃石其周緣有時呈青綠色（圖11）。綠簾石與黝簾石共生，有時伴有褐簾石（allanite，圖12）。本片麻岩不含包裹體。
　　板岩及千枚岩質板岩　板岩及千枚岩質板岩出露於永春隧道北端，以大斷層與大南澳片岩相接。板岩呈深灰色，劈理與節理至為發達（圖14）。可由顯微鏡鑑定之粗粒礦物主要為石英、綠泥石、絹雲母、方解石、斜長石和不透明礦物。板岩及千枚岩質板岩係由頁岩或其他泥質沉積岩經低度變質而成。
　　變質輝綠岩　變質輝綠岩出露於永春隧道北端與南澳隧道之黑色片岩及綠色片岩中，多沿片理面發育，係由粗粒玄武岩質之噴出或侵入岩類（輝綠岩、微輝長岩及中粒玄武岩）經變質而成。原岩之結構尚保存，與圍岩大致整合相接；變質輝綠岩大致可分成中粒與細粒二類。一般而言，細粒者較堅硬、緻密；但二者之礦物組成則大致相若，主要由長石、綠泥石、綠簾石、黝簾石、輝石、榍石、方解石和不透明礦物組成（圖15、圖16）。局部尚保存有原生輝綠岩結構和殘留火成岩礦物，如輝石、角閃石、和斜長石。變質度相當於綠片岩相之黑雲母帶。
　　長石質砂岩　長石質砂岩出露於永春隧道北段中，為粗粒片狀砂岩，呈白色至灰白色，每層厚度由二十公分至數公尺不等，常含板岩碎屑、石英及長石粒。長石質砂岩碎屑礦物主要為石英，長石約佔20％，通常絹雲母和綠泥石之含量小於20％。本砂岩遇水時，外觀則呈黃褐色，易風化（高嶺土化作用）成鬆散砂土，岩石強度大減。