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被世人遺棄 30 年後,每次世界大戰都成為它的力量之源:板塊構造理論的誕生

活躍星系核
・2020/10/30 ・3732字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 周碩君|國立中央大學地球科學學系四年級

居住在這顆藍色的星球這麼久,身為人類的我們自然而然、習以為常地生活在陸地上。

然而,為什麼世界分成七大洲?七大洲從哪裡來?我們為何需要遠渡重洋才能到達彼方呢?

這些問題的答案,直到近百年科技發達,使得地球科學有了很大的進展,科學家才逐漸了解在岩石與海水之下那個隱藏著支撐我們家園的秘密——板塊。

圖一:當世界各地亮起屬於我們的燈火時,人類也不斷詢問大自然,為什麼我在這裡,這塊土地又是從何而來?圖/Pixabay。

國、高中時,我們都學過「板塊構造學說」,主張地球最外層由十幾個大小不一的板塊拼湊而成,而身為臺灣人的我們,也都知道臺灣位處在歐亞板塊與菲律賓海板塊之間,島上的陡峭山脈來自於板塊的碰撞。

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雖然如今板塊構造學說人人都能琅琅上口,但自 20 世紀初期以來,它可是歷經了千辛萬苦才得以引起近代科學家的注意,耗費三十年,才逐漸壯大為地球科學的知名理論。

在板塊構造學說的誕生故事前,有一位至關重要的科學家——魏格納。

魏格納玩的拼圖遊戲,是一個整個地球

魏格納 (Alfred Lothar Wegener) 是一位德國地球物理學家、氣象學家和天文學家。 1908 年魏格納被馬爾堡大學聘為氣象學、天文學和宇宙物理學應用講師。

任教期間,魏格納留意到世界地圖上,非洲大陸西岸和南美洲東岸,也就是大西洋兩側的海岸線輪廓很相似,就像是兩片可拼起的拼圖邊緣:一凹一凸,彼此密合。因此,魏格納想像兩邊陸地原本可能相連,開啟了關於大陸漂移的研究,也是往後地球物理學與地質學的重要基礎。

圖二:1912年左右的魏格納。圖/wikipedia

1911年,魏格納在馬爾堡大學圖書館,讀到一篇奧地利地質學家修斯 (Eduard Suess, 1885) 有關岡瓦那大陸 (Gondwanaland) 1 的文章,內容提到根據南半球各大陸上有相似的地質沉積岩層和古代動植物化石,假設在南半球曾經存在過一個統一的大陸。

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魏格納是一位氣象學家,利用影響全球氣候帶分布控制因素的專業知識,判斷這些反應古氣候的沉積物證據,與當時全球氣候分布不相符。經過全球古生物化石和沉積地層的資料分析,獲得不符合現今緯度的證據,於是魏格納不僅可以支持修斯的假說,更進一步認知到大陸可能會漂移

我們曾經都黏在一起?大陸漂移學說

1915 年魏格納正式出版《大陸與海洋的起源》2一書,以多面向的證據解釋「大陸漂移理論」。在這本書裡,魏格納主張大約在二億年前,地表有一塊「盤古大陸」稱作「泛蓋婭」 (Pangaea) 3,經過分裂變成兩個陸塊,再繼續分裂與漂移,直到形成今日的樣貌。

魏格納以古生物的資料作為證據,將目前幾個分離的大陸:南美洲、非洲、印度、南極洲、澳洲接合起來,如圖三所示4。這四種古生物,皆不能跨越海洋,到其他陸地生存,所以能支持這些陸塊曾經連在一起的理論,呈現帶狀且連續的動植物分布範圍。

圖三:古生物的分布色帶。圖/wikipedia

在二疊石炭紀時期冰川中,也可以找到關於古氣候的證據。冰磧遺跡中的苔原植物很矮小、貼近地面生長,會利用陽光照射地表空氣和土壤的溫度存活,生長期更長,應該分布在高緯度、甚至極地地區。這些古苔原植物能在現今南半球各大陸發現,就可以作為這些板塊,從原先高緯度環境,慢慢移動到現在中低緯度的證據。

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雖然魏格納提出了大陸漂移的種種證據,但因為沒有辦法解釋移動的機制,加上他並非地理學或地質學出身的學者,使得當時學界對他的想法嗤之以鼻。

戰爭埋葬了生命,也催生了偉大的新科技

他的研究被世人遺忘了三十年,直到世界大戰,人們發明許多新科技,地球科學的研究才再次嶄露曙光。

第一次世界大戰為了探測潛水艇而發明聲納觀測,這項發明可以用來測繪海底地形。當探勘船發出聲波、從海面向海底傳播後,探測員就可以利用從海床反彈的聲波的時間差來計算海底深度,借此測繪出海底地形,此時,人們也因此發現了大西洋中部的海底山脈——大西洋中洋脊。

到了第二次世界大戰,磁力儀誕生了,磁力儀原先是運用於戰爭的利器,軍方將其裝置在飛機並偵查海底下的潛艇,而科學家綜合以上兩項技術、岩漿冷卻成岩石的磁性特徵5之後,他們發現:

以中洋脊為中心,兩側海底岩石的磁力分布對稱,而且,磁極正反交錯呈現條紋狀分布,就像是超商每樣商品上條碼的樣子,記錄了過去地球磁場方向的每次反轉。

以中洋脊為中心,左右對稱的磁力分布!影片/BrainPOP

為什麼海底岩石的磁力會這樣分布呢?科學家海斯 (Harry H. Hess) 與狄茲 (Robert S. Dietz) 在 1960 年代利用同位素定年法6推斷:由中洋脊冒出的岩漿,生成出海洋地殼並不斷擴張,到了海溝7再隱沒到地球內部,像是輸送帶一樣運轉。海斯和狄茲順利解釋了海洋地殼的誕生與消逝,形成「海底擴張學說」。

直到此時,「海底擴張學說」配合魏格納的「大陸漂移理論」,再配合許多研究資料(如海溝處地震定位資料)之後,才逐漸發展出你我熟知的「板塊構造學說」。

這顆古老的地球,仍有無數難以參透的秘密

雖然當代地球科學界普遍認可板塊構造學說的概念,但這個理論並非毫無疑點,尚有許多疑惑等待科學家一一挑戰並且破解。

我們藉由魏格納及近代地球科學家的研究成果,了解地球板塊形成的原因。但是利用各種證據方法,推測陸地過去詳細的模樣,追溯到十八億年前就算是極限了,更久以前的地球板塊又是如何分布的呢?

從現實面來說,沒有任何地質學家能親眼觀察地球內部的物質成分和構造。絕不可能像法國小說家凡爾納的《地心歷險記》8,主角李登布洛克和他的姪子進入火山,通過地心,看遍地下所有秘密,再從地球的另一端出現,卻毫髮無傷。

小說《地心歷險記》在 2008 年被翻拍為 3D 電影《地心冒險》,在地球的地心展開奇幻冒險。

或許在未來,科技更加進步,研究儀器的功能更強大,地球科學家能找到更多關於地球板塊變化的證據。到時候,或許能在板塊構造學說的基礎上,發展出合理解釋地球誕生到現在完整演變的學說,更進一步結合其他領域的科學家,預測未來地球的陸地將如何變化。這些發展,我們都可能參與,也值得我們期待。

註釋

  1. 「 Gondwana 」是印度的一個地名,在此地發現的岩石相似於南半球其他大陸,修斯以此稱之。
  2. 原文「 Die Entstehung der Kontinente und Ozeane 」。
  3. 「Pangaea」原文為希臘語「Παγγαία」,是「πᾶν」(全部)和「γαῖα」(陸地)的合字,即「全陸地」。其中 「Γαῖα」也是前面介紹過的大地之母神。
  4. 圖三古生物分帶說明:
    • 橙色:犬頜獸屬 (Cynognathus) 是種三疊紀中期的陸生肉食性犬齒獸類,在非洲、南美洲、南極洲可以發現化石。
    • 藍色:中龍屬 (Mesosaurus) 是一種小型水生爬行動物,在二疊紀早期的南美洲和南非地層中可以被發現。
    • 棕色:水龍獸屬 (Lystrosaurus) 為陸生的中型脊椎動物,存活在二疊紀晚期到三疊紀早期,化石分布於南極洲、印度、南非。
    • 綠色:舌羊齒屬 (Glossop-teris) 是一屬已滅絕的種子蕨類,生存於二疊紀至侏羅紀晚期,化石主要分布於南半球及印度。
  5. 岩石中的磁鐵礦會記錄當時地球磁場的磁性,與現今地磁場方向一致稱為「正磁極性」,反之則為「反磁極性」。
  6. 利用岩石中的元素,其元素包含不穩定的放射性同位素,具有規律的衰變週期,可作為測量地質年代的方法。
  7. 簡單來說,為一種海洋地殼與大陸地殼交界的構造,形成深且狹窄的峽谷。
  8. 書名原文「Voyage au centre de la Terre」,為法國小說家凡爾納於 1864 年出版的科幻小說。

資料來源

  1. 《板塊構造學說紀事》,W. Jacquelyne Kious, Robert I. Tilling,(陳建志、馬家齊譯),五南,2005。
  2. 《海陸的起源》,魏格納,(李旭旦譯),北京大學出版社。

作者後記

作者/周碩君

我喜歡閱讀科學家的故事,認識一個人的成長背景,配合其學術成果,讓我體會到科學發展一直與人緊密相關。我很幸運在 2019 年修了一門通識課,由單維彰老師和鄭芳祥老師共同教授的「知識寫作與思考」,每位學生期末成果就是產生一篇屬於自己的知識寫作。非常感謝老師們對我的文章不斷給予建議,還鼓勵我將作業成果投稿。我的作品選擇了自然科學領域,是一篇結合地球科學和歷史的科普文章,期待透過像說故事的內容,能夠讓更多人透過閱讀獲得有趣的地科知識。

  • 責任編輯|儀珈
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活躍星系核
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia
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漂流了數億年— 大陸與大洋的起源--《科學月刊》
科學月刊
・2015/12/27 ・3491字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

吳依璇/臺大海洋所畢業,目前是《滔滔》的編輯。曾經在物理界裡載浮載沉,隨著洋流漂到地質界裡慢慢沉降。

「分久必合,合久必分。」

三國演義裡訴說天下大勢的句子,卻也能用來解釋韋格納提出的大陸漂移學說。

距今一百年前,即1915 年,32 歲的韋格納(Alfred Lothar Wegener)正式出版《大陸與大洋的起源》(The Origin of Continents and Oceans),內容闡述著韋格納發現到的現象,用以支持「大陸是會移動的」的想法。雖然「大陸是會移動的」這個想法被當時大部分的科學家們嗤之以鼻,但也有少部分的科學家們支持著韋格納。而韋格納的後半生為了證實這句話不斷奔走,直至喪命於格陵蘭考察一行中,享年50 歲。韋格納執著於為大陸漂移學說找出任何可能的證據,儘管因此犧牲,但提供了後人最詳盡的描述。

Prof. Dr. Alfred Wegener, ca. 1924-1930
德國氣象學家韋格納。

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大陸會漂移?

韋格納雖出版《大陸與大洋的起源》一書,卻不是第一位提出大陸漂移想法的學者。早在1596年,奧特柳斯(Abraham Ortelius)就提出美洲、非洲和歐洲原本可能是合在一起的說法。到了1620 年時,培根(Francis Bacon)也發現大陸與大陸之間的海岸線非常吻合,似乎可以拼起來一樣,但是培根也沒有更進一步的討論,僅止於空想。直到1858 年,佩萊格里尼(Antonio Snider Pellegrini)注意到北美洲與歐洲有著相同的植物化石,於是在他出版的《創造和其祕密的顯露》(The Creation and its Mysteries Unveiled)書中表示所有的大陸於距今約三億年前的石炭紀晚期(賓夕法尼亞期,Pennsylvanian Period)曾聚合在一起,也認為大陸是受到大洪水的影響而移動;於是漸漸地有些科學家開始思考,是否大陸真的會移動呢?

該想法受到了丹納(James Dwight Dana)強烈的抨擊,並在《地質學手冊》(Manual of Geology) 中主張大陸早就有它們原本的輪廓,反對大陸會移動的看法。韶光荏苒,數十年過後,泰勒(Frank Bursley Taylor)於1908 年在美國地質學會(Geological Society of America)上表示,非洲西側的海岸線與南美洲東側的海岸線幾乎可以拼合在一起,並分別在非洲西側和南美洲東側的山脈作了廣泛的研究,於是泰勒認為陸塊會在地球表面上移動,現在的高山則是因為陸塊相互碰撞形成,且原本地球的南北極各有個陸塊,而在白堊紀時,陸塊受到月亮的引力緩緩移向赤道,逐漸形成現今的樣子,但是泰勒的想法慘遭當時科學家的忽略與反對。

接著曼托瓦尼(Robert Mantovani)也在1889 和1909年時發表他的看法,他認為現今的大陸原本曾經是一個很大的陸塊,而這大陸塊覆蓋了整個地球,當時的地球比現在還來得小一些,直到火山活動使得地球因熱膨脹造成大陸塊分裂,海洋隨之形成,地球表面漸漸變成現今的樣貌。

1911 和1928 年,貝克(Howard Baker)將現今各大陸重建成一個大陸塊,並提出是金星接近地球時的引力提供動力使大陸塊分裂。在今日看來,雖然這些科學家提出的大陸漂移機制並不合理,但是他們種下「大陸不是靜止不動,也非各自獨立不相干的存在」之種子,等著讓後人將這想法發揚光大。

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02

不被接受的學說

在泰勒發表論文的幾年後,韋格納也注意到大陸之間似乎可以「拼」在一起。1912 年1 月,韋格納在德國地質學會上發表並支持「大陸漂移」的概念,震驚了許多科學家。

在韋格納提出論文之前,科學家們一般認為地球是由熔融的狀態漸漸冷卻收縮形成現今的樣貌;在這個過程中,比較重的元素,例如鐵,慢慢沉入地球內部;比較輕的元素,例如矽和鋁,則慢慢浮到地球表面。地球慢慢冷卻收縮的時候,地球表面也如同乾癟的蘋果一般出現了皺紋,這也就是現今山脈形成的原因;相較於在收縮時壓力比較大的地區,部分地表則陷落形成海盆。隨著時間推移,陸地和海洋的位置也會漸漸改變,這是因為有些陸地陷落得較周圍陸地區域快速,形成了海洋,也使原本為海洋的地區被擠壓成陸地。

除了陸地和海洋的形成原因以外,科學家們認為在大洋兩側的陸地會發現到有相類似甚至是一樣的植物和動物化石,是因為大陸之間曾有條陸橋可以連接,動物們就可以藉這條陸橋來往於兩大陸,只是最後這條陸橋沉入海底。科學家們也在地層紀錄裡看到海水向著陸地「海進」與遠離陸地的「海退」,海進與海退的現象被認為分別是陸地的沉積物逐漸填滿海洋盆地與海洋盆地陷落而形成。

然而,韋格納發現了許多與「地球收縮理論」相矛盾或無法解釋的現象,而這些現象支持大陸漂移說。例如,韋格納發現如果將大西洋兩岸的非洲和南美洲拼在一起時,非洲西側和南美洲東側大陸棚裂的分布位置非常吻合;全世界的山脈分布大多呈曲線形,如果山脈是因為地球收縮而形成的,那麼山脈的分布應該是像顆乾癟蘋果上的皺紋一般隨機分布才合理。在韋格納測量全球地表的地形起伏時,包括山有多高與海有多深,發現地形起伏的高度分布出現兩個峰值,若是依照地球收縮理論,地形起伏的高度分布應該會比較傾向於常態分布。韋格納認為這是因為地殼主要由兩層不同密度的岩石所組成,密度較小的花崗岩會在上層、形成陸地;密度較大的玄武岩則在下層、形成海床。

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韋格納身為一位氣象學家,其中一項能使他深切相信南美洲與非洲曾經合併在一起的證據就是古氣候的指標;他在重建古老的大陸塊時,將在不同大陸上所發現的冰川、熱帶雨林和沙漠等氣候所形成的沉積物重新分布在相近的位置上,最後,韋格納按照這些方法拼出一塊大陸塊來。例如韋格納彙整了南美洲、非洲、澳洲、印度和南極洲上古冰川留下的痕跡,用以指示當初冰川流動的方向,發現這些陸地可以被拼湊成一塊大陸塊,且冰川由此大陸塊中心向四面八方流動;但是現在南美洲、非洲、澳洲、印度這些地方都不太有冰川活動,所以當初這些小陸塊可能是曾經位處南極地區的大陸塊分裂而成。種種發現都讓韋格納相信大陸不只會漂移,而且現今的各大陸應該是由一塊超級大的大陸塊分裂而成,並且在1915 年出版的《大陸與大洋的起源》一書中詳細描述大陸漂移的構想。

分久必合,合久必分

韋格納在《大陸與大洋的起源》中,結合了所發現的各項資料,最終描繪出來的大陸塊被命名為盤古大陸(Pangaea或Pangea),這個名字也代表著「全陸地」的意思。

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儘管韋格納提出曾經有超大陸存在的證據相當有力,但他卻沒有辦法合理解釋大陸漂移的動力機制。他當時提出是天體引潮力和地球自轉所產生的離心力作用下,使原本一塊很大的陸塊破裂成許多小的陸塊,反對者指出這些作用力太小,不足以移動整個大陸橫跨海洋,地球物理學家杰弗里斯(Harold Jeffries)曾假設潮汐能夠克服海床造成的摩擦力來推動大陸,使大陸漸漸的移動,按照計算的結果,地球將在一年後停止轉動;更何況韋格納計算出大陸漂移的速率約是每年250 公分(現今美洲相對於歐洲和非洲的分離速率約是每年2.5 公分),想當然爾,其他科學家根本不接受大陸移動的速率是如此地快,也連帶地不接受韋格納提出的大陸漂移說。

光陰似箭,歲月如梭,至今大陸漂移說也漸漸發展成板塊構造學說,科學家們也相信在約距今3 億年前地球上有個盤古大陸的存在。這塊盤古大陸也就如同韋格納所相信地那樣,約在1 億7 千5 百萬年前開始分裂。和現今的大陸分布大為不同的是,盤古大陸大部分都集中於南半球,並由一超級大洋包圍著,這片超級大洋稱之為泛大洋或盤古大洋(Panthalassa)。

在盤古大陸分裂後,形成兩大陸塊,一塊漸漸向南邊移動的是岡瓦那大陸(Gondwana);另一塊漸漸朝北邊移動的是勞亞大陸(Laurasia)。向南邊移動的岡瓦那大陸後來又再分裂成南美、非洲、印度、澳洲和南極洲等小陸塊;向北邊移動的勞亞大陸則漸漸分裂成北美、非洲和歐亞大陸等小陸塊。盤古大陸是目前地球歷史上最後一塊超級大陸,但大陸仍舊不斷地漂移,估計未來會形成終極盤古大陸。

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結語

雖然韋格納的大陸漂移說在當年飽受抨擊,他的研究也因其在1929 年第三次格陵蘭考察中喪生戛然而止,然而到1950 年代中期至60 年代以後,隨著古地磁學、海底測勘的技術發展,科學家們奠基於韋格納在百年前的研究成果,發展出現今的板塊構造學說;以現在科學的發展,應是當年強烈反駁大陸漂移說的科學家們始料未及的結果,也印證叔本華所說:「所有真理都會經過三個階段:人們先認為是可笑的,再強烈反對,最後才會接受它是不證自明的。」

201510〈本文選自《科學月刊》2015年10月號〉

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寂靜的山頭是否即將復活?
臺灣造山知多少?噪訊地震學告訴你

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臺灣造山知多少? 噪訊地震學告訴你--《科學月刊》
科學月刊
・2015/12/24 ・3852字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 578 ・九年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

作者:
黃梓殷/國立臺灣大學地質科學系。
陳映年/國立臺灣大學海洋研究所。
龔源成/國立臺灣大學地質科學系。

身為臺灣人,焉能不知臺灣之美?「依山傍海」是很多人對自己故鄉的描述,也是本島地景最大特色。臺灣島有三分之二的面積被山地及丘陵所覆蓋,其中更有超過260 座3000 公尺以上的高峰,密度堪稱為世界之最。讚嘆美景之餘,大家不免好奇:這壯闊的山脈究竟是什麼樣的鬼斧神工造成的呢?我們今年8月在Science 所發表的研究,談的就是這個課題。

為了解開地下之謎,科學家利用各種物理特性對地球進行了體檢,例如:溫度、壓力、電磁波、重力等,以及地震波速度。藉由這些特性的交互參照,可以將地球由內而外分成固態的內地核、液態的外地核、地函和最外圍的地殼。其中依照岩石的強度,亦可將地殼及部分上部地函合併為岩石圈,漂浮在相對較軟、黏滯且速度稍低的軟流圈上。本文所要探討的造山問題,就是發生在複雜多變的岩石圈裡。

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爭論不休的造山謎團

根據「板塊構造學說」,岩石圈由許多板塊所組成,而獨特的臺灣島正是座落於歐亞板塊和菲律賓海板塊的邊界上,二者正以每年近8 公分的速度快速聚合。臺灣島的生成始於6 百萬年前,菲律賓海板塊攜帶呂宋島弧向西北挺進,並撞上歐亞板塊東南緣。演化迄今,在臺灣東邊,菲律賓海板塊沿著琉球海溝向北隱沒至歐亞板塊下方;而在臺灣南邊,則反過來由歐亞板塊沿著馬尼拉海溝向東隱沒至菲律賓海板塊下方(圖一)。這兩個相反卻又糾結的隱沒系統延伸至臺灣,產生巨大的大地應力使得山脈以極快的速度抬升,同時也伴隨著非常頻繁的地震活動。不管從造山的速度、造山的劇烈程度、造山的複雜度以及非常短的造山時間來看,臺灣的造山謎團都足以吸引全球地質學者的目光。

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圖一:臺灣板塊構造。

這懸宕數十年的造山謎團隨著各種實驗和觀測佐證,漸漸有了不同的假說:地質學家以力學及運動學為背景的推土機理論為主,配合模擬地表地形及褶皺、斷層型態建立了古典「薄皮理論」,而地球物理學家則由震波速度、重力、和電磁等研究建立了岩石圈碰撞說(又稱為「厚皮理論」,如圖二)。「薄皮」強調地下10 公里處存在向東微傾的滑脫面,地殼受擠壓後,滑脫面上方的物質像被推土機推動般被堆高,或刮起、或褶皺,或者產生大大小小的斷層。整體來說,造山作用只在滑脫面上方;而「厚皮」則認為沒有滑脫面,板塊擠壓產生的變形可以往上堆高形成山脈,並且向下延伸形成「山根」。近十年內隨著計算能力及觀測技術的提升,造山爭議也催生出更細緻的假說。然而這些造山故事雖然都有其根據,卻仍各說各話甚至互相駁斥。

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圖二:薄皮理論與厚皮理論運動方式。(作者提供)

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突破限制的噪訊法

地震波向來被視為全面檢視地下構造最便利也最有力的工具之一。使用震波研究地下構造的過程和醫學上的電腦斷層掃描非常類似。在本研究中,我們期望利用地震波裡的「表面波」來了解地殼的複雜構造。「表面波」(surface wave)──顧名思義是只在近地表傳遞的波,不同於在地球內部傳遞的P 波及S 波,它可以針對淺層構造提供更好的解析能力。令人遺憾的是:表面波通常只能透過較淺、較大、較遠的地震產生,也因此淺層速度構造在過去的研究結果中可稱得上是盲帶。

2003年,坎皮(Michel Campillo)和保羅(Anne Paul)率先使用新興的震波萃取技術「噪訊法」。理論上,計算兩測站長時間連續噪聲的交互相關函數(cross-correlation function),即可獲取兩站間以表面波為主的震波訊號,而這些噪聲的主要來源為海浪與海床、海岸相互作用產生的振動訊號。「噪訊法」──或可稱為「沒有地震的地震學」,除了免除傳統地震學受到震源的諸多限制外,還帶來了重要的優勢:測站越密,解析度越高。環海且測站密集的臺灣使用噪訊法再適合不過,臺灣的淺層地殼的面紗也終於得以摘下。

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圖三:臺灣地形圖與GPS 觀測結果,本研究使用測站以紅色三角形示之(CP:西部平原、WF:西部麓山帶、HR:雪山山脈、CR:中央山脈、LV:花東縱谷、CoR:海岸山脈、EP:歐亞板塊、PSP:菲律賓海板塊)。(作者提供)

透過噪訊法的應用,我們分析全島八十多個測站的地震儀連續雜訊(圖三),包含了中研院地球所、氣象局,以及臺灣大地應力國際整合計畫的寬頻觀測網,從中萃取出上千筆表面波訊號,並於2012 年發佈了臺灣第一個完整的表面波速度模型(圖四)。研究結果顯示淺層的速度分佈和地表觀測到的地質構造非常一致:模型在山脈下方為高速,可反映出在造山過程中曾經被強大應力擠壓夯實後的高密度物質;模型在沿海和盆地區顯示為低速,反映出在地勢低處長久以來的沉積成果,這些沉積岩只受到上覆物質的重力作用,密度遠低於山區的變質岩。這項觀測大幅提升了我們對淺層構造的信心,但地下速度構造和地表地質證據的關聯性究竟向下延伸到多深呢?

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圖四:臺灣地殼速度圖與非均向性。顏色代表震波波速,短黑線代表非均向性方向與大小。注意地下9~13 公里為上下層之過渡帶。(註:彩色速度與觀測的結論相同,此處僅展示2015 的研究結果。)(作者提供)

深層的速度模型告訴我們:深逾10 公里以下,山區速度反而變得比周圍慢了。這個答案顯然無法解答我們對造山的未知,因為它提供的意涵恰如造山機制長久存在的分歧一樣使人感到困惑。首先,地表構造的關聯性只延伸至地下10 公里,暗示了造山作用似乎如同「薄皮」所推論,侷限於淺層;然而,深處山脈的低速構造卻又和「厚皮」所強調的「山根」特性相仿。導致這困境的主要原因是──單純的三維震波模型無法告訴我們岩體如何變形,而造山過程中所引發的變形型態及其分佈的範圍卻正是釐清有關臺灣造山兩主要學派爭議的關鍵。為此,我們需要進一步了解震波速度的「非均向性」。

從「非均向性」解析變形方式

「非均向性」是指物質的物理特性(如:熱傳導係數、導電能力、熱膨脹係數,還有波速等)隨方向不同而有所差異。岩石受力產生變形後,地下各種尺度的結構,小至礦物晶體排列、大至斷層產生的不連續面,都有可能造成其彈性性質的非均向性,並反映於與其密切相關的震波速度。因此,震波速度的非均向性可以有效地幫助我們判斷岩體的變形方式及相對應的應力。非均向性包含兩項量化標準:快軸方向及非均向性大小,前者標示出受力後產生變形方式,而後者則暗示著岩石變形的程度。一般來說,地殼非均向性的控制因素相當複雜,產生的變化幅度也很大,快方向速度甚至可比平均速度高出20%。

我們在2015 年發表了第一個臺灣地殼三維非均向性模型(圖四黑色短線)。此模型涵蓋地表至地下50公里,由淺到深逐漸變化,然而,以地下9~13 公里層為過渡帶,上下兩層的快軸方向卻呈現近乎垂直的顯著差異:上層為東北- 西南向(平行山脈走向),下層則轉為西北- 東南向(平行板塊聚合方向)。此結果明白顯示出:臺灣淺層和深處的地殼變形方式並非一致!而造成此變形機制差異的因子為何呢?

我們可從三個方面來看:一、由地質證據中可看出淺層地殼中的構造(如斷層、褶皺軸)和規律性排列的岩理皆平行於臺灣的山脈走向,這些在擠壓應力系統下產生的構造,對淺部地殼平行山脈走向的非均向性貢獻良多。二、深層平行板塊聚合方向的非均向性由截然不同的機制所主導:在中央山脈下方,由於增高的溫度與壓力,使得岩石漸漸失去脆性特質,轉變為較軟且具黏塑特性,與此同時,中下層地殼礦物亦經過分離、再結晶與重新排列,產生了新的紋理,造成近乎垂直於淺層的快方向分佈。三、新的紋理方向揭露造山關鍵:上下層變形方式不同,但之間存在著連動關係。在上層受擠壓隆起形成山脈的同時,地殼下方則是到受歐亞板塊持續向東的隱沒作用牽引,夾在其間的中下部地殼消化了這兩者間的相對運動因而產生剪切變形(圖三),這就是新紋理的形成機制。

臺灣造山機制真相

綜合上面所說,透過地殼速度非均向性的研究,我們提出「耦合分層變形」造山模型。在此模型中,臺灣的造山行為影響深度超過30 公里,但上下層變形方式不同:上層反映順應擠壓產生的構造,下層則是反映下方隱沒板塊施加的剪切變形。

以造山的深度範疇而言,「耦合分層變形」近於薄皮理論,因為只有上層受到擠壓隆起,但其大於30 公里的變形深度卻又符合厚皮的精神。這個新發現彌補了過去因為難以掌握地殼變形而衍生而出的各家造山假說,也更合理地解釋了臺灣山脈抬升快速的原因,同時亦暗示著臺灣山脈還會繼續長高,且相較於造山剛開始時,生長情形將隨著耦合越來越緊密而加速。這項研究不僅對臺灣造山的爭議提供了有力的新證據,同時也為全球造山演化模型加入新的思考方向,是否全球的古老造山帶都曾經經過耦合分層變形的階段呢?相信科學家早已迫不及待在其他地方尋找證據了!

參考資料:
Chen, Y. N. et al., Characteristics of short period secondary microseisms (SPSM) in Taiwan: The influence of shallow ocean strait on SPSM, Geophysical Research Letters, Vol. 38(4), 2011.
Huang, T. Y. et al., Layered deformation in the Taiwan orogeny, Science, Vol. 349(6249):720-723, 2015.
Huang, T. Y.et al., Broad‐band Rayleigh wave tomography of Taiwan and its implications on gravity anomalies, Geophysical Research Letters, Vol. 39(5), 2012.

201510本文選自《科學月刊》2015年10月號

延伸閱讀:
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是誰住在深海的大煙囪裡?海底熱泉的秘密
陳俊堯
・2015/12/22 ・3038字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 488 ・五年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

source:sciencedaily
source:science daily

海底,是個我們到不了看不到,只能想像的世界。而且就算你到了那裡,也還是看不到四周的景物,因為陽光照不到那樣的深度,只能依靠深海潛艇的微弱燈光觀察鏡頭前的那一點小世界。不過在累積了這些年的研究成果,我們現在知道在深海,即使不像陸地或珊瑚礁那麼熱鬧,也還是有著豐富的生命現象。而在大陸板塊的交界處(例如印度洋洋脊),比較容易有地熱活動,而在這些地區的生命活動更是活躍,在死寂的海底世界裡倒像是個綠洲一樣。

 IODP Expedition 360 計畫預計在印度洋洋脊(Indian Ridge)轉形斷層附近的 Atlantis Bank 地區進行深鑽,最終希望可以真正到達海底下 5 到 6 公里深的地方,帶些樣本回來,看看裡頭長了些什麼樣的生物。

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印度洋西南洋脊(South West Indian Ridge)向兩側張裂的移動速度,是目前在各洋脊裡面是第二慢的。這也代表在這裡的地底下藏著的那個惡魔力量,相對來說比較小。但是即使是這樣,這個區域的地熱活動還是不少,目前已經有好多個海底熱泉被發現了。海底熱泉是在海底出現的熱泉(廢話),從海底的裂縫向外噴出在地底流過高溫岩層的水,像個溫泉一樣。在討論地底下有什麼生物之前,讓我們先來看看在印度洋西南洋脊的海底熱泉是個什麼樣的景觀。

正常釋放來自地底的能量

除非你是地質學家,不然我們這些生活在地表上的生物,是很難察覺到這股隱藏在地底下的能量的。不過大家對地震這種”正常能量釋放”倒是挺熟悉的,只是這種程度的能量不是生物有本事可以拿來使用的。另外一種你有機會在地面上看到的地底能量是地熱,激烈一點的以壯觀的火山爆發出場,溫和一點的可能是你熟悉的溫泉。

這些地熱活動不只釋出熱能,也把原本在地底的化學物質跟著熱水給送了出來。舉個例子來說好了,過去我在瑞穗溫泉區收集了剛從地底湧出的泉水,裝進桶子裡帶回花蓮的實驗室。瑞穗的溫泉水裡富含鐵質,有很多二價鐵離子。這些不知道在地底待了多久的鐵,在被我裝進桶子裡後碰到空氣裡的氧氣,在短時間內被氧化成三價鐵,跟氧結合變成黃色的沉澱。半小時後當我回到位於花蓮市慈濟大學的實驗室時,原本澄清的溫泉水裡就多了好多黃色的沉澱物。這也是正常能量釋放;二價鐵氧化放出能量,只是沒有生物來得及利用它們而已。

來自地底的暗黑能量讓海底熱泉成為生命之泉

印度洋西南洋脊是個板塊交界帶,難免有些裂縫。這些通往地底世界的小窗口,可能以海底火山,或是以海底熱泉的方式出現。我們先來談談海底熱泉是個什麼樣的地方。海底熱泉和你會去泡湯的溫泉完全不像,它絶對不是像溫泉池那樣光亮開闊的環境,因為沒有光可以從海面一路到達這麼深的海底,所以這裡是個一片黑暗的世界。地面上的世界由植物/藻類/細菌來把陽光裡的能量轉變成化學能,這些光合生物再利用這化學能,把二氧化碳變成葡萄糖,養活其它生物,這是我們熟知並且賴以維生的光合作用。那在沒有光的海底呢? 沒有光,就沒有光合作用的可能了。但是深海潛艇在這種環境裡的確拍到很多生物,包括有著鮮紅外鰓的管蟲,以及像精美小瓷器的螃蟹。牠們到底是吃什麼東西活下來的呢?

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這裡一切的養份來源都要靠住這裡的化學自營細菌(chemolithoautotroph)來提供。在這個環境裡,化學自營細菌取代了綠色植物的功能,擔負起養活整個生態系的責任。從地底源源不絶流出來的水裡富含一些在被氧化後可以放出能量的分子,包括硫化氫、甲烷、氫氣、小分子有機酸等等。

住在這裡的細菌利用這些分子反應後放出來的能量,就像綠色植物利用光能來生活一樣。綠色植物利用這些能量來把二氧化碳變成葡萄糖餵養自已和動物,細菌也利用地底能量來做相同的事,成為養活這裡各種動物的食物。我們把這個重要性等同於光合作用的反應稱為化合作用(chemosynthesis),在沒有光的海底世界,這個作用支撐著這裡數量龐大的生物族群。

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在東北太平洋海底的 Sully 黑煙囪,以及附近成群的管蟲。 Source: NOAA

印度洋西南洋脊的海底熱泉

海底熱泉不停向外噴出熱水。而這些熱水遇到冰冷的海水立刻降溫,裡面的溶質就沉澱了下來,在泉水噴口附近堆成小山狀的”煙囪”。科學家在印度洋西南洋脊已經找到一些海底熱泉,這些海底熱泉跟過去在其它地方研究過的海底熱泉不太一樣。這裡的泉水溫度較低,噴出來的水裡富含硫化氫。因為硫化氫是黑色的,所以這樣的熱泉被歸類為”黑煙囪”(black chimney, black smoker)。一群來自香港和中國的科學家前陣子發表了一篇研究報告,仔細”解剖”了一個編號 S35 的黑煙囪,以及一個顏色略偏褐色、編號 S32 的褐煙囪,研究煙囪裡每個部位裡有些什麼細菌,想辦法知道住在那裡的細菌在做什麼。

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他們研究的這個黑煙囪噴出的水,溫度大約是在 80 度左右。因為水裡有很多硫化氫,所以住這裡的細菌不意外的以能利用硫化氫的菌種居多。泉水從黑煙囪噴出來之後就直接接觸到煙囪外部,於是在那個地方就有很多能氧化硫化氫的細菌等著利用這些好料。這些細菌把硫化氫氧化放出能量,再利用這能量來把二氧化碳變成有機物存下來。而住在這裡的動物們,例如 Shinkaia crosnier 柯氏絨鎧蝦,就拿這些細菌來當食物

柯氏絨鎧蝦身上長了很多這些能利用硫化氫的細菌,細菌直接在殼的外面生長,相連拉成細絲狀,像是全身掛滿了流蘇裝飾。柯氏絨鎧蝦這樣把食物種在自己的身上其實很方便,餓了就把這些細菌條一根根扯下來當點心吃。在很多海底熱泉環境都可以看到管蟲,牠們更厲害,直接在身體裡養這些細菌,靠這些共生細菌來提供養份,連腸子都不需要自己長了。

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柯氏絨鎧蝦 (Shinkaia crosnieri). Source: Daiju Azuma (CC BY-SA 2.5)

沒有氧氣,誰還在呼吸?

在黑煙囪結構的外層,因為能接觸到大量剛從煙囪排出的硫化氫,這裡出現的是拿硫化氫當能量來源的細菌,會把硫化氫氧化掉變成硫再變成硫酸。我們來談談住在黑煙囪的另一類細菌。氧氣對動植物的存活來說很重要。我們細胞裡的能量有一部份是靠電子傳遞鏈來提供,而電子傳遞鏈需要有氧氣的持續供應才能正常運作。在黑煙囪結構的深處,因為碰不到有氧氣的海水,又有細菌不停消耗氧氣,於是這裡慢慢就變成了個沒有氧氣的環境。住在黑煙囪裡的細菌也要呼吸,只是當環境裡沒有氧氣時,它們轉而使用硫酸根離子來維持電子傳遞鏈的運作。這也是一種呼吸作用,只是不用氧氣,所以被稱做無氧呼吸(anaerobic respiration)。

住在黑煙囪內層的是靠無氧呼吸來生活的細菌。這些細菌可以從湧出的泉水裡得到煙囪裡的氫氣及有機養份,能量滿滿,但是需要像硫酸根這種硫的氧化物來維持電子傳遞鏈正常運作,被利用完的硫酸根變還原成硫化氫丟棄。而這人家丟掉的硫化氫,正是在黑煙囪外層的細菌期待著的能量來源。內層外層沒多遠,但是住著的是截然不同的兩類細菌。從能量上來看,這裡真的是一個極度貧富不均的社會。如果我們把能量和細菌改由錢和人類來想像,這裡的細菌社會裡有一群有錢得要死的人(內層的異營性細菌),它們把用完剩下不要的東西(硫化氫)當垃圾丟掉。而有一些賺錢辛苦的人(外層的化學自營細菌),把別人丟掉的東西(硫化氫)撿回來,當做養份來養家活口。只要能活下去,細菌什麼都可以做呢。

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陳俊堯
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慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。