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地殼變動的記錄器–天然的「記溫時鐘」

95/02/07 瀏覽次數 17271
在地球46億年的漫長演變歷史中,地殼變動事件頻繁而複雜。地殼中的礦物如磷灰石、鋯石、榍石、黑雲母與白雲母等,兼具「古溫度記錄器」與「定時器」的功能,科學家利用這種礦物與溫度關係的特性,配合其他放射性定年法,發展出來的「記溫時鐘」(thermal-time clock, TTC)分析法,是研究地殼變動的極佳工具。這分析方法提供科學家探究各地地殼變動的歷史,讓我們能進一步了解地球的奧祕。

英國地質學家赫登(James Hutton)於1785年提出「均變說」,也就是「古今一致說」,闡明地球上過去和現在進行的地質作用之間的關係,成為地球科學家研究地球歷史的重要基礎。依據「均變說」,現在與過去所發生的地質作用基本原理相同,只不過規模與速率可能不同。也就是說,我們可以從觀察現在進行的地殼變動,以及地層中的物質與構造,追溯地球演變的歷史。

大尺度地殼變動

隕石撞擊地球 漫遊在太空中的流星體,受到地球重力的吸引進入大氣層時,因和大氣摩擦產生高熱,發出亮光形成流星。質量較小的流星體由於高溫蒸發而無法倖存下來,但是質量較大的流星體,不易在墜落的過程中燒盡,而會掉落到地表成為隕石,甚至產生隕石坑。

一般而言,隕石可以分為3大類:石質隕石、鐵質隕石和石-鐵質隕石。大多數的隕石會墜入大海、沙漠和冰川地區,能被人們發現的隕石非常有限,目前發現的隕石大多來自南極洲。據估算,每年掉落到地球上的隕石,重量在1公斤以內的大約有1萬9千塊,1公斤以上的有4,100塊,10公斤以上的有830塊。

地球歷史中已知有5次生物大滅絕的事件,一般相信其中至少有1至2次滅絕事件與隕石撞擊地球有關。在6千5百萬年前的白堊紀,一顆直徑大約10公里的巨大隕石撞擊地球,造成以恐龍為首的65%生物因而絕種,使得哺乳類有機會在地球上興起,是地球史上最著名的生物大滅絕事件。

地震斷層 在科技尚未昌明的年代,地震的發生多以怪力亂神的傳說來解釋。例如本省民間傳說是「地牛翻身」造成地震發生,日本人則以為「鯰魚搖動」是地震成因。1906年舊金山大地震後,美國約翰霍普金斯大學萊德(H.F. Reid)教授提出「彈性回跳」理論來解釋地震的成因。萊德教授認為,岩石受力會產生變形,一旦岩石變形達到其彈性限度時,岩石便產生斷裂而永久變形造成斷層,並把累積的能量以震波方式釋放出來。根據斷層面兩側岩石位移的方式,斷層種類可分為正斷層、逆斷層和平移斷層。

1935年美國地震學家芮克特(C.F. Richter)依據地震儀的振幅大小,估算地震能量-地震規模而創立芮氏地震規模。此後,全世界就以芮克特所定的芮氏地震規模為標準,表示地震振幅與能量的大小。芮氏地震規模的數值每增加1單位,地震振幅就增加10倍,能量大小就增加約32倍,譬如芮氏地震規模3的振幅,是地震規模2振幅的10倍,是地震規模1振幅的100倍。1960年智利發生世界上有史以來的最大地震,地震規模9.5,地震振幅大約是我國1999年921大地震規模7.3的160倍。

火山爆發 火山活動是地球內部的岩漿噴出至地表的地質現象。地下深處的岩漿因為地殼變動而有機會流出或噴出地表,它們主要分布在地球上6大板塊互相運動的交接處。

板塊相互碰撞擠壓的結果,在不同型態的板塊交界附近,產生不同型態的岩漿活動。例如在聚合板塊邊界,比重較大的玄武岩質海洋地殼,會隱沒到比重較小的花崗岩質大陸地殼之下。下沉的海洋地殼到達地球內部深處時,產生部分熔融作用而形成岩漿,岩漿上升穿透地殼在地表形成火山。而在張裂板塊邊界,岩漿會由張裂處流出形成火山,例如東非大峽谷與大洋海底的中洋脊等都屬於這一類。

除了上述兩種型態的板塊邊界附近可能產生火山活動外,地函深處的岩漿也有機會流出地表形成熱點,造成火山活動,活動的時間可持續達千萬年之久。

海底擴張 海底擴張是一種分布範圍極為廣大的地殼變動。1950年代海洋地質學家尤溫(M. Ewing)與海曾(B.C. Heezen)發現海底有中洋脊,即海底巨大山脈存在。中洋脊的頂部有深約1~3公里的裂谷,而裂谷是高溫岩漿上升湧出的地方。中洋脊兩側的地殼,因地函對流作用的影響,不斷往外擴張移動。因此較年輕的海洋地殼在中洋脊頂部形成,而年代較久的海洋地殼則因海底擴張的緣故,分布在距離中洋脊較遠處。

美國地質學家海斯(H.H. Hess)和狄茲(R.S. Dietz)於1960~1962年提出「海底擴張說」的理論,主張中洋脊的裂谷是地函物質上升的湧出口,熾熱的岩漿不斷從裂谷湧出,並成為新的海底。1966年范恩(F.J. Vine)發現中洋脊左右兩側有磁性異常現象,兩側磁性相互平行,正異常(與現在地球磁場方向一致)與負異常(和現在地球磁場方向相反)交替出現,證實了海底擴張的說法。

海底擴張學說的成立不僅解釋了海底擴張地殼變動,也使得大陸漂移說得以復活,促成1967年麥金齊(D.P. Mckenzie)與派克(R.L. Parker)板塊學說的建立。

定年法

化石定年
 數十億年的地質年代可分為:始生代(約46億年前至25億年前)、原生代(約25億年前至5億5千萬年前)、古生代(約5億5千萬年前至2億5千萬年前)、中生代(約2億5千萬年前至6千5百萬年前)、新生代(約6千5百萬年前至現在)等年代。

除了始生代與原生代之外,各個地質年代的地層中都有屬於該時期特殊的古生物化石。譬如,三葉蟲是古生代的代表性化石,菊石與恐龍是中生代代表性化石,哺乳類與軟體類動物化石則出現於新生代。地質學家依據地層中古生物化石的種類,就可判斷地層的年代。

古地磁定年 地質年代中地球磁場方向每隔一段時間會有逆轉現象,利用地球磁場方向正異常與負異常的特性,地質學家可以建立地層岩石中古地磁的層序,即地磁地層。用地磁地層為標準,就可以確認未知地層的年代。根據地質資料顯示,最近450萬年內地球磁場方向已有9次逆轉現象發生,現在地球磁場的方向已持續了70萬年。

地層對比 地層對比是地質年代學常應用的方法。地層中沉積物堆積的先後關係(層序)、沉積物的物理和化學特性(岩性)、記錄古時地球磁場方向異常的古地磁資訊與古生物化石種類等地質資料,是地層對比的基礎。藉由地層對比再配合其他地層學的定律,可進而推斷出地層的相對時間關係。

放射性元素定年 放射性元素定年法是一種比較精確的定年法,放射性元素(母元素)具有蛻變的性質,隨著時間會持續蛻變成其他元素(子元素)。在母元素蛻變過程中,母元素的剩餘量減為最初母元素含量一半的時間,稱為半衰期。不同的放射性元素,半衰期長短也不相同。譬如碳/氮(C14/N14)半衰期5,730年、銣/鍶(Rb87/Sr87)半衰期4.7 × 1010年、鉀/氬(K40/Ar40)半衰期1.3 × 109年、鈾/鉛(U238/Pb206)半衰期4.5 × 109年。

碳/氮定年法由於半衰期較短,常應用於考古學與新生代第四紀冰河期的研究。銣/鍶、鉀/氬、鈾/鉛等定年法則因半衰期較長,適合應用於地史學或地質年代學等,可以建立較完整的地質年代表。

核飛跡定年 核飛跡定年(fission track dating,FTD) 是一種較新的定年法,目前國內尚未有統一譯名。地質學家們有用直接英譯為譯名,《大英簡明百科知識庫》譯名是裂變徑跡年齡測定法,行政院原子能委員會的《放射性廢料辭彙目錄》則用分裂徑跡定年、分裂痕跡定年或核飛跡定年等為譯名。

核飛跡定年的原理與放射性元素定年法一致,只不過它是以測量放射性元素核分裂後,在礦物的結晶面所產生的分裂徑跡為依據。磷灰石、鋯石等天然礦物結晶中,含有質量數較大的放射性鈾元素,由於它的不穩定性,會進行核分裂反應。一個鈾原子分裂為兩個較輕的高能帶電粒子,它們高速運動時因庫倫力作用,破壞了礦物結晶的晶面,而形成分裂徑跡。核飛跡定年法藉由分析分裂徑跡的數量與長度資料,可以獲得溫度與時間相關的地質訊息,常應用於隕石撞擊地球、造山運動、盆地演化等的研究。

「記溫時鐘」分析法

礦物結晶與溫度
 礦液由液體變為固態是礦物形成的主要方式,火山噴發出來的熔岩流,如果迅速冷卻,來不及形成結晶礦物,就成為非晶質的火山玻璃。1922年美國岩石學家包溫(N.L. Bowen)發表他的研究成果指出,單一岩漿可以產生不同的火成岩。之後,包溫與他的研究伙伴又發現岩漿冷卻過程中,會有不同的礦物生成,他們稱這一系列礦物生成的現象是「反應系列」,也就是所謂的包溫氏反應系列。

溫度–時間變動史 數十億年的地球演化歷史中許許多多的地質事件,無論是隕石撞擊地球、地震斷層、火山爆發或海底擴張等,都可以依據各種定年方法,確認這些地質事件發生的時間。但是,這些定年事件僅是一維向度的資訊,科學家們所能獲得的學術價值有限。如果能夠再引進其他資訊,譬如地殼中岩石結晶礦物的溫度資料,將可以獲得二維向度的資訊,即「溫度–時間」變動史。

以包溫氏反應系列中的同一岩體連續反應系列為例,分析岩體中各個礦物的結晶先後,可以得到所對應的溫度紀錄。再配合其他如放射性元素定年法,就可以分析這個岩體由高溫降至低溫的變化,獲取岩漿上升或噴出的時間與速率等相關訊息,就可建立該岩體的「溫度–時間」變動史。

記溫性指標礦物 地質年代學中,地質學家們常以磷灰石、鋯石、榍石、黑雲母與白雲母等礦物,進行「溫度–時間」變動史的研究。他們應用這些礦物結晶與溫度關係的特性,配合放射性定年法,建立一完整的溫度–時間關係,以解析完整的地殼變動史。磷灰石、鋯石、榍石、黑雲母與白雲母等礦物是地質年代學的記溫性指標礦物。

一般而言,核飛跡定年法所使用的記溫性指標礦物磷灰石、鋯石與榍石,開始計年的溫度分別約攝氏110、240和250度;鉀/氬定年法所使用的指標礦物黑雲母與白雲母,溫度分別約攝氏300和350度;銣/鍶定年法所使用的指標礦物黑雲母與白雲母,溫度分別約攝氏300和500度。

如果我們在地球表面取得一岩體,含有上述各個記溫性指標礦物的溫度-時間紀錄,就可以依據這些資料,建立這岩體從高溫狀態,冷卻至約攝氏110度,再逐漸露出至地表的溫度-時間變動史。

記溫時鐘分析法的應用

隕石撞擊 隕石撞擊地球時所產生的熾熱能量,使得撞擊處(即隕石坑附近)岩石發生再結晶作用,新產生的記溫性指標礦物或玻璃,可能記錄著撞擊事件發生的時間與溫度。地質學家分析這些地質紀錄,就可以判斷隕石撞擊地球後的影響範圍、規模大小及撞擊後的冷卻情形。

地震斷層 地震發生後斷層面兩側的岩體永久變形產生位移,斷層面間的岩石因地震摩擦而產生高溫,發生再結晶作用,地層位移後也會改變斷層面兩側岩體的溫度分布。採取斷層面兩側岩石與斷層面間岩石的記溫性指標礦物,可以獲得地震發生的時間、頻率與地層位移量大小。

火山爆發 火山爆發產生岩漿流出,噴出地表的物質形成結晶礦物、火山玻璃與火山灰等,這些火山附近一層層的堆積物中,礦物結晶和玻璃都可能記錄著火山作用發生的時間、噴發頻率與溫度。

海底擴張 在海底的中洋脊處,較年輕的海洋地殼位於頂部,較年老的海洋地殼,因海底擴張而分布於距中洋脊較遠處。中洋脊兩側地殼的磁性有正反交替的現象,正異常與負異常交替出現的區域,分別記錄了古時地球磁場方向與磁性異常現象發生的時間。測量每一磁性異常區域內的記溫性指標礦物,就可估算出海底擴張的速率。

臺灣位於歐亞板塊和菲律賓海板塊的邊界上,由於歐亞大陸板塊的前緣與菲律賓海板塊兩者之間的擠壓碰撞,造山運動異常劇烈,因此火山與地震活動頻繁。以臺灣中央山脈造山運動為例,利用記溫性指標礦物,如綠簾石、黑雲母、榍石、鋯石、磷灰石等的定年資料,建立岩體從攝氏300度狀態,冷卻至攝氏110度,再上升至地表的溫度–時間變動史。由記溫性指標礦物定年資料顯示,臺灣造山運動約在500~600萬年前開始,300~400萬年前地殼變動的抬升速率急速增加,目前還在持續進行中。

在地質年代的研究中,溫度與時間是地殼變動史二項非常重要的參數。本文以隕石撞擊地球、地震斷層、火山爆發與海底擴張等較大尺度的地殼變動事件為例,闡明「記溫時鐘」分析法的功能與特性。記溫性指標礦物如磷灰石、鋯石、榍石、黑雲母與白雲母等結晶,蘊含二維向度的溫度–時間資訊,不僅在地質年代學中提供定年上「時間」的重要線索,同時也對地殼變動的演化速率提供連續性的「溫度」數值追蹤。記溫性指標礦物是探索地殼變動的有力工具,也是一天然的「記溫時鐘」。

深度閱讀
  1. 何春蓀(1981)普通地質學,五南圖書出版公司,臺北。
  2. 地質(1997)第十六卷第一~二期,中華民國經濟部。
  3. Wagner, G.A. and Haute, P. V. D.,(1992)Fission-Track Dating, Ferdinand Enke Verlag., Germany.
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