來自地底的脈動
93/08/02
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梁雲芳｜
《科學發展》特約文字編輯（文字整理）
有人形容溫泉是「地球的熱淚」，又有人說地球是「熾熱」的星球，為什麼？
其實，這些都與地球內部的構造有關。
初始，地球是圍繞太陽的微小行星之一，行星之間相互撞擊後，體積逐漸增大，於是形成地球。相互撞擊的能量讓初始的地球成為炙熱火球，地面到處布滿滾燙熔岩。隨著碰撞次數愈來愈少，地球表層在快速對流下冷卻，形成薄薄地殼，但地球內部仍然呈現熾熱狀態。
地球的構造
就外觀來看，地球是球狀物體，卻不是一個正圓球，因為赤道的直徑是12,756公里，比南北極的直徑12,714公里多了42公里。從地球構造而言，共分為三大部分，第一部分是最外層的「地殼」，第二部分是中層的「地函」，第三部分是最內層的「地核」。
科學家經常以「皮蛋」或「蘋果」的解剖圖來說明地球內部構造。最外面的地殼，就像是皮蛋的「蛋殼」或是蘋果的「果皮」部分，薄薄的一層，分為大陸地殼和海洋地殼，大陸地殼平均厚度約30～40公里，海洋地殼平均厚度約8～10公里。
第二部分的地函，又稱為地幔或地套，位在地殼下方，是地球結構中最大的一部分，約占總體積的80％，可分為上部地函、過渡帶及下部地函，很像是皮蛋的「黑色蛋白」或是蘋果的「果肉」部分，十分厚實，約有二千九百公里。
位於地球最內層的是地核，就像是皮蛋的「蛋黃」或是蘋果的「果核」部分，主要是由鐵、鎳等金屬組成，有外地核與內地核之分。
人類生活在地球表面，再加上地球內部結構的複雜，所以早先並無法直接針對地球內部結構進行詳細的探究。直到一九八○年調查地震波傳遞的地區性和全球性的地震儀觀測網架設完成，科學家才觀測到全球震波的傳遞情形，並透過「震波斷層攝影」的影像處理，得以逐漸了解地球內部的結構。
地球內部應力的不均衡，會引起形變甚至斷裂，斷裂會在極短時間內釋放大量能量而引起震動，這種震動如同聲音在空氣中傳播一樣，以「波」的形式呈現，稱為「地震波」。波的震動，可以分為體波（body wave）及表面波（surface wave）二大類。
體波又可分為Ｐ波及Ｓ波。Ｐ波是疏密波，穿過地球本體時會產生折射及反射，也會造成介質顆粒壓縮及舒張的振盪。Ｓ波是剪力波，只能通過固態介質，而無法穿過液態的外地核，Ｓ波通過時則會造成介質顆粒垂直或是左右移動。
表面波移動速度比體波慢，是從震央向外遞散，然後沿著地表傳送波的震動。表面波有樂夫波及雷利波二種，樂夫波又稱為Ｑ波，地表會呈現水平的運動，雷利波又稱為Ｒ波，地表會上下震盪，在地震的瞬間，地面有如波浪狀鼓動。
地震波在不同的介質中，傳遞的速度有所不同。在堅硬岩石中的震動傳遞速度很快，當岩石受熱變軟時，震動的傳遞速度則趨緩，如果岩石繼續受熱，部分已呈熔化現象，不僅傳遞速度變慢，振盪強度也會減弱。由於地震波傳遞速度會受到介質的影響而有所不同，所以經過「震波斷層攝影」的處理，地球內部結構的面貌便可逐一呈現。
一點都不寧靜的地球內部
最外層的地殼和上部地函是由堅硬岩石組成，那麼地球內部仍是一成不變的岩石層嗎？答案是否定的。地球內部所含鈾、釷等放射性元素變遷過程中所產生的熱能，會使得溫度逐漸增高，根據地質學家的研究，地球內部愈往深處，溫度就愈高。
所謂的「地溫梯度」，也就是「往地下每深入一公里所增加的溫度」，在臺灣西部每深入一公里約增加攝氏20度，但是到了中央山脈因地質變動，每深入一公里約增加攝氏30度。在地底約一百公里處，地球內部的溫度已達到攝氏1,400度以上，高溫足以熔化地函岩石中的某些物質，變成容易流動的柔軟狀態。地質學家對於這段的地質鑑定是以流動程度做區分，可分為岩石圈、軟流圈及中層圈。
由於高溫導致岩石緩慢流動，形成厚約二百公里的軟流圈，堅硬的岩石圈就漂浮在這一軟層上。雖然溫度很高，軟流圈的岩石並非都呈熔融的岩漿狀態，由於壓力很大，部分岩石的溫度尚在熔點之下，所以並沒有連續岩漿層的存在，只有在條件俱足時，才有可能熔融成為岩漿。至於下部地函的中層圈，因為壓力更高，所以不如軟流圈那麼容易流動。
下部地函和地核接觸，厚度約一千七百公里，地函物質的密度大約是水的五倍，地殼密度約是水的二倍，因此可以漂浮在地函之上。
地核是地球的最內層，可分為外地核及內地核，外地核是從2,900～5,100公里的深度，溫度可達到攝氏2,500度。外地核是由鐵和鎳的熔體構成，內地核雖然也是由鐵和鎳金屬組成，卻因為所受到的壓力極高，無法產生熔融體，呈現的是固態形式。
地球果真是一點都不寧靜，但是生活在火球上的我們之所以渾然不覺，很難感受到地球內部熾熱的威力，是因為地殼的岩層極難導熱，所以能夠有效防止熱能向地表擴散，並避免地球表面的物質被高溫燙傷。不過深處的高溫岩漿卻是隨時都在尋找岩層裂隙，再藉由壓力及地函對流將熱能推到地球表面。從火山爆發噴出的熾熱岩漿、地表湧出的高溫熱水或蒸氣，便不難了解地球絕非冷冰冰、硬梆梆，而是一個活跳跳、熱騰騰的星球。
板塊構造運動
為何岩漿有機會從地底流竄到地殼上？這和地殼是「活」的構造有絕對關聯。
二十世紀之前，地殼構造的假說還是以「大陸固定論」為主，認為地球堅硬的外殼是固定不動的，雖然「大陸漂移說」的理論早在十七世紀就提出了，但真正把它變成系統學說的科學家當數二十世紀的韋格納。
韋格納是氣象學家，一九一○年，他臥病在床，百般無聊之際，盯著一張掛在床對面的世界地圖看，就在此時，一個很奇妙的問題閃入腦海中，為什麼大西洋兩邊大陸的輪廓那麼相似？為什麼巴西亞馬遜河口凸出的陸地剛好能填進非洲的幾內亞灣？
到了第二年的秋天，韋格納在翻閱一本論文集時，發現了一篇描述南美洲和非洲的古生物非常相似的文章，其中提到「中龍」（Mesosaurus）的爬行動物，不僅出現在巴西東部，也在非洲西南部發現，中龍不會游泳，不可能橫渡大西洋，所以作者推測巴西和非洲的陸地在過去應該是相連的。
這篇論文讓韋格納認真研究地球板塊的問題，一九一二年，他以〈大陸與海洋的起源〉為題，首次提出大陸漂移的假設。一九一五年，他的不朽著作《海陸起源》問世了，韋格納提出了幾個重要論點，包括距今三億五千萬年前的古生代，所有地殼均連結成一個盤古大陸，周圍則環繞著原始海洋。
由於地球由西向東旋轉會產生離心力，加上月球潮汐作用，中生代的大陸開始分崩離析，二億年前美洲與非洲、歐洲分離，中間形成了大西洋，非洲的一部分脫離了亞洲，印度洋於焉產生。由於前一次大陸分裂出來的地殼漂移程度不同，在一億二千萬年前，有些板塊拉近了距離，有些板塊愈來愈遠，於是構成了目前板塊的分布。《海陸起源》出版之後，引起全世界的關注，可是沒有幾年，又被反對者提出反證，認為很難想像大陸地殼可以在固定的海洋地殼上一漂千里？
一九三○年代，由於古地磁學的發展，沈寂了二十年的大陸漂移學說又復活了。比如說，許多岩石內含的礦物都具有相當穩定的磁性，因此磁化方向是岩石形成時的磁場方向是一致的，可是北美與歐洲的磁極遷移曲線雖然在形狀上相同，前者的磁場方向卻在後者西面，怎麼會有兩條磁極遷移曲線？當兩條曲線合而為一時，大西洋竟不存在了？這些現象要怎麼說明？只有大陸漂移才能做出圓滿的解釋。
爾後，又經過全球科學家派遣船隻對大西洋、太平洋等海洋進行考察，從各種尋獲的資料分析，發現了過去不為人知，或者是不知如何解釋的海洋現象。科學家才認識到原來海底並不像固定論所說的十分平坦，而是和陸地一樣，是高山聳立，低谷連綿。同時，海底底部的熱流量要比預估的大得多，相當於三百米厚的煤層延燒了幾百萬年所散發出的熱量。而在海底探測到的古地磁紀錄也指出，南北磁極曾經有好幾次的方向調換。
另外海洋沈積層的厚度很薄，這與固定論所說的海底和大陸地殼一樣古老的說法並不一致，如果和大陸一樣具有三十億年歷史，每年沈積一毫米，沈積物應該有30公里厚，可是測量結果，只有0.5公里厚，而海底最古老的岩石也只有1.3億年的歷史。
面對以上種種的新發現，要怎麼解釋？美國地質學家赫思和迪次不約而同都提出了「海底擴張說」的理論，他們認為大洋脊和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。由於持續地進行，新生的海底就會推開原來的海底向兩側移動及擴張，在海底擴張的同時，鄰近海底的大陸，也會隨著不斷擴張的海底向兩側移動。
一九六五年，比大陸漂移說、海底擴張說更具科學證據的「板塊構造說」出爐了。所謂板塊是指地球最外層約一百公里厚的剛硬岩石圈，包括地殼和一部分地函，被分割成幾大塊，每一塊就代表一個板塊，所有板塊均漂浮在柔軟的軟流圈上，板塊與板塊之間的活動就叫做板塊構造運動。
有些板塊因為受到地函對流的驅使而慢慢擠壓碰撞在一起，成為聚合板塊邊界，當彼此相互碰撞時，密度較大的板塊（通常是海洋板塊）會被擠壓到另一個板塊的下方，這樣的作用稱為隱沒作用。一些隱沒板塊上的物質，因為滑入地球內部，所以會受到地函高溫的影響成為岩漿，再穿過地殼的斷層裂隙到達地表，引發火山活動。
有一些地區的板塊構造可以穩定地彼此分離，稱為分離板塊邊界，這是承襲海底擴張的說法。當地函物質藉由海底裂隙不斷湧出熾熱的岩漿，一遇到冰冷的海水時，熔岩就會冷卻凝聚在板塊的邊緣，成為高高低低的新海脊，這種構造稱為中洋脊。
洋底板塊擴張的地方通常是岩漿活動最為頻繁和熱流最旺盛的地方，由於該處有許多垂直深長的張力裂隙，不但可以提供岩漿活動的通路，還可以作為地下水循環及熱水上升的途徑。
當兩個板塊彼此相互錯開時，其邊界稱為轉形斷層。板塊運動雖然緩慢，卻有無法阻擋的應力作用，經常會迫使岩石扭曲，甚至發生斷裂現象，這些斷裂就是所謂的斷層。
由於作用力的不同，斷層類型也有所不同，其中包括正斷層（斷層兩側岩體受到張力作用，岩石塊會向上或向下移動，形成高聳的懸崖）、裂谷（正斷崖在兩塊岩石間沈陷，形成槽狀谷底）、橫移斷層（兩塊岩石以橫向方向剪切）、逆斷層（斷層兩側受到壓應力，當一塊岩層被推覆到另一塊岩層上，就形成逆斷層）、複合斷層（在複雜的破裂帶中，會產生一系列正斷層及逆斷層，岩石塊會向各方向傾斜）。
板塊是如此地活跳跳，不僅改變大陸與海洋的地形和面貌，同時還是地震、火山、熱流異常、地熱資源的創造者。
溫泉是臺灣地熱資源的代表
在臺灣的地熱資源中，以溫泉最為大家所熟悉，從南到北，從東到西，目前已知的自然湧出溫泉已達128處，「泡溫泉」、「泡湯樂」已經變成老少咸宜的休憩活動。
溫泉是天水（雨水、雪水）向地底下滲透，在地殼深處被加熱後，經由岩層裂隙上升，然後湧出地表的。對於溫泉的形成，我們必須考慮地底的熱源、化學成分來源及溫泉如何抵達地表三方面的因素。
熱源可以分為火山性及非火山性。火山性的熱源來自於岩漿，由於地底下有岩漿庫可以提供大量熱源，再加上火山劇烈活動會對岩層產生爆破作用，形成豐富的裂隙和斷層，這時候地表水滲入地下深處，被加熱形成溫泉，而水又會吸收各種火山氣體成分，就形成了具有各種離子的溫泉。非火山性的熱源則包括地球內部的地溫梯度、斷層的摩擦熱等。
至於溫泉中的化學成分來源可以分為固體、液體和氣體三種。固體源是指各種岩石、土壤、火山昇華物等，液體源包括天水、地表水、地下水、海水、岩漿水等，氣體源則是指地層內因變質或交換作用所生成的氣體。種種化學成分在熱水流動及與岩層接觸時會混入或經離子交換作用，而進入溫泉中。
在溫泉中，最常見的離子可分為兩類，一類是陰離子，包括氟離子、氯離子、硫酸根離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子、硝酸根離子等，另一類是陽離子，包括鈉離子、鉀離子、鎂離子、鈣離子、鐵離子、鋁離子、矽離子等。溫泉中的離子成分是溫泉分類的重要依據。
那麼深入地底的熱水要如何到達地表？首先一定要有一個良好的熱源及含水層，孔隙或裂隙非常發達的砂岩、礫岩和火山岩都屬此類。如果這一類岩層以高角度傾斜，一端露出地面，一端深入地底，天水便很容易滲入地殼深處，加上深處地溫梯度較高，就很容易被加溫成為熱水。
第二項因素是要有「靜水壓力差」存在，才能促使熱水往上湧。由於地下含水層的壓力大於地表的壓力，只要地底有裂隙通到地面，含水層的水就會從地底冒出。當然，岩石中還必須要有深長一至二公里，甚至是三公里的裂隙，才能使熱水湧到地面。
臺灣溫泉的熱源有四分之一是屬於火山性，在火山區，只要有足夠的條件，要構成溫泉並非難事。中央山脈並不是火山區，是屬於變質岩區，卻能擁有61處熱泉及2處冷泉，倒是世界少見。這是中央山脈在幾百萬年內快速上升和侵蝕的結果，快速上升造成溫度較高的地殼上升到地殼淺處，因而造成較高的地溫梯度，快速侵蝕導致地形起伏很大，地表水有機會滲入地底，被地溫加熱之後，再湧出地面。
地球初始，豐沛地熱資源業已形成，這是上天賜予人類的珍貴寶物，如何善用？存乎一心而已！
