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來自地底的脈動

地殼是由九大板塊及許多小板塊組合而成,每分每秒都在移動,為什麼板塊會移動?它的移動又會帶給地球何種變化?種種的為什麼,皆與來自地底的脈動有關。
 
 
 
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!
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