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實驗室裡看地球
隨著科學的進步,得以應用不同方法及儀器來了解地球 。固體地球是指地表至地心的部分,但不包含海洋。本文就從「固體地球」著眼,討論另類的地球科學。
 
 
 
要了解的問題

為什麼地質學家要到野外探查某地方有什麼樣的岩石或礦物?原因之一是想知道這些物質的化學成分。地球表面分布著許多不同的岩石,如火成岩就又有超基性岩、基性岩、中性岩及酸性岩的分別。以我們居住的整個地球來說,到底是由什麼物質所組成的呢?

眾所皆知,臺灣、日本大部分的地震是因板塊移動而互相碰撞、擠壓所造成的,但板塊為什麼會移動?

地球磁極有反轉的紀錄,即地磁的南、北兩極正好相反。更有意思的是,地磁反轉的期間相對於地球年齡的46億年,至多幾千年而已,可說是極短。近年又有報導,地球的南北磁極分別在南北極附近,以不同的速度漂移,而且地球磁場在過去的160年裡強度下降了10 %。為什麼地球的磁場有如此的反應與變化?地球磁場是如何形成的呢?真的有一根大磁棒通過地球嗎?磁極反轉如何在「短」時間內發生?

瞎子摸象

要了解以上問題已不單是靠出野外、看石頭或考察地形、構造就可以的。成人平均身高1.6~1.7公尺、平均體重60~70公斤,地球直徑約1.2 × 10 7公尺、重量約6 × 10 24公斤,因此這已經是一個如何以人類的尺度來探討地球尺度的問題了。

我們可以輕易地觀察手掌般大小的物體並描述其形狀、功能,用各種儀器分析其成分。但我們並沒有適當大小的儀器可分析整個地球的成分,進而探討板塊移動的動力或地球磁場如何形成。再則人類也活的不夠久,無法直接了解地球磁極為什麼每過一陣子就會反轉。人類要了解整個地球,就如同瞎子摸象。

如何研究

所幸隨著科學的進步,得以應用不同方法及儀器來了解地球─大至整個行星體尺度,小至原子尺度。而對固體地球的研究也衍生出地質科學、地球物理、大地測量學、地理學等不同的學門。

地質科學研究地球物質的成分、結構、物理性質、地球歷史,以及地表作用成因與演化。地球物理以全球物理觀測的方法來了解地球從內到外的結構。大地測量學是以測量方法,包括重力測量,了解地殼變動和地球磁極的移動。地理學則主要是研究地貌與人類行為交互作用的結果。這幾個學門都以基本科學如物理、化學及數學為基礎,尤其融合前三學門的研究,使地球科學家近百年來對地球從裡到外都有長足的認識。

既然人類的尺度比起地球來實在太過渺小,那我們怎樣測得地球內部的化學成分?有人會說,可以從火山噴出的岩漿或岩塊來了解,但科學家檢視這些岩漿或岩塊,發現都可能是從比較淺的深度(最深300公里)帶上來的。那該如何研究整個地球?其實,地球科學家是以一種間接方法,結合了地質科學、地球物理及大地測量三者來建立現行地球化學成分的模型。

認識整個地球

至今我們對地球有這樣的認識,得歸功於19世紀義大利人切奇(Filippo Cecchi)發明了地震紀錄儀,以及這期間已發展的彈性波在固體中的傳遞理論,使科學家可以由地球上常發生的地震來建構地球內部的構造。另一方面,地震學家從地震波資料獲知地球每一深度物質的物理性質,如速度、密度等。因此,地球科學家可用已知的地球物理性質推測地球整體的化學成分。

其次,該用什麼成分開始測試。既然地球是太陽系的一分子,太陽的化學成分、從外太空掉到地球的隕石的化學成分及礦物相,都可提供非常好的線索。更有趣的是,地底深處噴發出的超基性岩石(二氧化矽含量較低的岩石),不分地區,其礦物相都包括橄欖石、輝石,還有一些柘榴子石或尖晶石,而其化學成分都大同小異,可能代表在這些深度的化學成分非常相近。

1950年代,哈佛大學的柏奇(Francis Birch)以高壓實驗的方法結合地球物理觀測,認為地球內部是層狀結構,並解釋地球內部的可能成分。在地函的區域應是以矽酸鹽為主的礦物相,地核則可能是以結晶及熔融的鐵鎳合金與少量的輕元素(可能是S、Si、O等)所組成的。

往後幾十年間,地球科學家多著重在地函成分的探討。其岩石學模型主要有兩種,一是由澳洲地球化學家林伍德(T. Ringwood)所提出,富含輝石及橄欖石相礦物的輝橄石;另一則是由美國地球物理學家安德生(D. L. Anderson)及礦物物理學家貝斯(J. Bass)共同提出富含輝石及柘榴子石相礦物的榴輝岩。而到底是何種「輕」元素存在於地核中,因實驗條件不易達到地核的壓力與溫度,所以尚未有定論。

實驗室裡的研究

從以上敘述可了解地球科學研究除了野外觀測與標樣外,實驗室內的工作也占了很大部分。尤其近幾十年來地球科學愈趨向於從不同的方向尋求答案,所以地球科學家得使用許多不同的技術或與不同領域的科學家合作來達到目的。就以柏奇來說,其實他是在物理系完成博士學位的,只是在他當博士生時,擅長高壓研究的指導教授布立基曼(Percy Bridgman)與地質系教授合作,要他主導探討地球礦物在高壓下物理性質的計畫。結果帶給地球科學界對地球內部研究很大的突破,從此高壓研究也成為研究地球科學的重要方法。

另外,對地球科學研究影響甚巨的實驗設施之一就是同步輻射。許多檢驗地質岩石及礦物的儀器是用不同波長的電磁波為檢驗光源,如從波長極短的X光至較長的紅外光來測量地球物質的化學成分或物理性質。

同步輻射則可提供以上的工作波長且高強度的電磁波,量測更快速準確,使我們對物質在地球內的行為有更深入的了解。有些同步輻射設施甚至設立地球科學專屬的光束線,如芝加哥先進光子源實驗室的地質環境光束線,這光束線上共有5個工作站,有結晶學、光譜學、化學及高壓研究的各國科學家在一起做研究。

地球科學除了受惠於實驗設施的進步外,也因與不同領域科學家交流而帶來不同的研究視野。以法國波希耶(Jean-Paul Poirier)教授為例,他年輕時是以穿透式電子顯微鏡研究材料的潛變行為為本業,後來把他這方面的知識應用來解釋地函重要礦物相的相變機制、地球物質的形變,和地球物理觀測的結果。

當然也有從地球科學的研究跨足其他領域的,如中研院毛河光院士,臺灣大學地質系畢業,羅徹斯特大學博士,後來在華盛頓的地球物理實驗室工作,以高壓實驗研究物質在地球內部(高溫及高壓環境)的行為聞名,繼而把他的研究伸展至行星科學、材料及物理領域。

如何解釋地質現象

固體地球研究是結合不同學科研究地球物質,進而了解其性質如何影響人類所觀察到的地質現象。

譬如寶石,大都以其光彩奪目的顏色著稱,但是什麼原因造成吸引人的顏色?如大家熟悉的彩鑽、紅寶石或藍寶石,這些高價的寶石其實基本化學組成都很簡單,就是碳(鑽石)和氧化鋁(紅寶石、藍寶石)。當它們是很純的碳或氧化鋁完美單晶時,都是透明無色的。會有光彩奪目的顏色,其實是這些晶體中帶有雜質或其中含有局部的不完美晶體結構所致。前者是晶場效應,後者是色心現象。以上現象的解釋都牽涉到物理學的應用。

含有磁性礦物的岩樣顯示,在地球有固化的岩石後好幾十億年間,地磁的方向已南北倒轉好幾百次,而人的平均壽命才約80年而已,因此不可能活著見證或親自研究地磁歷經幾千年間的反轉事件。

地球的磁場如何產生的?現在一般接受的理論是「地球發電機」,是物理學家艾爾薩(Walter M. Elsasser)在1940年代提出的數學模型,描寫地球液態外核的對流所產生流體運動的反饋機制而引發「自發性」的發電機。以白話來說,就是地球擁有含鐵的熔融外核,因地球自轉造成的科氏力而在地核部分引發電流和磁場。

雖有了理論基礎,但科學家仍需解釋這自發性行為的機制,和為什麼磁極會因時間而不斷地反轉。21世紀初,因累積相當的地磁觀測資料及利用超級電腦來模擬地球發電機的行為,包括下一次的反轉事件。這種數學、物理及電腦模擬的結合,對人類在有限的生命時間尺度下探討長尺度的地質事件有很大的幫助。

由於地球的行為都被地球物質的物理、化學性質所控制,1990年後,地球科學家引進以理論計算方法來驗證地球科學家的實驗觀察,甚至用來預測在實驗條件無法或難以達成的狀態(如地下2,000公里以下深度)下的地球物質物化性質。譬如在地函與地核交界處有一層厚度200~400公里不一的D”層,地震波資料顯示,這層與地函物質的性質非常不同,到底是什麼樣的物質一直困惑著地球科學界。

2004年,日本人先以實驗把地表常見的直輝石成分(MgSiO3)加壓加溫至相當D”層的深度狀態(125萬大氣壓力、攝氏2,200度,相當於地下深度2,700公里處),發現其結構轉變成有別於地表的輝石結構,或在地函的深度應轉變成的鈣鈦礦結構。這就是在「第一原理計算」方法的幫助下,解出這未知的結構與鈣銥酸鹽(CaIrO3)結構相同,再進一步計算具鈣銥酸結構的MgSiO3物質的物理特性,發現可解釋D”層的地球物理觀察。這發現促成我們對地球內部構造及成分有更進一步的了解。

以上粗略介紹不同於一般人印象中的地球科學,而這些議題最後都解釋了我們在地球表面所見到的地質現象,而能了解地球更多的祕密。

附錄

矽酸鎂(MgSiO3)輝石成分在地球不同深度的結晶結構:輝石的矽氧四面體構成的直鏈狀結構,只能穩定存在於地底深度大概300公里以上,當矽酸鎂輝石成分被加壓到相當於670公里深度時,會形成矽氧八面體以三維空間架構組成的鈣鈦礦結構。這種結構到了大概2,700公里深度時,其矽氧八面體轉變成層狀結構。
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