首頁 > 地科研究:從微米岩漿玻璃看地函的組成
:::

地科研究:從微米岩漿玻璃看地函的組成

地表物質經隱沒作用深入到下部地函,再藉岩漿作用折返回地表。這種數千公里大尺度的循環過程,可由微米級岩漿玻璃的化學成分而得到證實。
 
 
 
地球,是目前已知唯一有生命活動的星球,主要由岩石所組成,從外至內大致分為三層,分別為地殼、地函與地核。

人們對最外層的地殼已有相當程度的了解。地殼又分為厚度約30~60公里的大陸地殼與厚度約5~8公里的海洋地殼。大陸地殼為花崗岩及安山岩質;而覆蓋地球表面百分之七十的海洋地殼則為玄武岩。

相對而言,人們對地函與地核的認識遠不及地殼,因為研究地球深部物質的最大障礙在於標本不易取得。以目前的鑽探技術,最深只能鑽達約10公里,而10公里只是地球的表層而已。人類的力量僅此,但地球本身的活力卻遠超過一般人的想像。

除了地面生生不息的生物活動外,構成地球硬體部分的岩石圈也在一般人沒有察覺之下,默默地以極緩慢的速度在移動。兩百萬年前,印度還處於酷寒的南極地帶,現今卻北移到赤道附近。南北美洲與歐洲、非洲在兩百萬年前形成一大陸塊,現今卻隔大西洋遙遙相望。針對這種陸塊間相對運動的現象,「板塊學說」提供了一個目前廣為接受的解釋。

根據「板塊學說」,地球最外層的岩石圈,包括地殼與上部地函,分成數個板塊。這些剛性(或稱為脆性)的板塊,漂浮在如黏土般的塑性岩石上,由於塑性岩石的對流作用,帶動了剛性岩石圈板塊間的相互移動與擠壓,於是有機會將地函的最上部物質擠露於地表上。這些露出於地表的上部地函物質以橄欖岩與輝石岩為主,少有發現其他岩石或礦物。但較深部的地函是否也是如此,或是包含了其他物質呢?雖然深部地函的物質無法藉由地函對流引起的擠壓作用而暴露於地表,但地球本身提供人類一個探測地函奧秘的管道–火山活動。

地球上主要的火山活動可分為中洋脊火山活動、隱沒帶火山活動與板塊內部火山活動三類。

第一類是在大洋底綿延七千公里海底山脊下的火山活動。由於上部剛性岩石圈物質兩側被張力拉開,下部塑性較高的軟流圈物質必須上升以填補張裂後所造成的空隙,上升的物質因絕熱減壓作用而發生部分熔融,熔融的物質即為岩漿,這些岩漿噴發於地表,冷卻後形成海洋地殼。

第二類的火山活動則發生於兩個板塊碰撞帶,隱沒板塊的地殼物質,受擠壓所釋放出來的水分會上升進入覆蓋於其上的地函內,而使地函物質的熔點降低引發部分熔融,生成的岩漿噴出地表形成島弧火山。最好的例子是環太平洋的火山帶,包括臺灣的大屯與基隆火山群。以上兩類型的火山活動皆源自於板塊邊界的上部地函物質。

第三類的火山活動則發生於板塊內部遠離板塊邊界處,最典型也是被研究得最徹底的是夏威夷火山。在夏威夷噴出的熔岩流,最重要的化學特性是其所含氦氣的同位素比值和其他類型的火山大不相同。

地球內部的氦氣主要有兩個來源,一為地球形成之初所包含原本存於星塵間的氦氣,其同位素特性為較高的3He/4He比值,一般稱為「原始氦氣」。另一為地球形成後在其演化過程中由地球內部的鈾(U)與釷(Th)經放射性蛻變而產生的4He。

大部分上部地函內的「原始氦氣」已於地球早期的火山活動時逸出地球內部,而下部地函則保存較多的「原始氦氣」。因此,夏威夷岩漿偏高的3He/4He比值,暗示著其母岩來自極深處的下部地函。

最近,鋨(Os)同位素的研究又發現,有些夏威夷岩漿有較高的186Os/188Os比值,這是地核與地函交界處物質的特性。因此,高186Os/188Os比值又把夏威夷岩漿的母岩,推向更深處地核與地函的交界處。

既然夏威夷岩漿是來自如此深處,在其上升的過程中,便可能捕獲深部地函的物質。由這些物質所產生岩漿的化學成分,便可推測其源岩為何。由此看來,夏威夷岩漿可說是人類了解深部地函物質的重要窗口。

夏威夷岩漿的化學成分顯示其源岩是以橄欖石及輝石所組成的橄欖岩,與上部地函物質並無明顯差別,然而問題並非如此單純。噴發於地表的岩漿,是許多極小岩漿顆粒的集合體,這些數十至數百微米的岩漿顆粒,可能來自不同的地函物質,它們最終匯集於火山口下形成岩漿庫。

這種岩漿混合作用,嚴重妨礙我們以地表岩漿的化學成分來追溯深部地函的組成,因為可能有少量非橄欖岩的物質夾雜於橄欖岩中,由非橄欖岩物質所產生的岩漿雖然有異常的化學特性,但這些化學特性卻因其比例較小,而在岩漿混合過程中被由橄欖岩產生的大量岩漿所掩蓋。所以,由地表岩漿的化學組成並無法偵測到地函內部少量非橄欖岩的物質。

非常幸運的是,極少數的初始岩漿能逃過被混合作用吞蝕的命運。它們在大規模混合作用之前,即被包裹在岩漿內的礦物顆粒中,而與後來形成的混合岩漿完全隔離,保存了最原始的化學組成。這些被礦物所「捕獲」的微米岩漿顆粒噴發後,由於急速冷卻,大多形成玻璃,但因體積極小,直徑通常在10至50微米間,要將它們從礦物中取出來,分析其化學成分是一項不可能的任務。

可喜的是,目前科學家可以針對一個直徑小於50微米的點來進行化學分析。其原理是,以一個電子束或離子束或雷射光來撞擊所要分析的點目標,依撞擊能量的不同,標本在受撞擊後會產生X光或放出原子或離子。由釋放出來能量的大小或粒子數目的多寡,即可用來測量點目標的化學成分;科學家便可從礦物中玻璃質物質的化學成分來推測其源岩為何。

最近,《自然》雜誌報導了夏威夷玄武岩礦物中微米岩漿玻璃的化學成分。研究人員發現,大部分微米岩漿玻璃的化學組成與噴發於地表形成夏威夷火山島的熔岩流非常吻合,毫無疑問地,它們是地函的橄欖岩經部分熔融後產生的岩漿。但在所分析的近兩百個微米岩漿玻璃中,有六個具有異常較高的鍶(Sr)含量,造成異常高的鍶/鈰(Sr/Ce)比值。這些含高鍶/鈰比值的微米岩漿玻璃的源岩為何?要回答這個問題首先要探討哪些礦物含有大量的鍶。

地球岩石內含鍶的礦物主要是長石,而長石正是地殼內最豐富的礦物。大陸地殼除了長石外亦含有許多其他礦物,例如,角閃石與雲母。這些組成大陸地殼的礦物含有非常高的微量元素。因此,由大陸地殼熔融而產生的岩漿內,微量元素的含量會比夏威夷的微米岩漿玻璃高千百倍,證明大陸地殼並非夏威夷微米岩漿玻璃的源岩。海洋地殼中也有豐富的長石,卻缺乏含高微量元素的礦物。因此,科學家推測,海洋地殼就是具有高鍶/鈰比值的微米岩漿玻璃的源岩。

這是一則令人振奮的報導,科學家從幾個小到必須用電子顯微鏡才能看到的微米岩漿玻璃的化學成分,證實了深部地函內,除了橄欖岩外還有其他物質,而海洋地殼是最大的可能來源。地表的海洋地殼跑到數百甚至數千公里深的地函內,這又如何解釋呢?答案就在「板塊學說」。

當海洋板塊與大陸板塊互相碰撞後,比重較大的海洋板塊會向下隱沒到比重較小的大陸板塊下。海洋板塊隱沒後,可能在地函中產生斷裂,裂解後的海洋板塊最終棲息於何處仍無定論。

由夏威夷高鍶/鈰比值微米岩漿玻璃的源岩為海洋地殼的推論,再加上夏威夷岩漿來自於下部地函,科學家們已有足夠的理由證明隱沒的海洋板塊有一部分可深沉到下部地函。這趟由地表到地球深部的旅程有可能超過一千公里,甚至到達二千九百公里地函與地核的交界處。部分隱沒的海洋板塊,再藉著夏威夷型的火山活動,以岩漿狀態重返地表。也就是說地表物質經隱沒作用深入到下部地函,再藉岩漿作用折返回地表。這種數千公里大尺度的循環過程,卻是由微米級岩漿玻璃的化學成分得到證實。

地函內除了橄欖岩與隱沒的海洋板塊外,是否還有其他物質存在?如果有,這些物質的背後,是否和隱沒的海洋板塊一樣,背負著與地球演化有關的重要訊息?這一連串問題的答案仍然隱藏在由地函生成的岩漿中。

最近,大陸的科學家在西藏源自地函的火成岩內,發現了許多尚未報導過的地函礦物,包括鋯石、磷灰石、金紅石,及以元素狀態存在的鐵、鎳、鉻、鋅、銅、鉛、鎢、銥、金、銀和罕見的金屬合金,例如銥-鋨合金。

鋯石、磷灰石、金紅石,這些大陸地殼內的重要礦物如何跑到地函內?難道大陸地殼和海洋地殼一樣會隱沒到地函內?還是這些岩漿裡的鋯石、磷灰石、金紅石如同橄欖岩一樣,早在地球形成之初就存在於地函中?銥-鋨合金是親鐵性金屬,一般認為較容易在地球演化的最早期進入地核內,但它們又是如何進入地函內?其他金屬與合金的來源又是什麼?

雖然微米級的夏威夷岩漿玻璃已提供許多地球內部的訊息,我們對地球內部的了解卻仍如九牛一毛。在西藏發現的罕見地函礦物,或許能為掀開地球內部神秘的面紗做更進一步的貢獻。
推薦文章