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鑽探,能鑽透科學家的想像嗎?

在上一則介紹地球構造與鑽井的技術後,我們最後發現原來地殼和地函的邊界定義,有需要微調的可能,也有不同的模型和理論在討論中。但要把所有的模型介紹完太麻煩,不如就先介紹基本模型以及下一篇會說到的最新研究 IODP Expedition 360計畫中會用到的三個版本模型吧(下下一張圖的A、B、C,編碼依照文獻[1]的順序,但介紹不依此序介紹)。

海洋地殼的各種模型由來

先談一下海洋地殼的基本模型:由上而下依序為:沉積物;、玄武岩質的枕狀熔岩(Lava)、岩脈(Dike),接著是層狀輝長岩,然後越過莫氏不連續面才會是橄欖岩為主的地函物質,這是一般的對海洋地殼的認知。

海洋地殼基本模型

海洋地殼基本模型

然而因為像這樣的標準模型的太多資料是基於過去大西洋與太平洋的鑽探結果以及部分的地震資料,也不一定適用於印度洋脊。所以學者就針對印度洋脊那邊的鑽探結果修改成模型 C修改自Dick,1991與Nisbet and Fowler,1978),較接近上面的基本模型剖面,由上而下依序就是玄武岩質的熔岩(Lava)和岩脈(Dike),接著是橄欖輝長岩(Olivine Gabbro),然後就會是由震波波速變化上看到的莫氏不連續面(Seismic Moho),最後才是橄欖岩(Peridotite)。最大的差異是在於中間那層輝長岩變成了橄欖輝長岩,主要是因為初步地質資料推出來的。

文獻[1]中提到的三種海洋地殼模型,圖中岩石性質分別是:玄武岩質的熔岩(Lava)、岩脈(Dike)、橄欖輝長岩(Olivine Gabbro)、橄欖岩(Peridotite)、蛇紋岩(Serpentine)。miss section代表上面那塊因為某些原因被侵蝕消失了……Dick, et al. (2006)

另外還有兩個說法:1996年 Cannat的模型 B,和1997年 Muller等人提出的模型 A

啥毀,都還沒鑽到怎麼會有不同的想法?

先別急,這都有根據的,模型 B是1996年 Cannat提出,主要是基於過去大西洋洋脊作為根據,利用在地表發現的超基性岩(就是地函的資料)的推論,再針對印度洋脊張裂比較慢來作修正。上半部和 C的部分一樣,但下半部粗黑線以下 Cannat就覺得下方應該會有被地函物質侵入的橄欖岩混雜其中…所以震波波速上沒有那麼明顯的變化,就會有一部分地殼地函邊界分傻傻不清楚的狀況(到底該是黑色虛線還是紅色虛線呢?)

至於 Muller等人的模型 A,用的資料除了過去的文獻和研究,又加入了印度洋脊附近Atlantis Bank地區的 ODP資料 Hole 735B的分析資料作為推測,一樣上半部的地方也和模型 B、C一樣,但他們覺得再下去化學成分可能會有些變化,或許也可能是受到海水入侵、或是其它因素造成結晶性質變化而形成蛇紋岩,而從上方的輝長岩到以蛇紋石(Serpentine)為主的岩石,再到最下面的橄欖岩的模型 A來說,因為震波難以分出上述不同岩石差異,所以仍難以證實。總之,以此地來看,要說地震波求得的莫氏不連續面(seismic Moho)是不是地函和地殼的邊界,可能一時半刻也說不清楚吧?

所以,這也是為什麼在最近每日郵報的IODP Expedition 360計畫新聞中,會有下方這麼一張令一些地科人覺得匪疑所思的圖,也就是莫氏不連續面比地殼(crust)地函(mantle)還深的情況:

Atlantis Bank地區在1997年與未來預計鑽探的深度示意圖。圖取自每日郵報

Atlantis Bank地區在1997年與未來預計鑽探的深度示意圖。圖取自每日郵報

IODP Expedition 360計畫

這個計畫預計在印度洋洋脊轉形斷層附近的 Atlantis Bank地區進行深鑽[4],等於是重啟當年莫荷計畫的加強版,現今的鐼井設備是有機會鑽到夠深的地方的。不過目前仍由前代的聯合果敢號在 Atlantis Bank地區鑽探(目前最先進的海洋鑽井船是日本的地球號),雖然說是前代,但也曾經有深鑽超過 2公里深的紀錄,而目前它也正在挑戰它的極限,預計 2016年會先鑽到2公里深,接著希望能再鑽到 4公里深的深度,最後希望再藉由地球號延伸到 5~6公里的莫氏不連續面。

所以這個計畫的科學目標之一,就是想辦法把 Atlantis Bank地區的海洋地殼搞懂,看能不能有機會解決上面的問題,看看到底有沒有過渡帶、如果有的話石頭會長成什麼樣?而為什麼選在此處,還有一個很好的理由:就是起跑點比其它地方早, Atlantis Bank附近有一塊因為某些作用而使上面那塊熔岩、岩脈不見了,所以就可以很開心的從橄欖輝長岩開始鑽,更快能到地函。

這邊有計畫的預期科學目標,一共有 8個項目,前面提到的海洋地殼邊界問題大概可以涵蓋 1~5項。第 6項則是地磁異常的成因探討。這部分我不熟悉,但海底擴張說的其中一個證據是海洋地殼可觀察到磁極倒轉的現象[5]。

至於第 7項,則是生於地球內部生命(微生物)和地球碳循環的交互作用關係,但我不熟悉可以在地球內部生存的微生物,無法多談什麼,然而生物能活在岩石內部是一件非常有趣的事,相信這個科學目標也和地質分層的目標一樣有開創性。這部分可以參見細菌人陳俊堯老師的文章

至於第 8項,則是與地底下的碳循環有關,在岩石中的化學反應,會讓岩石中的礦物性質改變,而在前面提到的蛇紋岩,也會因風化轉變成玄武岩,而這過程中的某些環境下,滲入地殼下方的海水(海水中其實有不少二氧化碳溶在裡面)就有機會和岩石中的鈣、鎂離子作用,進而形成碳酸鹽[6]…啊!這不就是大自然的「碳封存」嗎?或許我們從這邊也可以更能明白地底下形成碳酸鹽的機制,說不定對碳封存的技術[7]有助益也不一定?

鑽了這井就會有答案嗎?

IODP Expedition 360計畫的聯合果敢號。Photo credit: William Crawford, IODP/TAMU (http://iodp.tamu.edu/publicinfo/drillship.html)

IODP Expedition 360計畫的聯合果敢號。Photo credit: William Crawford, IODP/TAMU

微生物的部分我不敢說,但是就「莫氏不連續面該如何定義」、「海洋地殼是什麼?」等問題而言,一口深井並不能回答太多問題。因為以鑽井而言,我們還是有所謂的「取樣偏差」,至少要把所有我們認為有可能會有不同現象的地區都鑽深鑽遍,像是張裂速度最快的東太平洋脊、幾乎對稱張裂的大西洋脊、甚至遠離洋脊的地方都鑽,才有可能有更完整的答案。但起碼可以期待的是,這一鑽很有可能改變許多我們目前的看法!地球成分?地球構造?地球起源?生物起源?甚至地震的成因?這些都是很重要的事,而鑽下去只是我們研究的開始而已……

我們的電波望遠鏡可以探索到宇宙深處,甚至已經有太空船飛到火星、月球、小行星上採石頭樣本,但腳下不過幾公里的石頭,卻得花費一番力氣才能挖到。我想真正的宇宙奧秘不止在宇宙深處,也同時在海底、地底深處。

參考資料與延伸閱讀:

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關於作者

潘昌志

「你地質系的?」不,但我待過地質所,而且還是海研所的碩士。無論在氣象局、小牛頓…都一樣熱愛地科與科普。現在從事試題研發工作,並持續在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科的各種知識,想以科普寫作喚醒人們對地球的愛。