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地震化石—光滑的斷層鏡子

中華民國地質學會_96
・2016/07/03 ・1224字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

文/郭力維|國立中央大學地球科學系

「地震!!!」這句話可能是「不知道」以外,最常在台灣說(聽)的一句話。這顯示台灣的地震相當頻繁(廢話) 外,對地震的認識有其必要性與急迫性(屁話)。

目前,於地震發生之後,地球物理與地震學家藉由演算測站所接收到的震波,可以迅速地獲得地震的相關資訊。但是對於地震時所發生的(物理化學)作用,以及伴隨的產物,我們卻仍一無所知。其原因在於,地震多發生在深處(5~20 公里),而同震 (快速滑移)產生之作用(以瞬間高溫、高壓與伴隨之熱液所驅動之物理或化學作用;不平衡作用)與伴隨的產物,在抬升的過程,會因風化與換質作用(平衡作用)而被抹滅掉。因此,要辨識同震作用的產物極具難度,也讓目前已辨識的同震產物(指示地震之證據)——地震化石,更顯珍貴。

以色列有個出產石灰岩的採石場,恰好位於走滑斷層上,而其斷層滑動(摩擦)面聳立於地表上數公尺。特別的是,此斷層表面光滑無比,儼然像一面鏡子(斷層鏡子)。Siman-Tov 等人觀察了此滑動面的表面構造,發現:(1) 表面粗糙度大約 20 奈米,遠低於不可反射可見光波長的粗糙度 (100 奈米);(2) 此光滑表面是由奈米等級的方解石顆粒所構成。

藉由 (1) 微構造的觀察;(2) 現有(模擬斷層滑移的)岩石力學的結果;與 (3) 工業的加工拋模打光過程,作者推測可能是斷層在石灰岩上快速滑移,使方解石於雙晶(或解理)中產生機械破壞,進而產生奈米顆粒,並形成奈米顆粒薄層(斷層鏡子),但此觀察結果對於將斷層鏡子當成快速滑移的辨識物(地震化石)仍存疑慮。

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源自義大利阿爾卑斯山南段 Foiana Line 碳酸岩之斷層鏡子(斷層作用造成之極光滑表面)。圖/星期五的地質

這疑慮在兩年後便獲得了解答。作者使用 (1) 三種石灰岩;(2) 等速滑動(0.001~0.63 公尺/秒);與 (3) 變速滑動(快速變慢速或相反)等條件,進行岩石力學實驗,試著觀察斷層鏡子的生成與破壞過程。作者發現只有在快速滑移的條件(大於 0.07 公尺/秒)才會形成鏡面,而且鏡面的微構造與以色列走滑斷層的斷層鏡面相似。反之,慢速滑移在摩擦面上,以磨蝕作用(wear erosion)為主,並產生粉末與裂隙,而無奈米顆粒薄層覆蓋其上。

另外,藉由使用熱電耦偵測訊號,作者估計滑動面上快速滑動時,可能溫度最高達 310℃,並以此說明,由機械破壞作用產生的奈米顆粒,會因熱壓焊結作用(hot pressing sintering)而膠結在一起,變成實驗所觀察到的鏡面。至此,作者提出在淺處形成的石灰岩質斷層鏡子,可以被視為是地震化石(快速滑移的證據)。

因此,如果在野外看到斷層鏡子,先別急著整理儀容,想想,它在提醒你這裡曾有(大)地震發生。

主題資料來源:

本文轉載自「星期五的地質– Friday Geology」,由中華民國地質學會授權轉載。


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中華民國地質學會_96
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中華民國地質學會的前身「中國地質學會」成立於民國11年(西元1922年)當時的北平,民國46年在台灣正式於內政部立案在台北復會,民國95年更名為「中華民國地質學會」,並於民國100年核准登記為「社團法人中華民國地質學會」。目前有效會員近500人,實際參與過學會的人次已超過2000人。本學會成立之宗旨在推動我國地球科學教育與研究之發展,解決各項有關地質的問題,以及促進相關工作者間知識與意見之交流。本會定期出版學術刊物、舉辦座談會及學術演講會、委託會員進行專題討論,並接受公司機關之委託,研究相關之地質問題。


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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)