被世人遺棄 30 年後，每次世界大戰都成為它的力量之源：板塊構造理論的誕生

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

今年 2 月 6 日，土耳其大地震的影像，透過國際媒體、社群網路不斷轉發，讓世人再次感受到大自然的無情，也讓身處地震帶上的台灣，重燃關於地震的防災意識。

而同樣身處地震帶上的我們，對於地震又理解多少呢？

這次土耳其的地震規模有多大？

今年２月 6 號，土耳其當地時間凌晨四點，發生了地震矩規模（Mw） 7.8 的強震（美國地質調查局 USGS 的測定數據）；震央位於土耳其南部與敘利亞接壤，有著 170 萬人口的加濟安泰普省，震源深度僅僅只有 17.9 公里，屬於極淺層地震。

不幸的是，大約 9 小時之後，距離震央東北方不到 100 公里的地方，再度發生規模 7.5 的地震，深度甚至只有 10 公里，最大震度甚至高達麥卡利震度的 Ｘ 度，相當於台灣的 7 級地震。

光是在土耳其境內，強震造成四萬一千多人死亡、十萬多人受傷，是土耳其百多年來死亡人數最多的地震。

土耳其為什麼會發生大地震？

地球表面包含地殼和一小部分的地函質地剛硬的地方，被稱為「岩石圈」，它並不是完整的一塊，而是分裂許多個「板塊」。中洋脊新生的海洋地殼會推著兩側的板塊不斷向外擴，最終在海溝下沉回到地函，完成循環。

然而，這些板塊彼此運動的速度和方向並不一致，彼此之間會有碰撞、擠壓、摩擦、分離等等的相對運動，形成相互碰撞的「聚合型板塊邊界」、相互分離的「分離型板塊邊界」以及水平錯動的「轉形型板塊邊界」（Transformation Fault，臺灣中學課本常翻作「錯動型板塊邊界」）。

實際攤開地圖，土耳其大部分區域都位在高原上；但在腳底下，土耳其的土地正不偏不倚的落在四個板塊的交界處：北邊的歐亞板塊、南方有阿拉伯板塊、西南方是非洲板塊，大部分國土則位於安納托利亞板塊上。

這些板塊相互推擠，創造了土耳其豐富的高原地貌，也造就了頻繁的地震。

地震發生的原因不只是因為板塊碰撞

我們常以「板塊的碰撞」作為地震的原因，雖然板塊運動確實會伴隨地震發生，卻不能直接解釋地震發生的機制。

板塊新生及重回地函的地方，構成了板塊的交界，它可以是中洋脊、海溝，如果該二板塊交界處的兩側都是陸地，則可能擠壓形成山脈。

就像拿兩塊吐司互相擠壓，會變形的，不是只有接觸面而已，整塊吐司都會因為兩側施加的壓力，在各處形成變形、甚至破裂。而這個破裂面，就是斷層；斷層錯動的瞬間，就會引發地震。

因此，斷層不一定要位於板塊交界上，而是只要岩層有受力的地方，就有可能產生斷層，它可以位在板塊交界的「附近」，也可以是位在遠離板塊交界的地方。

當然，因板塊的相對運動容易讓應力累積在板塊交界處，在板塊交界附近的斷層數量也就比較多。

這次土耳其錯動的斷層是？

前面提到，土耳其剛好就位於安納托利亞板塊、歐亞板塊阿拉伯板塊與非洲板塊的交界處。由於阿拉伯板塊長年向北運動，又受到北方歐亞板塊的阻擋，因此被迫轉向西北方推擠安納托利亞板塊，使得土耳其國土被逆時針擠出。

在四個板塊的相互推擠下，土耳其境內形成兩條較大的岩層破裂帶，一條是東南方的「東安納托利亞斷層系統（EAF）」，另一條則是橫貫整個國境北部「北安納托利亞斷層系統（NAF）」。

這次土耳其大地震的事發地「東安納托利亞斷層」，形成的主要原因正是阿拉伯板塊長年向西北推擠安納托利亞板塊所產生的應力，使得岩層沿著板塊邊界，以東北西南的方向破裂。除此之外，在這條斷層的北側也發展出好幾條東西方向延伸的破裂面，形成東安納托利亞斷層的分支，也是這次大地震第二次主震發生的位置。

根據美國地質調查所的紀錄，這些破裂面，已經超過一百年沒有明顯的地震發生，表示這附近的岩層，已經長期處在應力累積、沒有宣洩的狀態。在阿拉伯板塊持續向北推擠的形況下，岩層終究無法承受，並沿著「東安納托利亞斷層系統」的數條破裂面發生水平方向的錯動，造成了這次的地震。

根據歐洲的人造衛星影像結果，這次錯動的程度之驚人，第一次主震發生的地方，地層左右位移了六公尺，第二次主震更到達八公尺。

為何地震為何總是突然發生，
而不是緩慢的釋放應力？

現在最廣為人知的地震理論，是在 1906 年舊金山大地震時，美國的地質學家李德，觀察加州的畜牧農場的圍籬在地震後發生的錯位情形，並於 1911 年提出了「彈性回跳理論」；其認為斷層附近的岩層先是受到某種外力而發生變形，當斷層面的摩擦力最終無法抵抗外力時，岩層將沿著斷層面一口氣錯動、釋放累積的能量，就產生了地震。

有了這個理論，我們還能推測，已經存在的斷層因為本身就是岩層破裂的地方，結構較為脆弱，當岩層繼續受到外力擠壓變形，就容易再次沿著斷層方向錯動。就像是一片玻璃摔過之後，裡面產生微小的裂痕，雖然玻璃沒有碎掉，但可以預期，如果這塊玻璃再摔到一次，這些微小的裂痕可能就變成了破口，甚至徹底碎裂。

至於讓斷層附近的岩層變形的「外力」除了板塊運動外，地表的侵蝕作用、火山活動等，都是可能的原因。

台灣為什麼有許多斷層？

回頭看，位於板塊交界帶上的台灣，在菲律賓海板塊與歐亞板塊的擠壓下，從北到南遍布了大大小小的斷層。根據經濟部地質調查所在 2021 年公佈的數據，台灣共有 36 條活動斷層。

至於板塊交界處則是在花東縱谷。菲律賓海板塊與歐亞板塊的邊界，從北方的琉球海溝劃過台灣的下方，向南延伸到馬尼拉海溝；在地表上，這條邊界一路從花蓮北端貫穿整個花東縱谷平原。

從一千五百萬年前開始，菲律賓海板塊就不斷地朝西北方向推擠，如今仍以每年 7～8 公分的速度，向著歐亞板塊邁進，海岸山脈也因此不斷衝向中央山脈。

我們可以將台灣岩盤的變形狀況想像成是推土機推雪：海岸山脈是推土機，中央山脈則是雪堆。當推土機推著雪堆向前行時，雪堆前、後和底部的變形最強烈。在海岸山脈的推擠下，變形量最高的地方集中在西部平原、花東縱谷以及中央山脈的底部。由於中央山脈底部岩層溫度過高，只會產生變形；而西部平原、花東縱谷則成為了斷層最密集、地震好發的地方。

和土耳其一樣身處地震帶的我們，除了讚嘆大自然的鬼斧神工之外，具備更健全的地震知識、學習如何與地震災害共處，並盡可能降低地震帶來的傷害，成了我們每個人的重要課題。

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• 作者：陳竹亭

雅典娜的智慧與暴力：地圈

不時變動的地殼，就像希臘神話中兼具智慧與暴力的雅典娜（Athena），是她一體的兩面，從出生時就驚動了大地之母蓋婭，長成後卻又聰明地藉其暴力之美形塑、震撼了大地。

地球的陸地地景十分多樣，有高山峽谷，有平原沙漠；地表並不平靜，事實上是活力十足，有火山、熔岩，有地震，有風暴⋯⋯與無聲無息的寧靜月球形成強烈的對比。

地球屬於石質行星，「地圈」指的是地球外部固體的部分，包括地殼（crust）和上部地函（mantle）。地球中央是由地核（core）組成，這種不連續的分層結構，表示行星在形成過程中可能發生過化學凝析作用（chemical condensation），也就是從一種勻相經由溫度變化分成不同相的過程。重的元素以凝態往地心下沈，輕的物質向地表上升，甚至形成氣體。

地球半徑約 6,380 公里，有分層的結構及磁場分布。地震波（seismic wave） 顯示地下 2,900 公里處有不連續面。2,900 公里以上壓縮波（compression wave）和剪切波（shear wave）均可穿透，屬於固態結構。2,900 公里以下只有壓縮波能穿過， 且波速慢， 表示是液態物質。所以分層顯示 2,900 公里以上是鎂矽酸鹽地質，2,900 公里以下則是高壓熔融鐵，密度大的鐵核可能從熔融的矽酸鹽沉入地心。新的震波探測還顯示地核可能有液態、軟結構和硬結構，相關研究仍在進行中。

鐵元素在地球上的分布， 包括地核中有 1.87×10⁹ 兆噸，地函中有 4.11×10⁹ 兆噸，地殼及海洋中約為 0.01×10⁹ 兆噸。從岩漿的分析來看，鐵佔了 8%，但是佔地球 1/3 的液態鐵是集中在地核，可能是吸收了週期表中相鄰或附近的貴重金屬元素，而下沉至地核中，所以地表存量反而較為稀少。

地殼的成分

從地質化學的觀點，鐵、鎂、矽、氧組成的礦石主要有氧化鐵、橄欖石和輝石，這些礦石的含鐵量依次遞減。不含金屬的氧化矽晶體就是石英。鐵元素不僅形成地核，也改變了地函礦物的種類，同時也影響微量金屬的分布及地殼的成分。

地質學上，根據特定元素及放射性同位素存量的比例，可估計地核及地函形成的時間。目前科學家相信：如果地球是獨自形成，地球的分層，大約是發生在地球形成約 1 億年以內的最初期。

地球的上部地函，就是地球地殼至外核之間的部分，約在地殼以下到深度 400 公里處， 包含部分岩石圈（lithosphere）及軟流圈（asthenosphere）。岩石圈部分厚約 100 公里。地球內部放射性元素的衰變，應當是重要的能源之一。這種高溫可能使地函成為一個富彈性、易變形的半凝固地質，能夠產生對流。

海洋地殼（ocean crust）是玄武岩岩石層，也就是沉積岩，由密度較大的矽鎂質的岩石構成，矽酸鹽成分較少，偏鹼性。現存海洋地殼年齡都在 200 百萬年之內，相對而言十分年輕。

編按：內文誤植，玄武岩岩石層，應為火成岩，而非沉積岩。

陸地的花崗岩（continental crust）即為火成岩，是岩石圈的一部分，由岩漿冷卻形成花崗岩石。結晶性高，和海洋地殼共同成為地球的最外層，主要由含較輕之矽鋁質的岩石，富鋁、鈉和鉀。鐵和鎂反而較少，偏酸性。密度較海洋地殼小。

變動的地殼：分裂的大西洋脊與大陸飄移

大陸地殼浮在地函之上，厚度在 20 至 80 公里之間，約有 38 億年的壽命。地殼的變動是海洋隱沒帶（subduction zone）延伸入大陸地殼下方，沉積物帶入地函，變質、分解釋出二氧化碳，讓海洋生物可以再利用。

中大西洋洋脊（mid-Atlantic ridge）是一個縱切大西洋及北冰洋、大部分位於海底的活火山山脈。由北緯 87 度縱貫延伸至南緯 54 度，恰好是地質板塊邊界（plate boundary）的交會處。

地球內部放出的熱，對地表溫度幾乎沒有影響，但是地函的對流能使地表沉積物拉入地函中，再分解出二氧化碳，最後由火山噴出。熔岩與火山顯示地函的溫度應該仍然非常高，超過 1000 ℃，岩漿的運動提供了地球表面「建造」地殼的活力。自然界地表的地質傾軋與角力，可能是地球生機乍現的起點。

「海底擴張」（oceanic spreading）的活動，主要是由中洋脊的地底火山自海底的地殼中央噴射而出，形成了新地殼。地殼向東西兩側邊延伸，每年以 40-90 毫米（mm/yr）的速率擴展，至今仍然在持續進行，這也是大陸飄移理論最好的證據。

1915 年， 德國的偉格納（Alfred Lothar Wegener, 1880-1930）提出「大陸漂移說」（continental drift theory），認為大陸地塊會隨地質年代而漂移，這個假說在當時很少人真正給予重視。直到 1950-60 年代，放射性定年法的技術大為改進，才使得研究地球古岩石或沉積磁性的古地磁學異軍突起。

1959 年， 美國地質調查局（USGS） 和澳洲國立大學（ANU）的科學家競相發表大西洋脊兩側海底沈積岩對稱的註記了過去世代的「地磁反轉」（geomagnetic reversal）尺標。地球磁場在地球歷史中，南北極有非週期性的變換現象，可由大西洋海底地殼的磁性隨地質年代的變化獲得。地磁反轉的清晰磁條可以準確地推算出地質年代，再測量其到中洋脊心的距離，就可以估計當時海洋擴展的速率。

1963 年，英國的維尼（Frederick John Vine, 1939-）和馬太（Drummond Hoyle Mathews, 1931-1997）結合了地磁反轉和海洋擴張來支持大陸漂移說（continental drift theory）。加拿大的莫雷（Lawrence Whitaker Morley, 1920-2013）也同時獨立發表了相同的學說，但他提出發表的論文遭到拒絕，數年後才正式出版。

根據大陸漂移的理論，上部地函及地殼的岩圈分裂成幾塊「板塊」，這些板塊相互的傾軋運動，決定了地殼板塊邊緣的聚合或分離、造山運動或是海溝形成（trench formation）、還有轉形斷層（transformation fault）、地震或是火山活動。這些現象必然都和地函的對流運動之動力變化有關，但是理論有很多種，研究也都還在進行中。

宏觀來看，不僅地圈的一顰一動都與陸地生命體息息相關。地圈、水圈與氣圈的對流層也緊緊地和生物圈結合在一起，其構成多樣多姿的行星生命世界，是最令人屏息的宇宙景象。

台灣島的生成

台灣島正好地處於地質活躍帶上，西為歐亞板塊、東北是琉球板塊、東鄰菲律賓板塊及南方的巽他板塊的交界處。是世界上最頻繁的地震活動地區之一。台灣島的中央山脈主要是由 600 萬年前的蓬萊造山運動—菲律賓板塊向西擠壓歐亞大陸板塊而形成。至今，菲律賓板塊仍以每年 8.2 公分的超高速度持續向西北移動。

相對於 46 億年的地球，600 萬年的台灣是非常年輕的島嶼，那時古猿人才剛在非洲大陸出現呢。我們身在這個蓊鬱之島上，不能不知道和她有關的地質、地理與自然生態，當然還有人文、歷史及社會的形成過程。

——本文摘自《丈量人類世：從宇宙大霹靂到人類文明的科學世界觀》，2022 年 9 月，商周出版，未經同意請勿轉載。