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

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

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。

• 周碩君｜國立中央大學地球科學學系四年級

居住在這顆藍色的星球這麼久，身為人類的我們自然而然、習以為常地生活在陸地上。

然而，為什麼世界分成七大洲？七大洲從哪裡來？我們為何需要遠渡重洋才能到達彼方呢？

這些問題的答案，直到近百年科技發達，使得地球科學有了很大的進展，科學家才逐漸了解在岩石與海水之下那個隱藏著支撐我們家園的秘密——板塊。

國、高中時，我們都學過「板塊構造學說」，主張地球最外層由十幾個大小不一的板塊拼湊而成，而身為臺灣人的我們，也都知道臺灣位處在歐亞板塊與菲律賓海板塊之間，島上的陡峭山脈來自於板塊的碰撞。

雖然如今板塊構造學說人人都能琅琅上口，但自 20 世紀初期以來，它可是歷經了千辛萬苦才得以引起近代科學家的注意，耗費三十年，才逐漸壯大為地球科學的知名理論。

在板塊構造學說的誕生故事前，有一位至關重要的科學家——魏格納。

魏格納玩的拼圖遊戲，是一個整個地球

魏格納 (Alfred Lothar Wegener) 是一位德國地球物理學家、氣象學家和天文學家。 1908 年魏格納被馬爾堡大學聘為氣象學、天文學和宇宙物理學應用講師。

任教期間，魏格納留意到世界地圖上，非洲大陸西岸和南美洲東岸，也就是大西洋兩側的海岸線輪廓很相似，就像是兩片可拼起的拼圖邊緣：一凹一凸，彼此密合。因此，魏格納想像兩邊陸地原本可能相連，開啟了關於大陸漂移的研究，也是往後地球物理學與地質學的重要基礎。

1911年，魏格納在馬爾堡大學圖書館，讀到一篇奧地利地質學家修斯 (Eduard Suess, 1885) 有關岡瓦那大陸 (Gondwanaland) ¹ 的文章，內容提到根據南半球各大陸上有相似的地質沉積岩層和古代動植物化石，假設在南半球曾經存在過一個統一的大陸。

魏格納是一位氣象學家，利用影響全球氣候帶分布控制因素的專業知識，判斷這些反應古氣候的沉積物證據，與當時全球氣候分布不相符。經過全球古生物化石和沉積地層的資料分析，獲得不符合現今緯度的證據，於是魏格納不僅可以支持修斯的假說，更進一步認知到大陸可能會漂移。

我們曾經都黏在一起？大陸漂移學說

1915 年魏格納正式出版《大陸與海洋的起源》²一書，以多面向的證據解釋「大陸漂移理論」。在這本書裡，魏格納主張大約在二億年前，地表有一塊「盤古大陸」稱作「泛蓋婭」 (Pangaea) ³，經過分裂變成兩個陸塊，再繼續分裂與漂移，直到形成今日的樣貌。

魏格納以古生物的資料作為證據，將目前幾個分離的大陸：南美洲、非洲、印度、南極洲、澳洲接合起來，如圖三所示⁴。這四種古生物，皆不能跨越海洋，到其他陸地生存，所以能支持這些陸塊曾經連在一起的理論，呈現帶狀且連續的動植物分布範圍。

在二疊石炭紀時期冰川中，也可以找到關於古氣候的證據。冰磧遺跡中的苔原植物很矮小、貼近地面生長，會利用陽光照射地表空氣和土壤的溫度存活，生長期更長，應該分布在高緯度、甚至極地地區。這些古苔原植物能在現今南半球各大陸發現，就可以作為這些板塊，從原先高緯度環境，慢慢移動到現在中低緯度的證據。

雖然魏格納提出了大陸漂移的種種證據，但因為沒有辦法解釋移動的機制，加上他並非地理學或地質學出身的學者，使得當時學界對他的想法嗤之以鼻。

戰爭埋葬了生命，也催生了偉大的新科技

他的研究被世人遺忘了三十年，直到世界大戰，人們發明許多新科技，地球科學的研究才再次嶄露曙光。

第一次世界大戰為了探測潛水艇而發明聲納觀測，這項發明可以用來測繪海底地形。當探勘船發出聲波、從海面向海底傳播後，探測員就可以利用從海床反彈的聲波的時間差來計算海底深度，借此測繪出海底地形，此時，人們也因此發現了大西洋中部的海底山脈——大西洋中洋脊。

到了第二次世界大戰，磁力儀誕生了，磁力儀原先是運用於戰爭的利器，軍方將其裝置在飛機並偵查海底下的潛艇，而科學家綜合以上兩項技術、岩漿冷卻成岩石的磁性特徵⁵之後，他們發現：

以中洋脊為中心，兩側海底岩石的磁力分布對稱，而且，磁極正反交錯呈現條紋狀分布，就像是超商每樣商品上條碼的樣子，記錄了過去地球磁場方向的每次反轉。

為什麼海底岩石的磁力會這樣分布呢？科學家海斯 (Harry H. Hess) 與狄茲 (Robert S. Dietz) 在 1960 年代利用同位素定年法⁶推斷：由中洋脊冒出的岩漿，生成出海洋地殼並不斷擴張，到了海溝⁷再隱沒到地球內部，像是輸送帶一樣運轉。海斯和狄茲順利解釋了海洋地殼的誕生與消逝，形成「海底擴張學說」。

直到此時，「海底擴張學說」配合魏格納的「大陸漂移理論」，再配合許多研究資料（如海溝處地震定位資料）之後，才逐漸發展出你我熟知的「板塊構造學說」。

這顆古老的地球，仍有無數難以參透的秘密

雖然當代地球科學界普遍認可板塊構造學說的概念，但這個理論並非毫無疑點，尚有許多疑惑等待科學家一一挑戰並且破解。

我們藉由魏格納及近代地球科學家的研究成果，了解地球板塊形成的原因。但是利用各種證據方法，推測陸地過去詳細的模樣，追溯到十八億年前就算是極限了，更久以前的地球板塊又是如何分布的呢？

從現實面來說，沒有任何地質學家能親眼觀察地球內部的物質成分和構造。絕不可能像法國小說家凡爾納的《地心歷險記》⁸，主角李登布洛克和他的姪子進入火山，通過地心，看遍地下所有秘密，再從地球的另一端出現，卻毫髮無傷。

或許在未來，科技更加進步，研究儀器的功能更強大，地球科學家能找到更多關於地球板塊變化的證據。到時候，或許能在板塊構造學說的基礎上，發展出合理解釋地球誕生到現在完整演變的學說，更進一步結合其他領域的科學家，預測未來地球的陸地將如何變化。這些發展，我們都可能參與，也值得我們期待。

註釋

1. 「 Gondwana 」是印度的一個地名，在此地發現的岩石相似於南半球其他大陸，修斯以此稱之。
2. 原文「 Die Entstehung der Kontinente und Ozeane 」。
3. 「Pangaea」原文為希臘語「Παγγαία」，是「πᾶν」（全部）和「γαῖα」（陸地）的合字，即「全陸地」。其中 「Γαῖα」也是前面介紹過的大地之母神。
4. 圖三古生物分帶說明：
   • 橙色：犬頜獸屬 (Cynognathus) 是種三疊紀中期的陸生肉食性犬齒獸類，在非洲、南美洲、南極洲可以發現化石。
   • 藍色：中龍屬 (Mesosaurus) 是一種小型水生爬行動物，在二疊紀早期的南美洲和南非地層中可以被發現。
   • 棕色：水龍獸屬 (Lystrosaurus) 為陸生的中型脊椎動物，存活在二疊紀晚期到三疊紀早期，化石分布於南極洲、印度、南非。
   • 綠色：舌羊齒屬 (Glossop-teris) 是一屬已滅絕的種子蕨類，生存於二疊紀至侏羅紀晚期，化石主要分布於南半球及印度。
5. 岩石中的磁鐵礦會記錄當時地球磁場的磁性，與現今地磁場方向一致稱為「正磁極性」，反之則為「反磁極性」。
6. 利用岩石中的元素，其元素包含不穩定的放射性同位素，具有規律的衰變週期，可作為測量地質年代的方法。
7. 簡單來說，為一種海洋地殼與大陸地殼交界的構造，形成深且狹窄的峽谷。
8. 書名原文「Voyage au centre de la Terre」，為法國小說家凡爾納於 1864 年出版的科幻小說。

資料來源

1. 《板塊構造學說紀事》，W. Jacquelyne Kious, Robert I. Tilling，（陳建志、馬家齊譯），五南，2005。
2. 《海陸的起源》，魏格納，（李旭旦譯），北京大學出版社。

作者後記

作者／周碩君

我喜歡閱讀科學家的故事，認識一個人的成長背景，配合其學術成果，讓我體會到科學發展一直與人緊密相關。我很幸運在 2019 年修了一門通識課，由單維彰老師和鄭芳祥老師共同教授的「知識寫作與思考」，每位學生期末成果就是產生一篇屬於自己的知識寫作。非常感謝老師們對我的文章不斷給予建議，還鼓勵我將作業成果投稿。我的作品選擇了自然科學領域，是一篇結合地球科學和歷史的科普文章，期待透過像說故事的內容，能夠讓更多人透過閱讀獲得有趣的地科知識。

• 責任編輯｜儀珈