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超塑性的地幔礦物

peregrine
・2011/03/24 ・667字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 561 ・九年級
相關標籤: 礦物 (6)

超塑性是指某些結晶物質在受熱時,可延展自身長度達若干倍的能耐。儘管地球地幔(地函)中的礦物無法承受這樣大的張力,不過有間接證據暗示,超塑性有助於這些礦物回應大陸板塊的潛沒(subduction:指地殼結構中一板塊邊緣潛入另一板塊邊緣下方),及其他地殼結構的變化過程。

目前,一支由日本東京大學(Tokyo University)的Takehiko Hiraga及來自日本國家材料科學研究所(Japan’s National Institute for Materials Science)的Hidehiro Yoshida所領導的團隊,業已發現地幔礦物確實具有超塑性的直接證據。如同其他的超塑性物質,不論是實際存在或推測出來的,地幔中的礦物是多結晶的聚集體。

(圖援用自原文)

為了進行研究,Hiraga、Yoshida及其團隊燒結了奈米級粉末,來製造兩個主要由鎂橄欖石(forsterite:也就是Mg2SiO4)組成的地幔礦物模擬物。沒有壓力時,超塑性物質的組成,主要成分為奈米級粒子,其中也混雜了一些更小的粒子作為次要成分。在壓力下受熱時,主要及次要的粒子會藉由與鄰近粒子合併而生長。這種反應確保了粒子持續相毗連,因此可預先防止整個物質的破裂。

如文中圖示,由90%鎂橄欖石及10%方鎂石(MgO)組成的樣本,能經得起超過5倍的張力。此外,透過電子逆散射的衍射(electron back-scattered diffraction)及射透式電子顯微鏡術(transmission electron microscopy)這兩種電子診斷術,發現上述地幔模擬物中的粒子,會像超塑性已被證實之物質中的粒子一樣成長。

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在已測定的諸多溫度與張力率下,地幔類似物變得具超塑性。該團隊估測,超塑性可能有助於地球地幔容納,花6千萬年來穿過3千公里的2百公里厚岩板(slab)。

原文網址:Superplastic mantle minerals
翻譯:peregrine | 本文轉載自PEREGRINE科學點滴

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peregrine
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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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最早的脊椎動物:牙形石一開始居然被當成石頭?——《直立猿與牠的奇葩家人》
大塊文化_96
・2023/08/18 ・1483字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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地球古生代的海洋岩石中散布著微小的牙形石口器化石。
這些重要的指標化石被誤解了一百多年,牠們屬於地球上最早的一批捕食性脊椎動物:一類外觀狀似鰻魚、在海洋中存在超過兩億八千五百萬年的動物。

原本不被當成動物的牙形石

在牙形石(conodonts)首次被發現後的一百多年裡,人們只將牠們視為微小的礦物形狀。

牙形石現在被認為是一種狀似鰻魚的動物,是世界上最早的捕食性脊椎動。圖/大塊文化

就像顯微鏡底下的雪花,牠們有許許多多令人驚嘆的形式:鉤形與扇形、梳狀、種子狀圓球、星形與有節的螺旋狀。這些比米粒還小的奇怪化石出現在寒武紀,一直到三疊紀岩層都還有牠們的蹤跡,遺留下像是麵包屑般的隱密痕跡。

直到一具保有軟組織的精美牙形石化石出土,古生物學家才終於發現這些奇怪的形狀到底是什麼。原來,這些東西是一種狀似鰻魚卻沒有下頷的動物的礦化口器。

有些物種不比指甲長,有些長度則將近半公尺(二十英寸)。

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更重要的是,牠們是脊椎動物,這讓我們更加認識地球的脊椎動物是如何演化出現。在三疊紀,海平面產生變化、海洋酸化,以及其他新興海洋生物的出現,讓牠們難以承受,才導致牠們的滅絕。

由於這個絕妙的動物群體在生命史上續了很長一段時間,成為重要的指標化石,得以解釋深度時間與幾千年來岩石形成的歷史。

透過顯微鏡才發現牙形石是動物

一八五六年,波羅的海德意志人生物學家海因茨.克里斯蒂安.潘德爾(Heinz Christian Pander, 1794–1865)首次辨識出牙形石。

我們只能從它們微小堅硬的部分來瞭解這些動物,這些部分的礦物質與人類的牙齒和骨骼類似。牙形石化石大多非常小(可以小到兩百微米,亦即 0.2 公釐),大頭針的針頭就可以裝下一打。

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一些牙形石口器,像雪花般散落在早期的化石紀錄中。圖/大塊文化

在它們被發現之後的幾年間,科學家試圖弄清楚這些微小結構屬於哪一種生物。大多數人認為這些化石是口器或爪子,或許屬於已經滅絕的蠕蟲或蝸牛,也有人甚至認為它們可能來自一種植物。

直到一百二十多年後,才有一件動物化石在蘇格蘭出土,保有軟組織,而且礦化口器也完好無缺。過沒多久,更多牙形石的化石在美國、南非等地的特異埋藏化石庫出土。

這些新化石顯示,這不但是一種體型細長的動物,而且是一種脊椎動物,因為牠有脊索,沿著身體呈現之字形的肌肉排列,還有不對稱的尾鰭。

牠們更有一對可利用帶狀肌肉旋轉的眼睛,這種特徵只見於脊椎動物。

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牙形石的飲食習慣

牙形石的口器有著驚人的多樣性,這意謂著牠們正在試驗各種不同的飲食。其中有一些可能屬於濾食性動物,張著嘴在浮游生之間游動。

有一些則會主動獵捕食物。牙形石的齒狀結構有細微的磨損,表示牠們會抓咬、剪切與磨碎食物。

這讓牙形石成為世界上最早演化出現的捕食性脊椎動物之一―但絕不是最後一批。

——本文摘自《直立猿與牠的奇葩家人:47種影響地球生命史的關鍵生物》,2023 年 7 月,大塊文化,未經同意請勿轉載。

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大塊文化_96
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由郝明義先生創辦於1996年,旗下擁有大辣出版、網路與書、image3 等品牌。出版領域除了涵括文學(fiction)與非文學(non-fiction)多重領域,尤其在圖像語言的領域長期耕耘不同類別出版品,不但出版幾米、蔡志忠、鄭問、李瑾倫、小莊、張妙如、徐玫怡等作品豐富的作品,得到讀者熱切的回應,更把這些作家的出版品推廣到國際市場,以及銷售影視版權、周邊產品的能力與經驗。

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向豐富多元的變質岩提問——《磐石紀事:追蹤 46 億年的地球故事》
貓頭鷹出版社_96
・2021/04/01 ・2564字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 513 ・六年級

  • 文 | 貝鳶業如

變質隱喻

變質(「後來形成的」)岩石是岩石世界中少數的多語通曉者,一生至少曾在兩種不同的地質環境中居住過。這些岩石所代表的是多元文化,而非文化熔爐。變質作用與熔融無關,而與固態狀態下的再結晶有關,就跟粉狀的新雪被埋起並變得易碎一樣。因此,變質岩的結構和成分風格各異,是其所棲環境的混合產物,這使變質岩成為所有地質文章中最豐富的一種。

變質沉積岩是其中最易閱讀的一種,因為它們可能尚保有分層、漣漪紋,甚至化石等可見的特徵,於是可以由所形成的變質沉積岩(也就是它們的原岩,意為「第一岩石」)中分辨出此種岩石。這就好像你憑著耳朵上一道疤痕的形狀,而認出一位你自孩提時代後就再沒見過面的老朋友。但即便再結晶作用和變形作用已然抹去這些特徵,變質岩的成分還是記錄著自己的起源身分(雖然外貌變了,你的朋友還是記得很久以前的某個夏天,曾與你一同在海灘消磨時光)。

大理岩是由石灰岩加熱所形成,而這兩種岩石主要也都由方解石礦(碳酸鈣,CaCo)所組成。

意大利托斯卡尼的大理石采石場。圖/Pixabay

大理岩之所以呈半透明狀,單純就是因為再結晶顆粒的平均尺寸較大之故。板岩、千枚岩和片岩是頁岩(泥岩)不斷經由高溫烘烤而成。晦暗無光澤的黏土會依變質作用壓力與溫度條件的不同,而形成閃亮的雲母、耐看的紫色石榴石或天藍色的藍晶石,全都是由原來黏土中本來就有的鋁和矽重組而成。

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此類只在相當嚴格的物理條件範圍內才會形成的礦物,稱為指標性礦物,是烙印在岩石生涯旅程各個不同關卡的印記。地質學家研讀指標性礦物,便能夠就特定岩石從其起源一路追溯到最深的掩埋處所,再回到他當初無意間撿起這塊岩石的地表。像鑽石這種主要藉由壓力而形成的礦物,是良好的地壓計,提供了礦物形成之時,岩石所處深度的測量讀數。其他只在特定溫度下才會結晶形成的礦物,則被當成地熱計使用。這些受壓力和溫度影響的礦物即便在旅行前往地表時,依然是其宿主岩石的亞穩成分,這就像大雪堆在氣溫升至冰點上之後,還可以繼續存在一段時間。不過,從熱動力學的角度來看,鑽石不盡然恆久遠。與在地表的情況不同的是,鑽石會慢慢劣化成另一種平凡得多的碳結晶形態——石墨,也就是用來製造鉛筆芯的「鉛」。好在對珠寶商和客戶而言,鑽石劣化要耗去好幾段的地質時間。

藉由壓力而形成的鑽石,是良好的地壓計。圖/Pixabay

指標性礦物是辨識岩石變質時構造環境的關鍵。在地球大陸地殼的洞穴裡,溫度會以每公里攝氏二十度的速率穩定上升。

此種變化在礦坑深處便可直接觀察得到,在礦坑的較深處,溫度之高可能使人熱到無力。有些變質岩所含有的礦物集合與這種地熱梯度一致。也就是說,礦物所記錄下的溫度,正與我們預期中岩石所經歷受的壓力(深度)相當。這種以常見方式發展成熟的岩石所經歷過的,稱為一般性的深埋變質作用。

但許多其他的變質岩石所記錄下的溫度和壓力高峰情況,卻與這種典型的地熱梯度並不一致,亦即就岩石所到達的深度而言,這些岩石成分所暗示的溫度要不是太高,就是太低。

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這意味著岩石是在熱混亂的情況下產生變質,而這正是岩漿或構造活動的標記。

若一塊岩石所含的指標性礦物在低壓下記錄到高溫(就像天才兒童過早深入成人世界),那麼這岩石必然曾在接近熱源處產生再結晶,熱源則多半是地底的大塊岩漿。

經歷接觸變質作用的岩石,所接觸的熱源大部分為地底的岩漿。圖/Pixabay

此種岩石所經歷的,稱為接觸變質作用。相反地,若一塊岩石含有高壓礦物(如石榴石、玉、罕見的鑽石等),卻從未經歷過相應的高溫,那麼這塊岩石位於深處之時,必然有某種東西使之冷卻,或至少將之隔絕開來(就像一個天真的成人過著異乎尋常受保護的生活)。

岩石是效能極低的熱導體,因此一塊岩石(尤其是大塊的岩石)是有可能在被熱得多的岩石包圍的情況下,依然保持著涼爽。

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「隱沒帶」海洋地殼因自身重量的拉扯而下沉(就像厚重棉被掉下床去)回到溫暖地函之處,此處便是此種隔絕現象可能出現的地質場景。海洋地層運動進入地函(對流循環的下降部分)的速率,較其因傳導而升溫的速率快了許多倍(岩石很不容易因傳導而增溫),因此海洋地層在隱沒到地函裡千百萬年後,依然能夠保持異常冰冷的表層,這一點甚至可由地震「觀察」得到,因為穿行地球內部的震波在通過這些較冷地帶時,運動速率會提高一些。

已進入隱沒帶的岩石有時候又會再度回到地表,但我們對這種地球消化不良的現象所知極少。這些岩石含有高壓低溫礦物的特徵,很容易被辨識出來。這些岩石稱為藍片岩,因為其中一種富含鈉、稱為「藍閃石」的礦石呈牛仔布色而得名。藍閃石非常罕見,但科學期刊討論它們的篇幅卻很多,因為它們明確地訴說進入隱沒帶的旅程,使我們全都能夠免於走這一遭。再說一次:你得找到對的岩石提問才行。

圖中礦物深藍色的部分即為藍閃石。圖/wikimedia

與隱沒有關的變質岩無疑為地球所獨有。月球、水星、火星和金星上沒有將岩石從地表推回地底深處的構造循環作用,因此應該沒有變質岩的存在(除非你要把因隕石撞擊而受創,發生驚嚇變質的岩石也算進去)。

火星和金星上大規模的火山作用可能使較老的岩石被覆蓋住,因而經歷了深埋變質作用,但由於缺乏有效侵蝕媒介的存在,這些岩石就一直無聲地停留在難以企及的深處,無法到地表來訴說它們的故事。

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——本文摘自《磐石紀事:追蹤 46 億年的地球故事》,2020 年 12 月,貓頭鷹出版社
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貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。