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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
  • 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。

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。

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。

「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。

——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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貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。

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要認清人家長得「圓滾滾」,真的有這麼難?關於地平說的二三事

Mia_96
・2021/04/17 ・4773字 ・閱讀時間約 9 分鐘

「地球到底是不是圓的?」這個疑問從過去到現在一直是為人所樂道的話題。

平的地球?圓的地球?

雖然對大部分臺灣人來說,地平說幾乎就是驚世駭俗、毫無基本常識的說法,然而,真實世界中真的有那麼一群瘋狂的人,認為「圓地球是 NASA 的謊言」,甚至呼籲「大家不要被科學家騙了」,並且創立所謂的地平說協會(Flat Earth Society)、盛大舉辦討論地平說的研討會。

地平說支持者們認為地球其實像是一張 CD。圖/Pixabay

對於這些地平說支持者來說,地球究竟長成什麼樣子呢?事實上,有許多地平說支持者都強力主張「地球像是一張 CD」,北極,就是 CD 的中心點,而南極,則圍繞著 CD 外圈的區域。

在科學、科技發展快速的 21 世紀,對於受過義務教育、習得基本科學知識的現代人而言,地球究竟是圓的還是平的,這個問題我們早就有了一定的共識和解答,因此,目前只有極少數人被地平說的論點所折服。

然而,在古代,人們卻很難想像,我們所身處的地球竟然是一顆圓球!

「如果地球是圓的,為什麼我們不會掉進無盡的宇宙?」、「如果地球是圓的,為什麼人可以站在平面上?」,太多太多問題,都使得地球是圓的這件事情不被眾人所接受。

古代人才不笨!圓地球的種種跡象

但其實,早在古希臘,人們便已經透過許多不同的方式去佐證地球是圓的,而後這個想法便被稱之為「地圓說」。

學者們也漸漸提出許多關於地圓說的相關證據,例如,觀察遠方駛近港口的船,如果地球是平的,人們應該會直接看到整艘船緩緩駛入港口,但在船駛入時,人們卻是先看到船桿,才逐漸看到船體。

有不少古代學者透過觀察生活中的各種跡象,支持並贊同地圓說。圖/Pixabay

當月食發生時,擋住月球的地球影子看起來是圓弧形狀,人們從中推測地球也應該是圓球狀,此外,在各緯度旅行的商隊也發現,當越往北方高緯度走時,北極星的仰角越來越高,且不同緯度看到的星座位置也會發生改變。

種種證據都讓古代人越來越相信地圓說,並且開始接受其實地球是一顆圓球。而古希臘學者——埃拉托斯特尼,便是利用地圓說為基礎,成功算出地球周長!

兩千年前,人家就算出地球的圓周長啦!

埃拉托斯特尼是一位精通數學、天文、地理等各種面向的古希臘學者,居住在亞歷山卓城。

古希臘學者埃拉托斯特尼。圖/Wikipedia

在亞歷山卓城的南方有一座賽伊尼城,每當夏至(太陽直射北回歸線)時,太陽會剛剛好位在賽伊尼城的上方,而太陽光也會直直地射入賽伊尼城的一口井裡,當埃拉托斯特尼聽說這件事情時,便想到了測量地球周長的方法。

賽伊尼城與台灣在地圖上的相對位置。圖/作者提供

當太陽直射北回歸線當天中午,埃拉托斯特尼在亞歷山卓城立了一根垂直的木棍,根據木棍的影子測量出當天太陽照射亞歷山卓城的角度,他發現,當天正午時刻,太陽並不在亞歷山卓城的正上方,而在稍微偏南一點的天空中,埃拉托斯特尼測得太陽光射到地面的角度與豎立的木棍中間夾了大約 7.2 度的夾角。

因太陽距離地球很遠、很遠、很遠,我們可以將太陽光視為平行光,當太陽光照射到亞歷山卓城豎立的木棍,並夾了 7.2 度的夾角時,透過推算可以得知,從亞歷山卓城延伸到地心時與賽伊尼城延伸到到地心時的角度同時也夾了 7.2 度的夾角(即數學中內錯角的概念)。

從亞歷山卓城延伸到地心時與賽伊尼城延伸到到地心時的角度同時也夾了 7.2 度的夾角。圖/作者提供

換句話說,即是代表亞歷山卓城與賽伊尼城這段圓弧線所對應的弧長為 7.2 度,這時,只要再知道亞歷山卓城與賽伊尼城兩地的距離,便可以用比值的方式去得出地球真正的圓周長度。

埃拉托斯特尼詢問了往返兩地的駱駝商隊,簡易估算從亞歷山卓城到賽伊尼城的距離約為現今的 800 公里,既然 800 公里的弧長對應到 7.2 度,地球是球體,所以應為 360 度,埃拉托斯特尼便利用了比值的方法算出「地球的總長,應為 4 萬公里左右」。

自此,透過駱駝與影子,埃拉托斯特尼成為了丈量地球周長的第一人,而距今兩千年的埃拉托斯特尼所測出的地球周長,也與現今我們所測得的地球周長十分接近。

距今兩千年前,埃拉托斯特尼就算出地球的圓周長啦!

中國人「天圓地方」的宇宙觀

西方的地圓說使的埃拉托斯特尼找出地球周長,而在東方,則發展出兩種不同的學說——蓋天說渾天說

蓋天說與渾天說同時認為「天道圓,地道方」,兩者最大的不同在於:

  • 蓋天說:我們所站立的地面是被一個「半球體」所覆蓋。
  • 渾天說:我們所站立的地面是被「一整顆圓球」圍繞。

雖然兩個學說對於天的概念十分相背,但卻同時認為,我們所站立的地面是平的,而並不是一顆球體。

在蓋天說與渾天說的爭論中,最後到底由誰勝出?一直到了唐朝,天文學家僧一行為了修改曆法而進行天文測量時,才成功確立渾天說的地位!

當時唐朝所使用的曆法顯示,九月某一日應該會發生日食現象,但觀測後的結果卻與當時曆法產生極大的差異,唐玄宗便決定要修正曆法上的誤差,而當時修正曆法的工作,便交給了僧一行等人。

曆法的制定與地球繞著太陽公轉大有相關,以現今時常聽到的 24 節氣為例,就是透過太陽正午時的仰角所訂定出來的,因此,僧一行決定先測量中國各地,當正午時分太陽光照射到地面時,竿影長度的變化,藉由太陽照射角度與影子的變化,推算正確的曆法時間。

僧一行想利用太陽照射角度,去推算正確的曆法時間。圖/Pixabay

中國史上第一次全國大地測量!

首先,僧一行找出數個觀察點,北至蒙古,南至越南,開始測量每一個觀察點在不同日期的正午,太陽照射所產生的「竿影長度」。

古代流傳著「日影一寸,地差千里」的說法,因此當時的中國人大都認為,當兩個地方測量到的竿影長度相差一寸(約為現在的 2.5 公分),則兩地的距離相差為 1000 里(約為現在的 250 公里)。

然而,隨著僧一行等人不斷測量和計算,他發現,測量數據並不符合「日影一寸,地差千里」的說法,當兩地距離千里時,竿影長度並不一定相差一寸。

地圓說與地平說造成日影丈量的誤差。圖/作者提供

為什麼古代人會流傳著「日影一寸,地差千里」這種錯誤的論點呢?因為當時無論是蓋天說或是渾天說,都認為地球是平的!在天圓地方的宇宙觀中,古代人認為,不同地點會接收到來自不同角度的太陽光,並使得不同地點的竿影長度會隨著距離越遠而變得越長(上圖右方)。

但實際上,造成各地竿影產生差異的關鍵,其實是因為地球本身是一顆自轉軸傾斜的「球體」,在遙遠太陽的直射光之下,才顯得各地太陽照射角度隨著時間而不同,並在各地產生不同長度的竿影!

既然「日影一寸,地差千里」來自地平說的錯誤基礎,當然就不符合與僧一行等人測量出來的資料結果啦!

然而,雖然僧一行等人推翻了過往的說法,卻不知道箇中原因。

他不僅是和尚,也是一位天文學家

除了駁斥過往的說法,僧一行等人也找出其他的規律!

當時學者們已經具有各地所看到的星空會產生改變的知識基礎,所以僧一行不僅在各地測量了竿影長度,也開始測量各地所看到的「北極星仰角高度」

北極星仰角高度,就是從地面抬頭仰望北極星之角度,如同當今「緯度」的概念,而僧一行好奇的是,各地北極星的高度變化(也就是各地緯度)與兩地距離之間是否有相關。

透過計算,僧一行等人發現,當兩地在同一子午線上間隔約 130 公里時,其北極星高度約相差 1 度,也就是在同一條經線上,當兩點的緯度相差 1 度時,距離約相隔 130 公里註1!僧一行等人透過北極星高度成功算出子午線上的 1 度長!

僧一行算出了經線上緯度相差一度時的長度,也就是緯度改變一度時經度上南北方向的距離變化。圖/Wikipedia

算出經線的長度了,然後呢?

隨著僧一行等人持續進行精密的計算與後續的天文觀測,最終成功為唐朝編制出《大衍曆》,不僅解決曆法上的誤差,更使大衍曆成為後續曆法的重要基礎。

等等!就這樣?他們只測得子午線的 1 度長?

然後,就沒有然後了。僧一行等人只有算出子午線 1 度長,並沒有繼續算出地球圓周長。追根究柢,僧一行等人止步於此的主要原因,最終還是回歸到當時東方人所信奉的是「渾天說」而非「地圓說」。

由於渾天說認為地面是平的,因此僧一行等人雖然算出子午線的 1 度長,但他們受困於根深蒂固的古代東方宇宙觀而無法繼續往下思考,也無法像埃拉托斯特尼一樣得出地球的圓周長。

逐漸擺脫地平說的掌控

到了明朝,雖然中國科學家終於提出了「接近」地圓說的概念,但仍難以擺脫地平說的影響,使得他們提出的概念比較偏向「陸球觀」:只勉強承認大地是圓的,但四周的海洋依舊是平面的圍繞著大地。

換句話說,雖然明朝科學家認定「地表是圓球狀」的結構,但其背後的核心觀念還是較接近地平說的觀點,他們勉強承認大地是球形的,但認為海洋是平面的,海洋佔據宇宙的下半部,而陸地浮在平面的海洋上。

「圓地球」的概念,到了明朝末年才漸漸開始走進中國人的心裡。圖/Pixabay

直到明朝末年,西方傳教士逐漸將西方的地圓說、地圖帶至東方後,「地球」的概念才逐漸被東方所接受,而世界各地的人們,也透過科學家們提出的各種證據開始相信,地球是一顆圓球!

無論是埃拉托斯特尼成功算出地球周長,或是僧一行得出子午線一度的長度,其實科學就是一個不斷演進的過程,科學家不斷在過程中發現、嘗試、犯錯、再發現,跳脫過往不曾懷疑過的觀念,抽絲剝繭並發展出新的知識。

從地表到外太空,再到整個太陽系,人類經歷了多少的努力?圖/Pixabay

對於 21 世紀的我們來說,「地球」只是平凡不已的常識,地球圓周長、經緯度座標系也是教科書上實實在在的數字與基本概念,但現在,我們知道,在這些看似「理所當然」的背後,其實是數百、數千來的嘔心瀝血與跋山涉水。

註解

  1. 今日所得之經線 1 度長約為 111.7km。

參考文獻

  1. 楊榮垓,楊效雷(2018)。一位身披袈裟的科學家:僧一行的故事。
  2. 宋正海. (2012). 傳統地平大地觀. 中華科技史學會學刊, (17), 79-82.
  3. 【大宇宙小故事】01 平的還是圓的 | CASE報科學

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