地球如調酒師,生成風格各異的岩石——《磐石紀事:追蹤 46 億年的地球故事》

  • 文 | 貝鳶業如

調酒與比喻

讓我們設想一下「混合」。

我一向很喜歡攪拌器上同義詞詞典般的動詞列表:攪動、揉捏、切碎、絞碎、絞爛、打汁、攪打。

這些動詞體現了一些關於混合的基本物理事實。

首先,固態元件必須先化約成小的粒子,才能與其他物質有效混合。碾磨不僅在細微的層次上製造出較為均質的混合物,也能夠提供較大的表面積,讓粒子與周圍的介質互動(因為小物體有較高的表面積體積比)。

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其次,混合的重點在於運動使系統中的每個部分至少都與其他部分產生短暫的接觸。高速的無序運動(即流體機械學專家所稱的渦流)比有序運動(流線運動)更有可能產生完全的混和。詹姆士‧龐德喜歡馬丁尼用搖的而不要用攪的,或許就是這個原因。

高速的無序運動如渦流,可以使系統中的每個部分至少都與其他部分產生短暫的接觸,產生完全的混合。圖/Pixabay

地球並沒有已經預設好的攪拌速度按鈕,那它又怎麼進行混合呢?唯有一股物質流從一地前往另一地時,混合才會發生,流的出現是對「不均等」的回應,也就是回應物理變量值的梯度或空間差異。我們可以將流設想成總是劫富濟貧的羅賓漢作用。這便是地下水流的達西定律與血液循環的泊肅葉規則的精義(參見第三章)。

地下水流、岩漿流和血液流,都是對壓力差異的回應。

地表水會往低處流,以彌補高度的差異(位能),熱的流動則會使溫度均一化。

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擴散作用是最緩慢的一種地質作用,乃特定元素基於濃度差異,從一地運動至另一地而產生。在擴散流中,原子因應濃度的變化,透過一種「不動介質」而運動。這可能是個非常緩慢艱困的過程,介質是結晶晶格時尤其如此;就好像要在沒有大砍刀的情況下,穿越非常濃密的叢林一般。溫度高的時候,此種岩石中的固態擴散作用進行得比較快,但就算是在效能最高的情況下,擴散作用使原子移動的速率,也不可能快過每年五十分之一公分。液體中的擴散作用就快得多(比較像是散步穿過一片溫帶森林),氣體中的擴散則相當有效率(有如大步通行一片整理得很好的草坪)。

擴散作用是特定元素基於濃度差異,從一地運動至另一地而產生。圖/Pixabay

傳導作用熱能透過靜態介質,自高溫處往低溫處移動的作用(有如元素自火爐進入冷的平底煎鍋),其間的熱流也是一種擴散作用。

岩石中的熱傳導非常緩慢,因為岩石的導熱性是出了名的差。

不過在許多地質場景中,透過介質「漫步」(擴散)並非唯一的運輸選項。

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有時原子和熱也可以跳上運動介質的便車,於是便能旅行較長的距離。這稱為平流,水通常是此種大眾運輸載具。溶解於移動地下水中的離子每年可以移動數十公尺,在地表水中則每年可移動數百公里,比透過乾岩石而擴散的離子乘客快得多了。

在較長的時間尺度上,岩石本身也成了平流的載具。地球的固態地函是個穩定但慢得不可思議的攪拌器,以一種稱為「熱對流」的特殊平流形態來翻轉自身,而熱對流也是板塊構造的驅動力。對流作用就跟傳導作用一樣起因於溫度差異,不過比較沒那麼間接。對流需要顯著的垂直溫度梯度,冷的物質要在熱物質的上方。就跟熔岩燈的情況一樣,地函岩石是自下方受熱(不是被燈泡加熱,而是被地核中的原始熱能和地函自身的放射性熱能所加熱)。

地函中的熱對流示意圖:溫度高、密度較低的物質向上移動,而低溫物質則往下移動。圖/wikimedia

對流的關鍵要素便是與溫度有關的體積變化,亦即受熱時擴張,冷卻時收縮(熔岩燈裡的染蠟,熱擴張的程度顯然比清油要大)。

由於較冷上層的密度比下方物質要高,這就造成了浮力的不穩定;上端會下沉,底部會上升,整個系統就開始攪拌自己,而此一系統上方的板塊,則以每年數公分的速率移動(剛好跟指甲生長的速率差不多)。

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地球內部只有在物理變量發生偶然組合時,才會出現對流翻轉現象。若岩石的熱導性較佳,所需的溫度差異會被抑制,此種攪拌就絕無可能發生。若岩石受熱時沒有顯著的擴張,驅動對流的密度不穩定也就不會發生。若地球地函岩石的黏度更高許多,整個系統就會磨光而停頓下來。最後,如果地球的放射性元素較少,或這些元素的半衰期更短,行星熔岩燈的燈泡也會在很久以前就燒掉了。但地球的地函始終都還在繼續翻攪。

——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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