- 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。
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