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臺灣造山知多少? 噪訊地震學告訴你--《科學月刊》

科學月刊_96
・2015/12/24 ・3842字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 578 ・九年級

作者:
黃梓殷/國立臺灣大學地質科學系。
陳映年/國立臺灣大學海洋研究所。
龔源成/國立臺灣大學地質科學系。

身為臺灣人,焉能不知臺灣之美?「依山傍海」是很多人對自己故鄉的描述,也是本島地景最大特色。臺灣島有三分之二的面積被山地及丘陵所覆蓋,其中更有超過260 座3000 公尺以上的高峰,密度堪稱為世界之最。讚嘆美景之餘,大家不免好奇:這壯闊的山脈究竟是什麼樣的鬼斧神工造成的呢?我們今年8月在Science 所發表的研究,談的就是這個課題。

為了解開地下之謎,科學家利用各種物理特性對地球進行了體檢,例如:溫度、壓力、電磁波、重力等,以及地震波速度。藉由這些特性的交互參照,可以將地球由內而外分成固態的內地核、液態的外地核、地函和最外圍的地殼。其中依照岩石的強度,亦可將地殼及部分上部地函合併為岩石圈,漂浮在相對較軟、黏滯且速度稍低的軟流圈上。本文所要探討的造山問題,就是發生在複雜多變的岩石圈裡。

爭論不休的造山謎團

根據「板塊構造學說」,岩石圈由許多板塊所組成,而獨特的臺灣島正是座落於歐亞板塊和菲律賓海板塊的邊界上,二者正以每年近8 公分的速度快速聚合。臺灣島的生成始於6 百萬年前,菲律賓海板塊攜帶呂宋島弧向西北挺進,並撞上歐亞板塊東南緣。演化迄今,在臺灣東邊,菲律賓海板塊沿著琉球海溝向北隱沒至歐亞板塊下方;而在臺灣南邊,則反過來由歐亞板塊沿著馬尼拉海溝向東隱沒至菲律賓海板塊下方(圖一)。這兩個相反卻又糾結的隱沒系統延伸至臺灣,產生巨大的大地應力使得山脈以極快的速度抬升,同時也伴隨著非常頻繁的地震活動。不管從造山的速度、造山的劇烈程度、造山的複雜度以及非常短的造山時間來看,臺灣的造山謎團都足以吸引全球地質學者的目光。

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圖一:臺灣板塊構造。

這懸宕數十年的造山謎團隨著各種實驗和觀測佐證,漸漸有了不同的假說:地質學家以力學及運動學為背景的推土機理論為主,配合模擬地表地形及褶皺、斷層型態建立了古典「薄皮理論」,而地球物理學家則由震波速度、重力、和電磁等研究建立了岩石圈碰撞說(又稱為「厚皮理論」,如圖二)。「薄皮」強調地下10 公里處存在向東微傾的滑脫面,地殼受擠壓後,滑脫面上方的物質像被推土機推動般被堆高,或刮起、或褶皺,或者產生大大小小的斷層。整體來說,造山作用只在滑脫面上方;而「厚皮」則認為沒有滑脫面,板塊擠壓產生的變形可以往上堆高形成山脈,並且向下延伸形成「山根」。近十年內隨著計算能力及觀測技術的提升,造山爭議也催生出更細緻的假說。然而這些造山故事雖然都有其根據,卻仍各說各話甚至互相駁斥。

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圖二:薄皮理論與厚皮理論運動方式。(作者提供)

突破限制的噪訊法

地震波向來被視為全面檢視地下構造最便利也最有力的工具之一。使用震波研究地下構造的過程和醫學上的電腦斷層掃描非常類似。在本研究中,我們期望利用地震波裡的「表面波」來了解地殼的複雜構造。「表面波」(surface wave)──顧名思義是只在近地表傳遞的波,不同於在地球內部傳遞的P 波及S 波,它可以針對淺層構造提供更好的解析能力。令人遺憾的是:表面波通常只能透過較淺、較大、較遠的地震產生,也因此淺層速度構造在過去的研究結果中可稱得上是盲帶。

2003年,坎皮(Michel Campillo)和保羅(Anne Paul)率先使用新興的震波萃取技術「噪訊法」。理論上,計算兩測站長時間連續噪聲的交互相關函數(cross-correlation function),即可獲取兩站間以表面波為主的震波訊號,而這些噪聲的主要來源為海浪與海床、海岸相互作用產生的振動訊號。「噪訊法」──或可稱為「沒有地震的地震學」,除了免除傳統地震學受到震源的諸多限制外,還帶來了重要的優勢:測站越密,解析度越高。環海且測站密集的臺灣使用噪訊法再適合不過,臺灣的淺層地殼的面紗也終於得以摘下。

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圖三:臺灣地形圖與GPS 觀測結果,本研究使用測站以紅色三角形示之(CP:西部平原、WF:西部麓山帶、HR:雪山山脈、CR:中央山脈、LV:花東縱谷、CoR:海岸山脈、EP:歐亞板塊、PSP:菲律賓海板塊)。(作者提供)

透過噪訊法的應用,我們分析全島八十多個測站的地震儀連續雜訊(圖三),包含了中研院地球所、氣象局,以及臺灣大地應力國際整合計畫的寬頻觀測網,從中萃取出上千筆表面波訊號,並於2012 年發佈了臺灣第一個完整的表面波速度模型(圖四)。研究結果顯示淺層的速度分佈和地表觀測到的地質構造非常一致:模型在山脈下方為高速,可反映出在造山過程中曾經被強大應力擠壓夯實後的高密度物質;模型在沿海和盆地區顯示為低速,反映出在地勢低處長久以來的沉積成果,這些沉積岩只受到上覆物質的重力作用,密度遠低於山區的變質岩。這項觀測大幅提升了我們對淺層構造的信心,但地下速度構造和地表地質證據的關聯性究竟向下延伸到多深呢?

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圖四:臺灣地殼速度圖與非均向性。顏色代表震波波速,短黑線代表非均向性方向與大小。注意地下9~13 公里為上下層之過渡帶。(註:彩色速度與觀測的結論相同,此處僅展示2015 的研究結果。)(作者提供)

深層的速度模型告訴我們:深逾10 公里以下,山區速度反而變得比周圍慢了。這個答案顯然無法解答我們對造山的未知,因為它提供的意涵恰如造山機制長久存在的分歧一樣使人感到困惑。首先,地表構造的關聯性只延伸至地下10 公里,暗示了造山作用似乎如同「薄皮」所推論,侷限於淺層;然而,深處山脈的低速構造卻又和「厚皮」所強調的「山根」特性相仿。導致這困境的主要原因是──單純的三維震波模型無法告訴我們岩體如何變形,而造山過程中所引發的變形型態及其分佈的範圍卻正是釐清有關臺灣造山兩主要學派爭議的關鍵。為此,我們需要進一步了解震波速度的「非均向性」。

從「非均向性」解析變形方式

「非均向性」是指物質的物理特性(如:熱傳導係數、導電能力、熱膨脹係數,還有波速等)隨方向不同而有所差異。岩石受力產生變形後,地下各種尺度的結構,小至礦物晶體排列、大至斷層產生的不連續面,都有可能造成其彈性性質的非均向性,並反映於與其密切相關的震波速度。因此,震波速度的非均向性可以有效地幫助我們判斷岩體的變形方式及相對應的應力。非均向性包含兩項量化標準:快軸方向及非均向性大小,前者標示出受力後產生變形方式,而後者則暗示著岩石變形的程度。一般來說,地殼非均向性的控制因素相當複雜,產生的變化幅度也很大,快方向速度甚至可比平均速度高出20%。

我們在2015 年發表了第一個臺灣地殼三維非均向性模型(圖四黑色短線)。此模型涵蓋地表至地下50公里,由淺到深逐漸變化,然而,以地下9~13 公里層為過渡帶,上下兩層的快軸方向卻呈現近乎垂直的顯著差異:上層為東北- 西南向(平行山脈走向),下層則轉為西北- 東南向(平行板塊聚合方向)。此結果明白顯示出:臺灣淺層和深處的地殼變形方式並非一致!而造成此變形機制差異的因子為何呢?

我們可從三個方面來看:一、由地質證據中可看出淺層地殼中的構造(如斷層、褶皺軸)和規律性排列的岩理皆平行於臺灣的山脈走向,這些在擠壓應力系統下產生的構造,對淺部地殼平行山脈走向的非均向性貢獻良多。二、深層平行板塊聚合方向的非均向性由截然不同的機制所主導:在中央山脈下方,由於增高的溫度與壓力,使得岩石漸漸失去脆性特質,轉變為較軟且具黏塑特性,與此同時,中下層地殼礦物亦經過分離、再結晶與重新排列,產生了新的紋理,造成近乎垂直於淺層的快方向分佈。三、新的紋理方向揭露造山關鍵:上下層變形方式不同,但之間存在著連動關係。在上層受擠壓隆起形成山脈的同時,地殼下方則是到受歐亞板塊持續向東的隱沒作用牽引,夾在其間的中下部地殼消化了這兩者間的相對運動因而產生剪切變形(圖三),這就是新紋理的形成機制。

臺灣造山機制真相

綜合上面所說,透過地殼速度非均向性的研究,我們提出「耦合分層變形」造山模型。在此模型中,臺灣的造山行為影響深度超過30 公里,但上下層變形方式不同:上層反映順應擠壓產生的構造,下層則是反映下方隱沒板塊施加的剪切變形。

以造山的深度範疇而言,「耦合分層變形」近於薄皮理論,因為只有上層受到擠壓隆起,但其大於30 公里的變形深度卻又符合厚皮的精神。這個新發現彌補了過去因為難以掌握地殼變形而衍生而出的各家造山假說,也更合理地解釋了臺灣山脈抬升快速的原因,同時亦暗示著臺灣山脈還會繼續長高,且相較於造山剛開始時,生長情形將隨著耦合越來越緊密而加速。這項研究不僅對臺灣造山的爭議提供了有力的新證據,同時也為全球造山演化模型加入新的思考方向,是否全球的古老造山帶都曾經經過耦合分層變形的階段呢?相信科學家早已迫不及待在其他地方尋找證據了!

參考資料:
Chen, Y. N. et al., Characteristics of short period secondary microseisms (SPSM) in Taiwan: The influence of shallow ocean strait on SPSM, Geophysical Research Letters, Vol. 38(4), 2011.
Huang, T. Y. et al., Layered deformation in the Taiwan orogeny, Science, Vol. 349(6249):720-723, 2015.
Huang, T. Y.et al., Broad‐band Rayleigh wave tomography of Taiwan and its implications on gravity anomalies, Geophysical Research Letters, Vol. 39(5), 2012.

201510本文選自《科學月刊》2015年10月號

延伸閱讀:
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天上掉下來的粒子—從包利到希格斯

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們46歲囉!
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推開地獄之門?冰島開挖全球首座「火山岩漿井」,開啟地球科學新篇章!

安比西林_96
・2021/10/20 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

水井、石油井和天然氣井大家都知道,但你有聽過「岩漿井」嗎?最近,冰島著手開挖全球第一座「火山岩漿井」。這似乎是一個瘋狂的主意,滾燙的岩漿可高達攝氏上千度,還可能伴隨著可怕的火山災害。不過這個前所未有的大膽計劃,不僅具備新興可再生能源的巨大潛能,更有望開啓地球科學的新篇章!

冰與火之地——冰島,100% 依靠可再生能源的國家

落在北極圈邊緣的冰島(Iceland),擁有壯闊冰川與絢麗極光,同時也是地球上火山活動最頻繁的地區之一,可謂名副其實的「冰與火的國度」。這座大約 1500 萬年前才因火山活動形成的年輕島嶼,因位在大西洋中洋脊[註1]之上,受到歐亞大陸板塊與北美洲板塊往各自方向的拉扯,而有著 32 個活躍的火山系統,且平均每 4 年就會發生噴發。

圖/wikimedia

除了令人屏息的天然極地美景,冰島更是全球綠能國家中的模範生。得天獨厚的地理條件,讓冰島超過 99% 的電力都是依靠可再生能源,其中 73% 的電力源自水力發電,另 26.8% 則來自地熱能。在可再生能源,尤其是地熱能的開發應用技術上領先世界的冰島,在地發電厰不單是觀光旅游的賣點之一,更吸引了不少國外的投資入駐,以降低企業的碳足跡。

延伸閲讀:利用地球的熱情發電吧:深層地熱發電

通往「地獄」之門,也是推開科學新研究的大門

地熱能開發技術純熟的冰島,在 2009 年的一次鑽探中,卻遇到了意想不到的變故:原本想開挖深達 4500 公尺下的熱水,沒想到卻在 2100 公尺處挖到了一個岩漿庫[註2]!這此的開挖位於冰島北部的 Krafla 火山口附近,一個較小火山口 Víti (冰島語中正是「地獄」之意)邊上。

大量的蒸汽與玻璃從鑽孔中噴湧而出,在鑽探套管報廢之前,還觀測到破紀錄的 900°C 高溫。原先的計劃被迫喊停,但科學家卻從中看到進行地科研究的大好機會。

2009 年時,原先要鑽探地熱井的冰島團隊,卻意外挖到了一口岩漿井。圖/science.org

這起事故,促成了克拉夫拉岩漿試驗臺( Krafla Magma Testbed,簡稱 KMT)研究計劃的誕生。時隔多年籌備,這個備受矚目與期待的計劃,在國際大陸科學鑽探計劃(International Continental Scientific Drilling Program)與多個科研機構的支持資助下,終於於今年展開。這一次,科學家們帶著更堅實的鑽探工具,與明確的鑽研目標,要來敲開通往「地獄」的大門。

「我們曾去過火星,也到過金星,但我們從未觀測過地表下的岩漿。」意大利國家地理物理與火山學的研究主任 Paolo Papale 如是説道。

過去火山學家一直缺乏直接觀測地底岩漿的機會,只能仰賴地震儀、GPS 感測系統和雷達衛星,來推測岩漿的運動。儘管他們可以調查噴發到地表的熔岩,但這些已固化的樣本,早已失去大部分原本所含有的氣體。這些氣體是驅動火山噴發,影響岩漿原始溫度、壓力與成分的關鍵。

自 2009 年與這口岩漿井打交道以來,科學家確認它的脾氣相當溫和,並無噴發的太大風險,加上位處偏僻無人居住之地,因此非常適合進行研究。未來若從 KMT 取得新鮮熱辣的岩漿樣本,將可用來驗證過去科學家對於岩漿的認知是否屬實。

地底下的岩漿,揭開大陸形成的秘密

地球大部分海床,都是由玄武質熔岩[註3]構成,冰島也不例外 。然而組成大陸地殼的花崗岩,卻是由另一種更粘稠、富有二氧化矽的流紋質岩漿而來,而 KMT 岩漿井底下的就是流紋質岩漿。

為什麽構成海床與大陸地殼的熔岩種類有所差異?科學家相信,探究以玄武岩為主要構成的冰島上的流紋質岩漿樣本,將揭秘這個地質科學中很基本,卻未解決的問題。

要長期監測岩漿井的溫度、氣壓、化學成分等參數,實實在在地挑戰人類科技的極限,因為靠近岩漿處的溫度可是超過攝氏一千度。鑽探團隊正測試各種能耐高溫及膨脹的器械,而科學家也在研發各種可抵抗高溫高壓的新型偵測器。

這些研究成果不僅能用於地球科學,有朝一日更可能造福太空探索,如被運用在登陸太陽系中環境最惡劣的金星上。

水手 10 號拍攝的金星,由可見光與紫外光影像疊合而成,可見其表面被一層厚厚的硫酸雲遮蓋。圖/維基百科

一口岩漿井,將成為世界重要的火山學中心

KMT 引領科技的創新,也為冰島的地熱能產業帶來突破的機會。越靠近熾熱的岩漿,利用地熱能發電的效率便會增倍,這麽一來便可減少為了滿足能源需求而開挖的地熱井數量,降低對周圍環境造成的衝擊。光是在 2009 年意外挖掘的這一口岩漿井,就具備可以供應一整個小鎮電力的潛能。

開挖岩漿井時,需要注入大量的水來冷卻與潤滑鑽頭,這個對火山系統進行擾動的過程,也提供科學家一個瞭解火山運動的絕佳觀測機會。進行鑽探後,地震波速度發生的改變,也可透露岩漿流動的範圍。透過探究這些細微的火山運動變化,科學家能更好預測火山的噴發,讓我們能建立更整全的火山預警系統。

「十年後,這裏將可能成為火山學的中心。」冰島地熱研究中心科學主管 Ottó Elíasson 這麽認為。觀察地底下流動的岩漿,就像在瞭解地球的脈動,可以告訴人類更多關於這顆星球的故事,更能帶領我們走向更多科學新的可能性。

註釋

  1. 大西洋中洋脊(Mid – Atlantic Ridge,又稱中大西洋帶),是橫跨大西洋及北冰洋、大部分地區位於海底的山脈。
  2. 岩漿庫(Magma chamber,又稱岩漿房),是地球表面下一至十公里處由熔岩和火山灰氣體形成聚集之處。由於其內的岩漿密度比周圍的母岩來得低,因此會產生使岩漿往上移動的浮力。如果出現可讓岩漿通往地表的管道,便會造成火山噴發。
  3. 玄武岩(basalt),由基性岩漿噴發凝結而成,主要成分是矽鋁酸鈉或矽鋁酸鈣,是一種細粒緻密的黑色火成岩。玄武岩質熔漿被認為源自地球的上部地函。

延伸閱讀

參考資料

  1. Forget oil or water. In Iceland, well diggers seek to tap a volcano’s magma
  2. VisitIceland – Geography of Iceland
  3. VisitIceland – Renewable energy
  4. Magma chamber
  5. Krafla Magma Testbed
  6. Rhyolite
  7. Basalt

安比西林_96
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