0

0
0

文字

分享

0
0
0

鑽探,能鑽透科學家的想像嗎?

阿樹_96
・2015/12/22 ・3035字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

在上一則介紹地球構造與鑽井的技術後,我們最後發現原來地殼和地函的邊界定義,有需要微調的可能,也有不同的模型和理論在討論中。但要把所有的模型介紹完太麻煩,不如就先介紹基本模型以及下一篇會說到的最新研究 IODP Expedition 360計畫中會用到的三個版本模型吧(下下一張圖的A、B、C,編碼依照文獻[1]的順序,但介紹不依此序介紹)。

海洋地殼的各種模型由來

先談一下海洋地殼的基本模型:由上而下依序為:沉積物;、玄武岩質的枕狀熔岩(Lava)、岩脈(Dike),接著是層狀輝長岩,然後越過莫氏不連續面才會是橄欖岩為主的地函物質,這是一般的對海洋地殼的認知。

海洋地殼基本模型
海洋地殼基本模型

然而因為像這樣的標準模型的太多資料是基於過去大西洋與太平洋的鑽探結果以及部分的地震資料,也不一定適用於印度洋脊。所以學者就針對印度洋脊那邊的鑽探結果修改成模型 C修改自Dick,1991與Nisbet and Fowler,1978),較接近上面的基本模型剖面,由上而下依序就是玄武岩質的熔岩(Lava)和岩脈(Dike),接著是橄欖輝長岩(Olivine Gabbro),然後就會是由震波波速變化上看到的莫氏不連續面(Seismic Moho),最後才是橄欖岩(Peridotite)。最大的差異是在於中間那層輝長岩變成了橄欖輝長岩,主要是因為初步地質資料推出來的。

文獻[1]中提到的三種海洋地殼模型,圖中岩石性質分別是:玄武岩質的熔岩(Lava)、岩脈(Dike)、橄欖輝長岩(Olivine Gabbro)、橄欖岩(Peridotite)、蛇紋岩(Serpentine)。miss section代表上面那塊因為某些原因被侵蝕消失了……Dick, et al. (2006)

另外還有兩個說法:1996年 Cannat的模型 B,和1997年 Muller等人提出的模型 A

啥毀,都還沒鑽到怎麼會有不同的想法?

先別急,這都有根據的,模型 B是1996年 Cannat提出,主要是基於過去大西洋洋脊作為根據,利用在地表發現的超基性岩(就是地函的資料)的推論,再針對印度洋脊張裂比較慢來作修正。上半部和 C的部分一樣,但下半部粗黑線以下 Cannat就覺得下方應該會有被地函物質侵入的橄欖岩混雜其中…所以震波波速上沒有那麼明顯的變化,就會有一部分地殼地函邊界分傻傻不清楚的狀況(到底該是黑色虛線還是紅色虛線呢?)

至於 Muller等人的模型 A,用的資料除了過去的文獻和研究,又加入了印度洋脊附近Atlantis Bank地區的 ODP資料 Hole 735B的分析資料作為推測,一樣上半部的地方也和模型 B、C一樣,但他們覺得再下去化學成分可能會有些變化,或許也可能是受到海水入侵、或是其它因素造成結晶性質變化而形成蛇紋岩,而從上方的輝長岩到以蛇紋石(Serpentine)為主的岩石,再到最下面的橄欖岩的模型 A來說,因為震波難以分出上述不同岩石差異,所以仍難以證實。總之,以此地來看,要說地震波求得的莫氏不連續面(seismic Moho)是不是地函和地殼的邊界,可能一時半刻也說不清楚吧?

所以,這也是為什麼在最近每日郵報的IODP Expedition 360計畫新聞中,會有下方這麼一張令一些地科人覺得匪疑所思的圖,也就是莫氏不連續面比地殼(crust)地函(mantle)還深的情況:

Atlantis Bank地區在1997年與未來預計鑽探的深度示意圖。圖取自每日郵報
Atlantis Bank地區在1997年與未來預計鑽探的深度示意圖。圖取自每日郵報

IODP Expedition 360計畫

這個計畫預計在印度洋洋脊轉形斷層附近的 Atlantis Bank地區進行深鑽[4],等於是重啟當年莫荷計畫的加強版,現今的鐼井設備是有機會鑽到夠深的地方的。不過目前仍由前代的聯合果敢號在 Atlantis Bank地區鑽探(目前最先進的海洋鑽井船是日本的地球號),雖然說是前代,但也曾經有深鑽超過 2公里深的紀錄,而目前它也正在挑戰它的極限,預計 2016年會先鑽到2公里深,接著希望能再鑽到 4公里深的深度,最後希望再藉由地球號延伸到 5~6公里的莫氏不連續面。

所以這個計畫的科學目標之一,就是想辦法把 Atlantis Bank地區的海洋地殼搞懂,看能不能有機會解決上面的問題,看看到底有沒有過渡帶、如果有的話石頭會長成什麼樣?而為什麼選在此處,還有一個很好的理由:就是起跑點比其它地方早, Atlantis Bank附近有一塊因為某些作用而使上面那塊熔岩、岩脈不見了,所以就可以很開心的從橄欖輝長岩開始鑽,更快能到地函。

這邊有計畫的預期科學目標,一共有 8個項目,前面提到的海洋地殼邊界問題大概可以涵蓋 1~5項。第 6項則是地磁異常的成因探討。這部分我不熟悉,但海底擴張說的其中一個證據是海洋地殼可觀察到磁極倒轉的現象[5]。

至於第 7項,則是生於地球內部生命(微生物)和地球碳循環的交互作用關係,但我不熟悉可以在地球內部生存的微生物,無法多談什麼,然而生物能活在岩石內部是一件非常有趣的事,相信這個科學目標也和地質分層的目標一樣有開創性。這部分可以參見細菌人陳俊堯老師的文章

至於第 8項,則是與地底下的碳循環有關,在岩石中的化學反應,會讓岩石中的礦物性質改變,而在前面提到的蛇紋岩,也會因風化轉變成玄武岩,而這過程中的某些環境下,滲入地殼下方的海水(海水中其實有不少二氧化碳溶在裡面)就有機會和岩石中的鈣、鎂離子作用,進而形成碳酸鹽[6]…啊!這不就是大自然的「碳封存」嗎?或許我們從這邊也可以更能明白地底下形成碳酸鹽的機制,說不定對碳封存的技術[7]有助益也不一定?

鑽了這井就會有答案嗎?

IODP Expedition 360計畫的聯合果敢號。Photo credit: William Crawford, IODP/TAMU (http://iodp.tamu.edu/publicinfo/drillship.html)
IODP Expedition 360計畫的聯合果敢號。Photo credit: William Crawford, IODP/TAMU

微生物的部分我不敢說,但是就「莫氏不連續面該如何定義」、「海洋地殼是什麼?」等問題而言,一口深井並不能回答太多問題。因為以鑽井而言,我們還是有所謂的「取樣偏差」,至少要把所有我們認為有可能會有不同現象的地區都鑽深鑽遍,像是張裂速度最快的東太平洋脊、幾乎對稱張裂的大西洋脊、甚至遠離洋脊的地方都鑽,才有可能有更完整的答案。但起碼可以期待的是,這一鑽很有可能改變許多我們目前的看法!地球成分?地球構造?地球起源?生物起源?甚至地震的成因?這些都是很重要的事,而鑽下去只是我們研究的開始而已……

我們的電波望遠鏡可以探索到宇宙深處,甚至已經有太空船飛到火星、月球、小行星上採石頭樣本,但腳下不過幾公里的石頭,卻得花費一番力氣才能挖到。我想真正的宇宙奧秘不止在宇宙深處,也同時在海底、地底深處。

參考資料與延伸閱讀:


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
阿樹_96
72 篇文章 ・ 17 位粉絲
地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。


2

8
7

文字

分享

2
8
7

你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

數感宇宙探索課程,現正募資中!

所有討論 2
椀濘_96
8 篇文章 ・ 15 位粉絲
喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)