從岩石圈到軟流圈

根據最新的實驗岩石學分析結果顯示,組成上部地函最主要的岩石,二輝橄欖岩(lherzolite)中所含的鈣鎂角閃石(pargasite),是上部地函中儲存「水」的最主要礦物。而這種礦物在3GPa的壓力下(約相當於90公里深處)會迅速喪失儲存水的能力,因而導致上部地函岩石產生部分熔融所需要的溫度下降到地溫梯度之下,也就造成了軟流圈的形成。

在板塊構造學說的敘述中,岩石圈(由地殼及最上部的地函所組成)是位在岩石力學性質較弱的軟流圈之上移動,才造成板塊運動。一般相信軟流圈的形成,是由於水、二氧化碳及甲烷等揮發性氣體的存在,導致岩石可以在比較低的溫度之下產生部分熔融,因而降低了岩石強度的結果。

但是根據中洋脊玄武岩所估算出的原始岩漿成分顯示,其中大約只有0.1%的水以及100 P.P.M.的二氧化碳,這些揮發性氣體的含量至多只能降低約30℃的熔融溫度。再以中洋脊地區5到20%的部分熔融程度來推估,上部地函的原始成分中大約只含有50到200 P.P.M.的揮發性氣體成分,這對於降低岩石部分熔融所需要的溫度來說,影響相當有限。所以對於軟流圈究竟是如何形成,仍存有相當多的爭議。

鈣鎂角閃石是組成上部地函的二輝橄欖岩中,儲存「水」的最主要礦物。根據最新的實驗岩石學研究結果顯示,由於壓力會影響鈣鎂角閃石的組成(主要是鈉、鉀的含量),因此在壓力大於2.5GPa之後,鈣鎂角閃石的儲水性便開始下降。並在壓力達到3GPa(約相當於90公里深處)之後,迅速失去絕大部分的儲水能力,將水釋放出來。結果降低了岩石產生部分熔融所需的溫度導致岩石發生部分熔融,並降低了岩石的強度而形成軟流圈。

軟流圈的存在以及它的特性,一直以來都受到相當多的討論與想像。畢竟也正是因為軟流圈的特殊性質,才會讓地球表面的板塊運動如此多變又複雜。經由實驗,我們可以推論更多關於地底下的性質;但是當我們對地底下的情形有越來越多的推論時,似乎會讓我們更希望有機會能親自到地底下一探究竟啊!

原始論文:
Green, D. H., William O. Hibberson, István Kovács& Anja Rosenthal, 2010, Water and its influence on the lithosphere–asthenosphere boundary, Nature, V467, P448–451.

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