地函過渡帶的濾水器

洋島玄武岩(ocean-island basalt, OIB)與中洋脊玄武岩(mid-ocean-ridge basalt, MORB)的化學性質不盡相同,這很可能是由於地函中的過渡帶造成了過濾作用的結果,而非不同來源所造成岩漿成分的差異。

過去由於洋島玄武岩(例如夏威夷島的玄武岩)與中洋脊玄武岩(例如東太平洋海脊的玄武岩)的化學性質不盡相同,因此一直以來都認為這兩種岩漿有不同的來源,一般認為洋島玄武岩是來自於地球深處上湧的熱柱(plume),而中洋脊玄武岩則是來自於較淺層的地函物質上湧。因此地球化學家大多認為地函的對流作用其實是有分成上下兩層的。

在化學成分上,洋島玄武岩含有較多的鈾、釷等放射性元素,但是中洋脊玄武岩的成分中就幾乎沒有這些元素存在。但是如果淺層的地函都是由類似中洋脊玄武岩的成分所組成,那麼這些地函物質將不足以產生目前地表所測得的熱流量,可見得地函的某處勢必隱藏了部分未被發現的能量來源與儲存處。

科學家過去曾經對於660、1600、2700公里深的地球內部有過不同的假設,認為這些深度的地函就是可能的儲存地點。但是根據地球物理的研究顯示,板塊隱沒之後的深度其實幾乎可以深達地函的底部、地核的邊緣,但是熱柱帶到地表的熱流量卻只有隱沒板塊帶下去的10%,因此我們沒有理由不認為地函的熱對流全部都是從最頂部到最底下的整個對流才是。

耶魯大學的研究員Bercovici和Karato就提出理論說明,完整的地函熱對流為何會造成過去由於洋島玄武岩與中洋脊玄武岩的化學性質不同,這是因為在410KM深的過渡帶界線發生了過濾作用,由於上部地函低溶水(low-water-solubility)的特性,造成上湧的地函物質在經過高溶水(high-water-solubility)特性的過渡帶之後,在410KM深的過渡帶界線產生脫水作用的部分熔融,於是部分物質就被留在這裡,除非像熱柱或是像太古代早期的劇烈熱對流作用才能將這些被過濾出來的物質帶往地表。

其實自從地球物理學家清楚地指出隱沒板塊一路從地表進到地函最深處之後,地球化學家就一直很難解釋為何洋島玄武岩與中洋脊玄武岩的化學性質為何不同,究竟地函的熱對流是何種形式?又或者這在地球的歷史中曾經發生過變化?這許多的疑問,正是我們對於探索地球深處的原動力吧!

資料來源:Bercovici David and S. -I.Karato (2003), Whole-mantle convection and the transition-zone water filter, Nature 425, 39 – 44

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