為我們的板塊運動理論開啟一扇物理的窗
我們這一輩的地球科學老師，大多是從學生時代就開始學習板塊運動，理應對這個理論相當熟悉。但是如果翻開1960年代開始與板塊運動相關的研究論文，會發現裡面滿滿的物理公式和圖形，和我們所熟悉的板塊運動完全不一樣。才發現我們只是熟悉板塊運動的表面現象，中洋脊、海溝、磁性條帶記錄、還有地震帶和火山帶等等。對於板塊運動真正的核心理論，關於地球內部的溫度、熱、動力、甚至組成物質的性質，我們都是在聽故事的過程裡學到的。既沒有像數學老師對公式的完整證明，也沒有像物理老師一樣認真推導公式，我們就是在聽和講「板塊運動」這個「故事」而已。於是任何有關於板塊運動延伸出來的問題和討論，都只能夠倚靠老師自己憑空想像，或是以訛傳訛。
這次我們邀請到的講者–中研院地球所譚諤研究員，和我們對於板塊運動的學習過程有點不同。他是從物理系畢業，帶著熟悉各種物理原理的眼鏡在看這個地球，在看板塊的運動。所有關於板塊運動的理論和爭議，都先退回到基本的物理性質，大家才能有個共同的討論基礎。因此從物質的彈性、密度、和黏滯性開始，利用目前極少數可以探測地球內部的工具–地震波、正規振態（Normal Mode）、和地球重力，讓我們可以重新定義那些曾經熟悉的名詞–岩石圈、軟流圈、地函和地核的基本性質。如果更進一步搭配高溫高壓的岩石學實驗結果，先控制地球內部幾個特定深度的可能溫度，再以熱對流、熱傳導（地函內較小，內地核較大）、及絕熱壓縮的熱力學性質推算，就可以獲得可能的地球內部溫度結構。
首先，根據組成礦物（橄欖石）的熔點溫度、黏滯性大小和溫度的關係、以及地球內部的溫度結構，軟流圈的物理性質立刻就清楚地呈現出來。不是液態、不是岩漿、更不是在這裡熱對流就能夠帶動板塊運動。有趣的地方反而是，軟流圈只是黏滯性變小，並未直接影響物質的密度和彈性，理論上對地震波速的影響不大，但是卻出現地震波的低速帶。是那1％的岩漿影響，還是有其他的成因，仍舊是個有趣的討論話題。
地核是另一個有趣的討論話題，我們知道內核是固體、外核是液體，但如果考慮到固體的內核是源自於地核溫度的下降，那麼地核和地函之間的熱量交換就變得相當關鍵。如果地表冷冷的隱沒板塊覆蓋在地核表面，會不會像一條毯子為地核的散熱保溫，影響內核形成的時間、速度、和大小。再加上外地核流動的特性如果真的是地球磁場的成因，那麼內核的演化就會直接影響地球磁場的形成和地球磁場的特徵。
除此之外，地核和地函之間的熱量交換，自然也會對地函熱對流造成影響。地函熱對流，這也是今天演講的重點，究竟「長得什麼模樣」，我們應該要改用一個「蘑菇頭」來取代「燒杯煮水」那兩個圈圈和箭頭的圖了。譚諤教授利用自己模擬的隱沒板塊推動一股熱對流向上的動畫，來呈現隱沒和熱柱上湧的過程。由於地函物質黏滯性隨溫度升高而降低的性質，地函熱對流的上升和下沉形式並不一樣。其中地函熱對流上升的那個蘑菇頭又特別有趣，由於受到上方較冷、黏滯性較大的地函阻擋，上升的地函物質的頭部會變大，抵達地表的時候容易形成大火成岩省（Large igneous province, LIP）的大規模玄武岩漿噴發。等到蘑菇頭後方比較細的「頸部」到達地表時，才繼續形成火山島鍊。
以下是本次研習的相關記錄：
演講錄影：https://goo.gl/kUVkZ4
演講錄音：https://goo.gl/kKtLrV
活動照片：https://goo.gl/t2zFX4
電腦簡報：https://goo.gl/3T8UdA
在譚諤教授推薦的延伸閱讀書籍「Dynamic Earth（https://goo.gl/mzR816）」裡面有很多有趣的內容，都和今天的演講內容相關。包括前陣子在網路上有老師討論到的「地函分層對流」，這本書裡面也有討論。
以下摘錄幾個我們上課也許可以用到的卡通圖：
[9]. G. F. Davies and F. Pribac, Mesozoic seafloor subsidence and the Darwin Rise, past and present, in: The Mesozoic Pacific, M. Pringle, W. Sager, W. Sliter and S. Stein, eds., American Geophysical Union, Washington, D.C., 39-52, 1993.