地球墳場—隱沒板塊的最終歸宿
周漢強
摘要
　地球形成到今天已經有45億年之久，在這其間新的海床從不間斷地形成，但是所有超過2億年的海洋地殼卻都已經消失不見，究竟從海洋隱沒的板塊在數億年之後，已經變成了什麼樣子？
在1960年代，Hugo Benioff利用探測震源位置的方式，來確定隱沒板塊在地底下的位置，初步「看見」了隱沒的板塊，但是這樣的記錄深度僅僅限於距離地表700公里深的位置。
Rod D. van der Hilst以及他的研究生在1997年發表的地震波影像，顯示了隱沒的板塊沈入地函的最底部，為了建立這些影像，Rod D. van der Hilst和他的研究生花了五年的時間，仔細分析過去30年來超過十萬個地震，研究P波的資料。經由電腦運算數百萬筆資料點的結果之後，精確地建立起P波波速在地函內部變化的三度空間影像。發現了兩個不尋常的岩石組成區域，形成了地震波的快速通道，以一個寬廣的斜面切入地球內部。其中之一深深地插入北美與南美之下，另一個則是自歐洲與亞洲的南緣侵入。這可能就是過去板塊隱沒入地函深部的位置，深度至少是在地表以下1300公里，有些資料甚至還指出更深的位置。
Stephen P. Grand採用的是另一種研究方法—分析S波在界面反射的結果，在計算了250次的地震資料之後，同樣發現在美洲與歐亞大陸之下，清楚地顯現了兩道一樣的隱沒板塊。
一個與板塊隱沒密切相關的議題則是地函的熱對流，Allegre認為在地球的歷史中，地函熱對流的形式曾經發生過改變。在最初的四十億年，地函的熱對流分成兩層，因此保持了深部地函比較原始的組成成分。直到時間流轉，地球內部溫度降低到足以停止熱對流過程的程度。於是在大約五億年前，這種雙層熱對流的系統開始支解，並演變成只包含一層的熱對流形式，混合整個地函的物質。

簡介
我們時常談論板塊運動，但是隱沒的板塊究竟哪兒去了？它們真的已經熔融成為岩漿，重新回到地表之上了嗎？如果真是這樣，那它們發生熔融的時間與地點又是如何？或者，這些隱沒的板塊其實至今仍未消失，只是還在我們地球深部的某個角落…同時間板塊運動還有另一個未解之謎，那就是地函的熱對流；大家都相信地函的熱對流確實存在，並且推動了地表的板塊運動，但是地函的「熱」究竟如何「對流」？不同的證據顯示地函可能是單胞循環也可能是雙胞循環，時至今日，仍然沒有人能夠親眼見到，並且告訴我們正確解答。但是科學家們發現了這兩個問題的關連性，因為隱沒板塊目前所在的位置，很可能可以暗示出地函熱對流的規模，範圍是否大到了整個地函。
就在1997年，兩組科學家同時宣佈他們「看」到了隱沒的板塊，用地震波P波及S波的分析，發現隱沒的板塊最深竟然可以達到2900公里的核幔邊界，遠遠超過我們原先的預期，於是困擾科學家許久的這個謎題，似乎即將獲得解答……

遠古的爭論—隱沒板塊的最終歸宿
地球從開始形成到今天，已經有45億年之久了，在這其間新的海床從不間斷地形成，但是所有超過2億年的海洋地殼，卻不曾被任何人發現過。根據觀察的結果，一般認為這些消失了的海洋地殼，幾乎全部都經由所謂的隱沒作用，伴隨著岩石圈板塊陷入地球的內部而消失了。而其中有一個最具爭議性的話題，那就是從海洋隱沒的板塊在數億年之後，究竟變成了什麼樣子？

　圖一這是在1965年根據Tonga treanch地區，地震震源記錄所描繪出板塊隱沒的圖像，記錄大約可以延伸到地表下600公里處的位置。

從1960年代開始，以Hugo Benioff為首的研究人員開始對隱沒作用產生興趣，他們利用探測震源位置的方式，來確定隱沒板塊在地底下的位置，初步「看見」了隱沒的板塊，但是這樣的記錄深度僅僅限於距離地表700公里深的位置，當時的科學家們曾經試著確定隱沒的板塊究竟是仍舊陷在地球表面附近的軟流圈，亦或是隨著隱沒作用一路深入到地核，對於這些隱沒板塊的最後究竟哪裡去了，卻始終沒有人知道，同樣的爭論一直沿續到今天。

另一個困惑—地函熱對流之謎
　大家除了對隱沒板塊的好奇與困惑之外，對於帶動板塊運動乃至於造成地表構造改變的最大原動力—地函熱對流，究竟是怎樣的一個運動模式也始終眾說紛紜。

　圖二 Wilson所提出整個地函對流的模式

圖三地球化學家所提出地函分成兩層對流的模式。(Allegre,1997)

在1963年的時候，加拿大的地球物理學家J. Tuzo Wilson根據在夏威夷的研究結果，提出了所謂熱點（HotSpot）的理論，以解釋夏威夷火山島鏈的形成與太平洋板塊運動之間的關係，並且推論灼熱的岩漿是來自於2900公里深的核幔邊界（CMB），於是Wilson提出了一個地函熱對流的模式，認為地函熱對流的規模是涵蓋了整個地函。
　但是地球化學家們並不同意這樣的模式。他們相信地函是分為兩層的。在地球化學家的地球分層結構中，下部地函是必須與地球表層區別出來的部份。因為這樣的獨立性，才能使得這些深部岩石能維持在原始的狀態，保存住地球形成當時最原始的元素。相對來說，上部地函就像被嚼過的口香糖一樣，已經沒有味道了。因為上部地函從很早就開始融熔並形成地殼的岩石，使得上部地函所含有地球形成最初的那些元素被集中到地表上面來而散失了。就像LIL系的同位素（特別是Sr, Nd, Hf 以及U-Th-Pb）含量。

待解的謎題—板塊隱沒是關鍵
在板塊隱沒的最後，看這些岩石從我們視線中消失的位置，對於了解地球的基本原理，以及改進我們透視地震與火山背後的原動力，有非常重要的關聯性。"這絕對是我們要了解地球如何運作的一個基礎，完全改變你對地球歷史的所有想法。"一位地震學者Guy Masters這樣說。所以地震學家迫切地希望能看清楚隱沒的板塊究竟是仍舊陷在地球表面附近的軟流圈，亦或是隨著隱沒作用一路深入到地核了。由於不同方向的證據導引著科學家們做出完全對立的結論，使得關於地函的爭論一直持續了好長的一段時間。早期關於地震波的研究，讓地震學家堅信地函從上到下是以同一層在混合。
而根據來自上部地函的火成岩分析結果，地球化學家們則描繪出一個模糊的地球內部構造。岩石的化學成分指出地函明顯地分成上部地函與下部地函兩個區域，假定的分界被定在660公里深的位置，地震波的波速在這裡突然上升，指示出岩石的特性在這個深度發生了改變。因此根據地球化學家的說法，海洋地殼的隱沒只會達到上部地函的底部，而不會一路掉到大約2900公里深的下部地函底層之下。
關於地球的內部，科學家們已經在過去的數十年之中，試過了各種不同的方式，想要仔細地看透地球內部。但是時至今日，大家仍舊無法看清楚那些隱沒的區域，以解決地球內部最基本的一些議題。但是令人振奮的消息是最新的地球內部影像在最近被發表出來，地震學家以地震波所描繪出地球深部的三度空間影像（他們的技術很類似電腦斷層掃描），總算揭露了古老海洋地殼的最終命運。
全新的視野—地球內部的三度空間影像
在過去，地震剖面的圖像要顯示地球內部比較薄層的特徵—像是隱沒的海洋地殼與板塊，都非常地模糊不清。而現在由一個獨立研究的地震學者團隊，從數以千計的地震記錄中，經過好幾年的篩選與分析，詳細地描繪出了深部地函（介於地球外層岩石圈與地球內部金屬核心之間的巨大岩層）的景象。
在四月十日的自然雜誌（Nature），Rod D. van der Hilst以及他的研究生，發表的地震波影像，顯示了隱沒的板塊沈入地函的最底部，意味著上部地函與下部地函之間的混合確實存在。相類似的圖像，出現在Stephen P. Grand 的研究結果中（同一時間發表在美國地質學會的期刊GSA Today）。

P-Wave的研究結果

圖四 P-Wave（圖左）是Rod D. van der Hilst的研究結果，S-Wave（圖右）是Stephen P. Grand的研究結果。(Grand et al.,1997)

為了建立這些影像，Rod D. van der Hilst和他的研究生花了五年的時間，仔細分析過去30年來超過十萬個地震，研究其中基礎波（primary wave）或稱為P波的資料。這種地震波在穿透地球內部時，介質震動的方式類似音波在空氣中的傳播。在地震測站的觀測記錄中，地震之後P波出現的時間會早於次生波（secondary wave）或稱為S波。
研究人員計算了所有的記錄中，從地震發生開始，到P波抵達世界各個地震觀測站的時間，因為一般來說，他們知道P波穿透「正常」地函的速度，因此根據P波到達的時間與速度，可以找出地函中哪些位置有異常的狀況。經由電腦運算數百萬筆資料點的結果之後，精確地建立起P波波速在地函內部變化的三度空間影像。
利用這樣的技術，Rod D. van der Hilst的研究群發現了兩個不尋常的岩石組成區域，形成了地震波的快速通道，以一個寬廣的斜面切入地球內部。其中之一深深地插入北美與南美之下，另一個則是自歐洲與亞洲的南緣侵入。科學家們的結論認為，這些地震波快速通過的區域，就是過去板塊隱沒入地函深部的位置，深度至少是在地表以下1300公里，有些資料甚至還指出更深的位置，因為隱沒的板塊比周圍地函的岩石要冷、密度較大，因此地震波一遇到這些岩石便會加速通過。

圖五 P-Wave在30.1°N, 117.1°W 和 30.2°N, 56.4°W（Farallon Slab）的影像。

S-Wave的研究結果
Stephen P. Grand採用的是另一種研究方法—分析S波在界面反射的結果，像是地核與地函以及地函與地殼的交界面。他詳細地觀察並計算了250次的地震資料之後，發現除了採用的策略不同之外，在美洲與歐亞大陸之下，同時清楚地顯現了兩道一樣的隱沒板塊。

圖六 S-Wave在30.1°N, 117.1°W 和 30.2°N,56.4°W（Farallon Slab）的影像。

這些研究盡可能地提供一了個更清楚地地球內部影像，同時在少數基本的議題上，似乎已經有了標準答案。由完全獨立的研究路線，以及完全獨立的資料組合，描繪出非常類似的影像。在一些過去的研究當中，以P波和S波對地球內部所做的斷層掃描，都有了相同的結果。如此一致的研究結果讓我們每個人都非常確信，我們認為隱沒的板塊確實貫穿插入了下部地函。這些深深沒入地球內部的冰冷板塊，就像化石記錄中那些滅絕了的生命一樣，指示著地球漫長歷史當中的一個時期。
他們的分析更堅定了許多地球科學家的信心，認為隱沒的板塊沒入到地球的極深之處，並藉以幫助整個地函的混合，像一鍋煮沸的湯一樣。這個混合的過程（或稱為熱對流）不僅推動了地表板塊的運動，也是地震與火山噴發的最根本原因。

新的發現與新的討論
Stephen P. Grand和Rod D. van der Hilst認為位於歐亞大陸之下的隱沒板塊，就是曾經分隔印度、非洲與北方大陸之間的古地中海（Tethys）。隨著板塊的運動、古地中海漸漸地被封閉起來，於是古地中海板塊便消失在地函之中，並在地震波的影像上形成一道寬廣的斜面。而今天的地中海、黑海、裏海與阿拉伯海則是過去廣大古地中海的一些細小遺跡。
位於美洲大陸之下的隱沒板塊，則曾經是廣闊太平洋板塊的大部分，過去是美洲大陸西部的大片海洋，稱為法拉隆板塊（Farallon plate）。大約在一億多年以前，大半的法拉隆板塊向東邊隱沒到大陸之下。

圖七世界各地隱沒帶的位置圖

不過奇怪的是，這些最新報導深隱沒板塊的位置，卻不是地球物理學家一直期待並且最想了解的區域—西北太平洋。這裡是一個地質活動的溫床，由於海洋地殼隱沒後，部分熔融所形成的火山噴發與大地震常常發生。地球物理學家從過去的研究結果可以知道，太平洋板塊從日本開始隱沒到西伯利亞東部和伊留申群島之下的上部地函。而新的地震波斷層掃描研究如果是正確的，顯示這些隱沒的板塊並沒有冒險從上部地函進入下部地函。
會發生這樣矛盾現象的原因，可能是因為地質學家正看到了地球歷史中一個錯誤的時期。Rod D. van der Hilst推測西太平洋板塊在過去的隱沒過程中，確實一路深入下部地函，不過當太平洋板塊在大約四千萬年前改變了移動的方向時，暫時停止並改變了隱沒板塊下沉，以及能使它更加堅硬以穿越上部地函與下部地函在660公里深界限的過程。
為了支持這樣的推論，Rod D. van der Hilst舉出亞洲大陸下方1800公里深的冷岩石區域為例，他認為這是古太平洋板塊在轉向發生前，隱沒到下部地函的遺跡。所以他也堅信西北太平洋板塊最後將會繼續進行它深入下部地函的旅程。
像Stephen P. Grand和Rod D. van der Hilst的地球物理學家們承認，他們還必須改進他們的研究成果，並獲得更精細的地函斷層影像。即使如此，這些新研究已經贏得了一些地球化學家們（過去瞧不起那些模糊的地震波影像）的改變。由於兩項新的研究發現，即將可以結束掉長久以來的爭論不休了。

圖八 Claude J. Allegre所提出，地球在兩個不同時期的地函熱對流模式。

不解之謎—可能的模式
Claude J. Allegre是一位地球化學家，它有一個想法能使得火成岩的分析與新的地震波影像結果一致。Allegre解釋這兩種形式的證據並不需要相同，因為他們是記錄了地球不同的時期。岩石的地球化學提供了地函過去這45億年來完整的演化歷史，而地震波影像則是提供了今天以及過去數億年一張快照。
要連結這兩方面的證據，Allegre認為在地球的歷史中，地函熱對流的形式曾經發生過改變。在最初的四十億年，地函的熱對流分成兩層，因此保持了深部地函比較原始的組成成分。直到時間流轉，地球內部溫度降低到足以停止熱對流過程的程度。於是在大約五億年前，這種雙層熱對流的系統開始支解，並演變成只包含一層的熱對流形式，混合整個地函的物質。他的假說發表在1997.7.24的EPSL（Earth and Planetary Science Letters）上。電腦模擬的結果也支持這樣的理論，Allegre說，當地球冷卻的時候，結果確實顯示地函熱對流的系統會從兩層的模式轉變唯一層。所以地球物理和地球化學的結果是並不互相衝突的。

對於未來
對於腳下所踩著的地球，我們至今仍然只能以間接的方式，透過地震波看著馬賽克一般的影像，對於科學家們利用大量地震資料，描繪出了千萬年前隱沒板塊的身影，讓大家著實興奮不已，也推翻了許多過往的迷思與誤解。對於板塊隱沒的真相、地函的熱對流，大伙兒也眾說紛紜了好幾十年，如果能藉由這樣的技術，配合今天越來越豐富的地震資訊，相信我們很快可以建立起地球各個角落的地底影像，更進一步瞭解地球內部的運作。不過我想就像其他許多地球科學的議題一樣，事件的真相永遠是個謎，我們唯有靠越來越多的證據，才有機會為自己找到一個更合理的推論。

參考資料—Reference
Allegre, C. J., 1997, “Limitation on the mass exchange between the upper and lower mantle：the evolving convection regime of the Earth”：EPSL, v. 150, p. 1-6
Grand, S. P., R. D. van der Hilst , and S. Widiyantoro , 1997, “Global Seismic Tomography: A Snapshot of Convection in the Earth”： GSA Today, v. 7, no. 4, p. 1-7.
van der Hilst, R. D., S. Widiyantoro, and E. R. Engdahl, 1997, “Evidence for deep mantle circulation from global tomography”: Nature, v. 386, p. 578-584
本文主要內容譯自：
Richard Monastersky, 1997, Global Graveyard：”New images of Earth's interior reveal the fate of old ocean floor”：Science News, v. 152 , p.46-47