1 地球的流動程度 地殼 與 上地函 的化學組成雖不同, 但其行為表現卻相似 地質學家研究板塊構造時, 根據 地球 物質的強度, 流動的程度, 以及行為表現, 將這些地層分為 岩石圈 軟流圈 中層圈 與 地核 四部份 岩石圈 : 地殼 和 地函 的堅硬上層, 厚度約為 100 公里, 稱為 岩石圈 (Lithosphere) 軟流圈 : 岩石圈 下面的柔軟層, 厚度約為 200 公里, 稱為 軟流圈 (Asthenosphere) 中層圈 : 軟流圈 下面的 地函 層, 稱為 中層圈 (Mesosphere) 板塊構造說分層 厚度 ( 公里 ) 岩石特性 岩石圈 Lithosphere ~100 冷而剛硬 具脆性 軟流圈 Asthenosphere ~200 半固狀態 半液狀態 流動性 可塑性 中層圈 Mesosphere 2,500 地球 內部的溫度隨深度而升高, 在 100 公里以下之處, 溫度達到 1,400, 足以熔化 地函 岩石中的一些物質, 產生一層極小部分熔融的區域, 使此區域變成容易流動的柔軟狀態 熔融區中的岩石緩慢流動, 形成厚約 200 公里的柔軟層, 稱為 軟流圈, 是 岩漿 的發源處, 堅硬的 岩石圈 就像冰塊般漂浮其上 岩石圈 可再細分為許多獨立的單元, 每個單元有它自己的運動方向及速度, 這每個單元稱之為 板塊 (Plate) 最內層則為 中層圈, 平均厚度約 2,500 公里, 我們所知道得並不多, 一般認為它不如 軟流圈 那麼容易流動, 而且此層受溫度及壓力的影響很大 2 大陸漂移說 (Continental Drift) 1912 年, 德國氣象學家華格納 (Alfred Weagner,1880-1930) 是第一個正式提出 大陸漂移說 (Continental Drift) 理論的人 華格納根據 大陸 之間互相吻合的 海岸線, 還有被大海所分隔的 大陸 但卻有相吻合的 生物 化石 岩層 與 地質構造 而提出 他的想法在當時備受嘲諷, 直到近年來才為人們接受 - 1 -
大陸漂移說 : 主張現代 地球 上所分布的 大陸, 在古代都連在一起 此 古大陸 到 中生代 時開始分裂向四周移動, 形成新的 大陸 與 海洋 二億二千五百萬年前, 地球 表面原是一整塊大陸地, 稱為 盤古大陸 (Pangaea) 盤古大陸 (Pangaea) 盤古大陸 : 盤古大陸 意思為 全部陸地 (All Lands) 是一個超級大陸, 陸地半圍起一個海洋, 稱為 古地中海 (Tethys Ocean), 四面被 原始大洋 (Panthalassa Ocean) 所包圍 二億年前, 古地中海 擴張, 將 盤古大陸 分裂成兩部份, 北邊的 勞拉西亞古陸 (Laurasia ) 與南邊的 岡瓦納古陸 (Gondwanaland) 勞拉西亞古陸 : 勞拉西亞古陸 位於 北半球, 包括現在的 北美洲 歐亞洲 兩個大陸所連結成 岡瓦納古陸 : 岡瓦納古陸 位於 南半球, 包括現在的 印度 澳洲 非洲 南美洲 與 南極洲 等五個大陸所連成 一億三千五百萬年前, 岡瓦納古陸 分裂為 非洲 南美洲 與 印度 三部份, 但 印度 漂移到 亞洲 一千萬年前, 岡瓦納古陸 再漂移出 澳洲 與 南極洲 勞拉西亞古陸 在 北大西洋 形成時分裂, 同時 北美洲 離開 歐洲 成為目前所見之 地球 各大陸分布情形 - 2 -
大陸漂移說 (Continental Drift) 1915 年, 華格納 大陸漂移說 的理論終於以 大陸與海洋之起源 (The Origin of Continents and Ocean) 為書名, 正式公布於世 大陸漂移說 在當時證據不足的情況下備受爭議, 另外華格納是以 氣象學家 的身分發表 大陸漂移說, 此舉被認為是撈過界, 因此立即招來 地質學家 的批評, 連最支持他的岳父都勸他收手 而一些原本追隨華格納的人, 最後也紛紛離去 1930 年 11 月 1 日, 華格納度過 50 歲的生日後, 與嚮導威廉帶著 17 隻狗要從格陵蘭 (Greenland) 中央的觀測站穿越冰原回到西海岸, 然而他們卻始終沒有到達目的地 翌年春天, 華格納被人發現埋在在離海岸 189 公里處一個帳篷旁, 雪橇作成的十字架下 性喜冒險的華格納, 最終死於冒險之中 至於威廉, 在埋了華格納之後, 從此人狗下落不明, 消失在極地的冰雪之中 3 海底擴張說 (Sea Floor Spreading) 第二次世界大戰後, 海洋地質的研究開始發達起來, 先是利用聲納測量海底地形, 再是鑽探與採樣技術進步, 使得海底的構造明朗化 1962 年, 美國普林斯頓大學的海斯 (Harry Hammond Hess,1906-1969) 在他的論文 洋底盆地的歷史 (History of Ocean Basins) 中提出了 海底擴張說 (Sea Floor Spreading) 海斯認為 海洋地殼 的組成並非一般的 玄武岩, 而是像 蛇紋岩化的橄欖岩, 也就是在 500 以下, 由 橄欖岩 和 水 作用而成的 蛇紋岩 換而言之, 洋地殼應 是 地函 物質經過部分 熔融 而變化生成的, 而非僅是單純的海底火山噴發所形成 海斯更進一步指出, 中洋脊 是海底擴張的中心, 中洋脊 不斷形成新的 海洋地殼, 並向兩側擴張而去, 以每年數公分的速度緩慢地移動 海洋 因 海洋地殼 不斷地擴張而變得越來越大, 最後 海洋地殼 經由 海溝 系統回到 地函 - 3 -
中洋脊 (Mid-Ocean Ridge) 海底擴張說 : 地函 內的岩漿因 熱對流 作用, 沿 中洋脊 裂谷上升到 海底 在 中洋脊 頂部造成新的 海洋地殼, 再迫使原來在裂谷兩側的老 海洋地殼 遠離, 由 中洋脊 向左右不斷堆移擴張, 如此 海洋 就不斷的被擴大, 這就是 海底擴張說 (Sea Floor Spreading) 海底擴張說 這個想法在當時是十分大膽的, 連海斯自己都形容他的論文是一篇 地質詩話 (Geopoetry) 中洋脊 (Mid-Ocean Ridge) 第二次世界大戰後期, 科學家發現 大西洋 中線的底部, 有連綿的大山脈, 稱為 中洋脊 (Mid-Ocean Ridge) 中洋脊 (Mid-Ocean Ridge) 中洋脊 的頂峰位置有 玄武岩 不斷冒出來, 形成新的海底, 而舊的海底緩緩向 大西洋 兩側移動, 最後隱沒入大陸邊緣深處 - 4 -
絕大部分的 中洋脊 都是位於數千公尺深的洋底, 僅有冰島 (Iceland) 等少數幾個地區是露 出地表的 中洋脊 火山 冰島 (Iceland) 中洋脊 : 各大洋中的 海底火山山脈, 稱為 中洋脊 (Mid-Ocean Ridge), 為板塊 擴張 地區 在 中洋脊 不斷有新的 海洋地殼 誕生 中洋脊 有 太平洋中洋脊 大西洋中洋脊 與 印度洋中洋脊 中洋脊 (Mid-Ocean Ridge) 4 板塊構造說 (Plate Tectonics Theory) 1963 年, 種種研究證據顯示 海洋地殼 確實逐漸地在擴張, 大陸 位置也在移動 不過, 當時的地質學家認為 海底擴張 與 大陸漂移 的主角是 地殼, 因而使得 大陸如何漂移? 海底如何擴張? 與 擴張和漂移的動力來自何處? 這些問題始終無法獲得圓滿的解釋 1965 年, 加拿大地球物理學家威爾遜 (John Tuzo Wilson,1908-1993) 首先提出 地球 破裂成數塊的 岩石圈 稱為 板塊 (Plate) 1967 年, 美國地球物理學家摩根 (William Jason Morgan,1935-) 提出 地球 表面是由十二 - 5 -
個堅硬的 板塊 所組成, 且彼此間相對運動 兩個月後, 法國地質學家勒比雄 (Xavier Le Pichon,1937-) 綜合說明了 板塊 的位置與 板塊邊界 的型式, 以及 板塊 移動的方向 1969 年, 英國地質學家麥肯齊 (Dan Peter McKenzie,1942-) 發表了第一篇定義 板塊構造運動 原理的論文 經由以上這些科學家的努力, 以 大陸漂移說 及 海底擴張說 為基礎, 並利用海洋研究的新資料, 對於地下結構有突破性的發現 進一步統合整理之後, 提出了 板塊構造說 (Plate Tectonics Theory) 板塊構造說 : 利用 岩石圈 和 軟流圈 來解釋 大陸 的運動 地球 表面的 岩石圈 是由幾個厚約 100 公里之 板塊 所組合而成的, 板塊 隨著其下 軟流圈 的 熱對流 而移動 板塊 在移動時不會變形, 所以在 板塊 交界處會產生各種地質現象 板塊 交界處主要有三種型態, 分別為 分離型板塊邊界 聚合型板塊邊界 與 錯動型板塊邊界 分離型板塊邊界 : 板塊 背向移動, 逐漸遠離, 稱為 分離型板塊邊界 (Divergent Boundaries) 聚合型板塊邊界 : 板塊 相向移動, 逐漸聚合並相互碰撞, 較重者以 30 ~45 之傾角插入較輕者之下方, 稱為 聚合型板塊邊界 (Convergent Boundaries) 錯動型板塊邊界 : 板塊 在水平面上錯動, 不發生張裂或聚合, 稱為 錯動型板塊邊界 (Conservative Boundaries) 板塊構造說 跳脫 大陸 和 海洋 的門戶之見, 重新了解 地球 表面的構造 用 板塊 的活動, 不但圓滿解釋了 大陸漂移 和 海底擴張, 更說明火山 地震 造山運動 等的成因 地球的板塊 (Plates) 有別於其它的 類地行星, 地球 的最外層, 即 地殼 及 上地函 的頂端, 被切分為數塊, 飄浮於其下的熾熱 地函 之上, 這就是 板塊 (Plate) 全球目前有七個主要 板塊, 為 歐亞板塊 (Eurasian Plate) 太平洋板塊 (Pacific Plate - 6 -
) 非洲板塊 (African Plate) 印度- 澳洲板塊 (Indian/Australian Plate) 北美洲板塊 (North American Plate) 南美洲板塊 (South American Plate) 與 南極洲板塊 (Antarctica Plate) 主要板塊 位 置 歐亞板塊 北大西洋東半部 歐洲及亞洲 ( 印度除外 ) 太平洋板塊 大部分的太平洋, 包含美國南加州海岸地區 非洲板塊 非洲 南大西洋東半部及印度洋西側 印澳板塊 印度 澳洲 紐西蘭及大部分的印度洋 北美洲板塊 北美洲 北大西洋西半部及格陵蘭 南美洲板塊 南美洲與南大西洋西半部 南極洲板塊 南極洲與南大西洋 此外, 還有至少二十個小 板塊, 如 阿拉伯板塊 (Arabian Plate) 加勒比海板塊 (Caribbean Plate) 科克斯板塊 (Cocos Plate) 納斯卡板塊 (Nazca Plate) 蘇格蘭板塊 (Scotia Plate ) 及 菲律賓海板塊 (Philippines Plate) 等 這些 板塊 的界限並不是大陸邊緣或海岸線, 除了 太平洋板塊 完全是水域外, 其他 板 塊 都會有海洋部分與陸部地分 地球的板塊 (Plates) 在 板塊 邊界的 地震 發生異常頻繁, 將震央一一點出即可明顯看出 板塊 邊界的所在 - 7 -
地震帶 (Seismic Zone) 5 板塊的運動 分離 (Divergent) 分離型板塊邊界 會產生 張裂 的板塊邊界, 張裂 的板塊邊界會湧出大量的 岩漿, 岩漿 冷卻後生成新的 板塊 張裂處兩側的 板塊 因而背向推移, 使兩 板塊 逐漸分離 地殼 在這裡由於 張力 作用向兩側擴張延伸, 沿著發散交界處常有地震發生, 其震源深度多在 100 公里以內 陸地 和 海底 都有這種 分離型板塊邊界, 海洋 中最典型的例子便是海底的 中洋脊, 大陸 上最典型的例子便是 東非大裂谷 (Great Rift Valley) 裂谷 若持續張裂, 將會發展成為 大洋 東非大裂谷 (Great Rift Valley) 聚合 (Convergent) 聚合型板塊邊界, 其中一 板塊 會潛入另一 板塊 底下, 並在 軟流圈 中熔融消失, - 8 -
成為 地函 的一部分 這插入的區域, 稱為 隱沒帶 (Subduction Zone) 由於兩 板塊 間的相互磨擦, 所以沿著 隱沒帶 可以不斷地發生 地震, 而造成一 地震帶, 其震源深度可從很淺至 700 公里左右 當 板塊 進入 隱沒帶 時, 會因彎折而下沉, 形成一深邃的 海溝 (Sea Trench) 沉積物隨著 板塊 不斷地被拖入 隱沒帶 一部分的沉積物會被刮起, 堆積在 海溝 的內壁, 形成 增積岩楔 一部分則被帶入 隱沒帶 深部, 在高溫高壓的環境中變質 隱沒的 板塊 同時會將 水 帶入 地函 深部, 促使 軟流圈 產生 部分融熔 (Partial melting) 生成 岩漿 當 岩漿 上升到地表噴發時, 若遇到 海洋 就形成 火山島弧, 若是 大陸 則形成 火山弧 因此, 在 隱沒帶 的上方, 通常會依序出現一套構造地形單元, 包括了 火山島弧 弧前盆地 弧後盆地 增積岩楔 和 海溝, 組合成 島弧系統 台灣東方的 琉球海溝 (Ryukyu Trench), 就是因 菲律賓海板塊 隱沒到 歐亞大陸板塊 底下而形成 台灣 (Taiwan) 若兩 板塊 交接邊緣都是 大陸地殼 或一方為 島弧, 因 大陸地殼 與 島弧 比重較小, 不易隱沒進入 地函, 就會產生強烈的擠壓, 並在板塊相接處形成高大的山脈, 稱為 碰撞作用 喜瑪拉雅山脈 就是 印澳板塊 與 歐亞大陸板塊 相聚合, 兩大陸互相碰撞而形成全球 - 9 -
最高峰 台灣的 中央山脈 則是 呂宋島弧 (Luzon Arc) 北端與 歐亞大陸板塊 碰撞的結果 錯動 (Conservative) 錯動型板塊邊界 兩板塊大致在水平面上錯動, 沒有新的 板塊 物質誕生或舊的 板塊 物質消毀, 只是水平方向產生移動, 因此不產生新的 岩石圈 也不使 岩石圈 消失 相鄰兩 板塊 彼此橫向移動磨擦, 產生震源深度較淺之地震 美國加州地區的 聖安得列斯斷層 (San Andres Fault) 南接 東太平洋脊, 北接 喀斯開隱沒帶, 左右兩側分別是 太平洋板塊 與 北美洲板塊 是一種 錯動型板塊邊界 這兩個 板塊 相對的移動, 使 斷層 南側的洛杉磯市, 與北側的舊金山市逐漸接近中 - 10 -