地函結晶啟動板塊運動

早期地函部分熔融溫壓圖@Andrault et al.(2018)

 

科學家認為，太古代是地球地函從部分熔融狀態到完全固化的過渡階段，也是啟動板塊運動的關鍵時期。

遠在20~30億年前的太古代(Archean)，是岩石可以開始穩定存在於地表的階段，學者從少數的岩石證據推測，在那個遙遠的時代，有大量的地殼形成、大氣中的含氧量持續的上升、與活躍的板塊運動，這些現象顯示當時地球內部正經歷巨大的轉變，但是確切的原因仍不得而知。

最近任職於法國克萊蒙費朗大學的科學家安德羅與同事給了一個解釋，來說明地球板塊如何開始運動，他們認為，原本炙熱熔融的地函，與表面冷卻堅硬的地殼是兩個互不相連的系統，但當地球逐漸冷卻，結晶固化的地函可能與地殼結合、連動而啟動隱沒作用和板塊運動，而太古代恰好就處在地函即將固化的關鍵時間。

安德羅的證據來自於最新測量的地函岩石固化溫度(固相線)，新測的結果在壓力增加超過7GPa，也就是深度相當於超過200km時，比過去估計的低了200~250℃。今日的地溫梯度大都低於岩石的固相線，但在太古代，地球剛形成、並才脫離猛烈的小行星撞擊事件，當時地球整體溫度估計比今日高50~100K，若比較當時地溫梯度與岩石固相線如圖，他們發現太古代處於從部分熔融狀態到完全固化的過渡時期。

究竟地球板塊運動何時開始?如何開始?從岩石的固相線推測到板塊運動的萌生，這之間還有很多故事沒有說清楚，不過能有更精確客觀的岩石固相線測量，絕對是必要的條件。

 

註 : 測量岩石的固化溫度並不容易，過去的作法，大多是將岩石標本加熱熔化、在等其冷卻的過程中，仔細地搜尋在岩石結晶間的熔化液，來決定岩石固化的溫度，然而，此過程猶如大海撈針，而且需主觀判斷熔化液是否存在。安德羅與同事，改以兩種獨立的方法來偵測地函岩石固化溫度，他們以熔化液出現時，造成岩石導電度與X光繞射強度變化來辨識，相對而言較客觀。

圖說 : 早期地函部分熔融溫壓圖。粗紅線為實驗岩石液相線(liquidus)，粗綠線為實驗岩石固相線(solidus)，若地函地溫梯度介在這兩線之間，則地函會處於部分熔融狀態。細紅線Tp=1600~1750K為今日的地溫估計，而太古代的地溫估計略高於Tp=1800~1850K。

參考資料:

1. Parman. S. An Archaen muchy mantle. Nat. Geosci. doi:10.1038/s41561-018-0060-5(2018)

2. Andrault et al. Deep and persistent melt layer in the Arhcaen mantle. Nat. Geosci. http//doi/10.1038/s41561-017-0053-9(2018)