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Take Home Message
• 結合「地震波觀測」與「高溫高壓實驗」，科學家得以推測地球內部的岩石礦物組成，並建立地幔岩等模型解釋地球內部結構。
• 中層地震形成的「雙震帶」現象在太平洋板塊周邊相當常見，它的機制與含水礦物的脫水脆化、熱失控等過程有密切關聯。
• 葉蛇紋石的熱導率具有強烈非均向性，使得板塊隱沒時產生熱毯效應，進而促成上層與下層地震發生。

當我們靜靜地眺望遠處高山或是坐在海邊聽海的聲音時，想必會覺得眼前世界如此寧靜。事實上，地表下的情景大相逕庭。在我們腳下約2900 ～ 6400 公里深的地核，自形成以來即為地球的熱化學演化提供源源不絕的熱能。除了驅動地核與地幔（mantle）流動，還與板塊構造運動、板塊隱沒等動力學過程交互共鳴，形成地球內部複雜的礦物及岩石組成與分布。

等等，明明目前最深的鑽井技術只能到達約十公里深，遠小於大陸地殼平均厚度（約50 公里）以及地球半徑（約6400 公里），那麼科學家是怎麼知道地球內部的一切？

解構地球內部的物質與組成

即便人類還無法進到地球內部採集岩石樣本，但透過地震學家分析所觀測到的「地球內部地震波速與密度隨深度變化」趨勢，結合岩石礦物學家對地表岩石的採集與化學成分分析，地球科學家能初步推測地球內部可能的岩石礦物組成。高溫高壓礦物學家也扮演了關鍵角色，開闢一條通往地球內部的道路。實驗室裡，他們透過鑽石高壓砧（diamond anvil cell, DAC）與大體積壓力機（large volume press）等高壓產生裝置對礦物施加極大壓力，並結合加熱技術模擬從地表乃至地核的極高溫高壓狀態（等於將礦物帶到地球內的相關深度），也量測著狀態方程式（equation of state）、相圖（phase diagram）、晶體結構（crystal structure）等礦物在此溫壓條件下的各式物理化學性質。

將高溫高壓礦物學家的實驗數據，結合地震學所觀測到的波速與密度進行交叉比對，即可驗證地球內部組成礦物的種類，甚至相對比例。舉例來說，科學家透過地震波觀測，發現地下約410 公里與660 公里處的波速與密度皆突然增加（即「410 －及660 －不連續面」）。另一方面，在高溫高壓礦物實驗中，這兩個深度所對應到的溫壓條件下，礦物樣本恰好發生結構與化學成分的相轉變，且在這些相轉變前後，礦物樣本的密度與彈性波（elastic wave，彈性力作用下產生的波動）波速也與地震觀測的結果吻合。綜合各方研究結果，地球科學家便可提出相當可信的證據，藉此論述地球內部物質的可能組成。

模擬地幔岩與中洋脊玄武岩

目前其中一種廣為地球科學家接受的地幔岩石礦物組成模型名為「pyrolite」（即地幔岩之意），它的名字由輝石（pyroxene）與橄欖石（olivine）組成。這個假想模型最早由澳洲地球物理學家林伍德（Alfred Edward Ringwood）於1962 年的期刊文章〈上地幔模型〉（A model for the upper mantle）提出，它的基本概念為地幔岩能在部分熔融（partial melt）時形成中洋脊玄武岩（mid-ocean ridge basalt, MORB），後來的研究又將細微的礦物組成比例修正成約1:3 的玄武岩（basalt）及純橄欖岩（dunite）。當然，只憑相對簡單的假設模型難以完全符合真實地幔的各種地球化學（微量元素以及同位素特徵）與地球物理（地震波速與密度）性質，因此部分科學家認為它並非最符合地球內部岩石礦物組成的模型。

另外，當中洋脊玄武岩在大洋中間生成、逐漸冷卻形成海洋板塊的地殼後，會在板塊構造運動下，於聚合板塊交界處隱沒到地球內部。隨著隱沒的深度增加，所受到的溫度與壓力逐漸上升，原本的玄武岩會變質成榴輝岩（eclogite）；榴輝岩主要由紅色的石榴子石（garnet）與綠色的輝石組成，因呈現紅綠混合的特徵，也被稱為聖誕岩（christmas rock）。而海洋板塊岩石圈的岩石礦物組成，也因為源自於橄欖岩歷經部分熔融而與地幔成分有點不同，具有較高比例的橄欖石。

圖一是在地幔岩模型下，地幔與隱沒海洋地殼的可能組成礦物及相對比例。上地幔（660 公里以上）主要以橄欖石、直輝石（orthopyroxene）、單斜輝石（clinopyroxene）與石榴子石─鎂質石榴子石（garnet-majorite）為主，下地幔（660 ～2890 公里）的高溫高壓狀態使上地幔礦物相變成以布里奇曼石（bridgmanite）、鐵方鎂石（ferropericlase）與毛鈣矽石（davemaoite）為主。隱沒的海洋地殼礦物因含有較多二氧化矽（SiO2）與氧化鋁（Al2O3）並處於較低溫度，所以組成與地幔有很大的不同，其中就有一系列含大量氧化鋁礦物的組成相NAL-CF〔註〕。至於前面提到的「410 －及660 －不連續面」，則很可能分別肇因於橄欖石結構相變成瓦茲利石（wadsleyite），以及林伍德石（ringwoodite）相變成下地幔（lower mantle）礦物。

〔註〕分別是新六方含鋁相（new hexagonal aluminous phase, NAL） 與鐵氧化鈣類相（calcium ferrite type phase, CF）。

利用地球內部物質特性剖析地震原因

話說回來，為什麼我們要研究地底下看不到也摸不著的岩石礦物，以及它們的組成比例呢？因為這些岩石礦物各式各樣的物理化學與動力學性質，對地球過去45 億年的演化過程、現今地表與地球內部的一切有極為重要的影響，也讓人不禁想繼續拋出以下幾個問題：

Q1地球如何從早期的高溫岩漿海，逐步冷卻而後凝固？

Q2在岩漿海中，金屬與矽酸鹽及氧化物如何分離，最終分別形成地核與地幔？

Q3液態鐵合金所組成的地核是何時、如何產生地球磁場並維持至今？

Q4固體內地核又是何時自液態鐵合金地核中生長出來，開始有了內外地核之分？

Q5全球性的板塊構造運動是何時、如何開始發生的？

Q6 什麼是地震，又是什麼機制引發了地震？

Q7 地震為什麼會發生在不同的地區與深度？

Qn ……【更多內容請閱讀科學月刊第663期】