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星期五的地質

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星期五的地質

2016-09-23

早二疊紀岡瓦納大陸分裂與冰河退卻之關係

文字:葉孟宛 (國立台灣師範大學通識教育中心;marywyeh@ntnu.edu.tw))

一篇刊登於《自然》品牌下的開放式期刊《科學報告》的文章,將兩億八千萬年前大陸冰棚的退卻,與火山作用以及新海洋地殼的形成等看似獨立的事件進行連結。當時,地球所有的大陸聚合成一塊地質學家稱為盤古大陸之超級大陸。其南方就類似現今的南極一般,有一層厚厚的冰層覆蓋。本文作者發現,在冰層融解退卻之後,一系列的火山會沿著冰河的邊緣處噴發,在經過了數百萬年的火山噴發之後,大陸地殼被分開,而新的海洋就此誕生。雖然火山作用通常伴隨著新的海盆的打開,例如當大西洋誕生時,非洲板塊與南美板塊便以中洋脊為界向兩旁漂移。此機制也就是所謂的板塊運動,但過去學界認為此運動直接由地球內部的熱對流所主導,地表的氣候作用無法左右板塊運動。但本篇文章卻提出新的看法,認為冰河退卻所造成的冰後回彈可影響,甚至控制大陸地殼張裂的位置。厚重的大陸冰河就像一床厚棉被一般蓋在大陸地殼之上,其所增加的重量會使大陸地殼下沈以達到重力均衡。同樣的,當冰河融解時,大陸地殼便會伴隨著地震與斷層活動,逐漸回彈至原本應有的高度以達到重力均衡。此過程稱之為冰後回彈,需要耗費幾千年的時間。就如曾經在一萬年前被第四紀冰期封住的格陵蘭與加拿大一般,現在由於冰河不再覆蓋而導致被冰河下壓的大陸地殼回彈。也因此會有現在的格陵蘭與加拿大會有地震與斷層的發生。

此研究成果具有非常特殊的意義,因為鮮少有研究能演示地表上的氣候變遷的確能有效的影響過去被認定只受到地球內部動態所控制的地質作用。除此之外,此研究立基於地球化學與構造地質學兩大領域的傳統典範學說之上,卻根據新分析的地球化學數據與板塊模擬重建提出了反論。過去認為岩漿活動是導致大陸地殼裂解的重要機制,因此需要有能先有致使熱與岩漿上湧的機制,例如從軟流圈或下地幔湧起並穿透岩石圈上升的地幔熱柱。因此,若是由地幔熱柱的岩漿事件所形成的海盆張裂,通常在張裂之前會伴隨著高溫 (1550±50°C) 的岩漿湧出。作者根據近年來於印度與喀什米爾區域的研究發現,這些形成於早二疊紀 (約兩億八千萬年前) 大範圍玄武岩的岩漿事件與包含現今的土耳其、伊朗、阿富汗、西藏、中南半島、馬來亞等陸塊所組成的辛梅利亞大陸 (Cimmeria) ,自盤古大陸分裂出來的事件有關。根據 X-射線螢光分析所得到的主要元素組成所模擬估算其形成之溫度顯示,這些玄武岩的岩漿形成於較低溫的環境 (1350±50°C)。此結果推翻了原本被認定是由地幔熱柱形成的岩漿導致此時大陸張裂的概念。

雖然舊有的概念被新的地球化學數據推翻了,卻沒有其他合理的機制來解釋為何這些岩漿會形成,且導致大陸的張裂。當我們回顧地球史時,可發現二疊紀是個劇烈變動的時代。其早期具有大規模的冰河與火山事件的分布,而其晚期則有劇烈的板塊運動,使得盤古大陸逐漸分裂成現代世界的樣貌。因此作者朝向此時期大規模的冰河與火山事件的分布之關連已探討地表的氣候作用,如冰河作用是否會導致地殼減薄或弱化。為釐清冰河的退卻與早二疊紀岩漿事件的因果關係,作者運用電腦模擬以重建早二疊紀之板塊架構,岩漿事件之古地理位置,與當時冰河之分布範圍。發現冰河分布範圍之前緣與早二疊紀岩漿事件之分布有緊密的時空關係 (圖一)。根據沈積的序列可看出,這些玄武岩皆覆蓋在冰河退卻之後所留下的冰河沈積物之上。顯示岩漿事件在冰河事件之後 (圖一 B 與 C)。另外,就地理的分布而言,此次的地殼張裂長度長達一萬三千公里長。如此長的裂谷需要大規模的拉力才有辦法將大陸地殼分開。根據構造地質學的研究顯示,板塊通常是是沿著大陸三叉裂谷系所張裂,因此通常陸塊呈現5至6邊形的型態 (圖一 D),而裂谷系通常會沿著地殼的弱帶來發育與重啟動。但在重建早二疊紀之板塊架構之後發現,形成長條形彩帶狀的辛梅利亞大陸的裂谷卻沒有利用任何地殼中舊有的弱帶 (圖一 A),而是平行於當時冰河的前緣。如此一來表示形成此裂谷的機制與冰河的退卻與冰後回彈有關。在冰河融解退卻的過程中,有冰河覆蓋與沒有冰河覆蓋的邊界下的大陸地殼,會因冰河加載與卸載所導致的構造變形與斷層發育而變得脆弱,若當時的板塊環境又伴隨著張力的環境時,大陸地殼則會在冰河的邊界被弱化減薄,使得岩漿得已上湧而張裂。因而造就了長條形的辛梅利亞大陸。

圖一、早二疊紀之板塊架構重建示意圖。A:剛瓦納大陸於三億年前之古地理圖。咖啡色,綠色與紫色條帶標示古生代之縫合帶與造山帶 (地殼中舊有的弱帶)。B:兩億九千萬年前之冰河分布狀況,綠色虛線標示辛梅利亞大陸的裂谷所在地。C:兩億八千萬年前辛梅利亞大陸張裂形成新特提司洋。其張裂邊界平行於冰河前緣。D:兩億年前剛瓦納大陸分離之主要三叉裂谷系分布情形 (白色虛線)。

主題資料來源:

Yeh and Shellnutt (2016) The initial break-up of Pangæa elicited by Late Palæozoic deglaciation.Scientific Reports 6, 31442. http://www.nature.com/articles/srep31442

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