台灣南部外海馬尼拉隱沒帶的蛇紋岩化作用

在前幾期的「失落城市的前世今生-白堊紀海洋地殼得深部生物圈遺跡」專欄中，林立虹老師介紹了在海底中洋脊附近的蛇紋岩化 (serpentinization) 作用對於古海洋生物圈生成的重要性。而此蛇紋岩化作用不僅止於發生於板塊張裂的中洋脊區域，在板塊隱沒帶也會產生。隱沒板塊上的沉積物及上部地殼常帶有大量水分，在隱沒的過程中，到達一定的溫壓條件時隱沒板塊會發生脫水作用，水往上跑接觸到上覆板塊的地函物質 (主要為橄欖岩(peridotite))，會使得這些物質在地函區域產生蛇紋岩化，此現象已普遍的發現於全球的隱沒帶，最有名的例子為卡斯卡迪雅隱沒帶 (Cascadia subduction zone)。由於此作用在礦物岩石實驗中顯示，一般發生於地底下 20–40 公里深的地方，且又多位於海洋區域，並不容易探測。好在岩石物理實驗中發現蛇紋岩化作用會使其地函的橄欖岩石物理特性發生極大地改變，諸如密度變小、震波速度變慢 (P、S 波)、震波產生非均向性及磁化強度增強等。我們便可以利用此物理特性的改變運用地球物理探測的方法來發掘隱藏於地底下的岩石變質作用。

台灣南部外海地區因歐亞板塊隱沒於菲律賓海板塊下形成馬尼拉海溝，而馬尼拉海溝北段至台灣島間，從隱沒到碰撞的地震地體構造特性與孕震帶，因地質與地球物理資料的不足，仍存在著許多的疑問，尤其更涉及墾丁地區的核能電廠安全有直接的影響，因此全面性的地質與地球物理調查有其必要性。在此次的專欄中將分享利用台灣南部海域的震波速度與重力的聯合調查發現上部地函存在著蛇紋岩化的橄欖岩。

在此研究中我們使用二維的 P 波震波速度構造剖面，經由 P 波震波速度與密度間對應的經驗關係式，我們可以將震波速度構造轉換成二維密度構造，再藉由此轉換的密度構造可計算出，研究中的兩條橫跨馬尼拉海溝測線的重力異常來比對實際觀測重力值。經由震波速度計算轉換的重力值與實際重力值的差值，則可歸於較深部的地殼構造，因為震波速度構造解析度僅止於較淺的10多公里部分，重力的量測則可彌補較深部的地下構造。研究結果發現在弧前 (fore-arc) 位置與增積岩體 (accretionary prism) 下有高密度異常的物質存在(密度約為 3.02 g/cm3左右)，海平面以下 10–20 公里深的地方。此密度明顯高於一般地殼而低於地函物質的密度。考慮它存在的位置與密度大小，推測此物質是來自下部的蛇紋岩化的地函橄欖岩 (serpentinized peridotite) (下圖)。然而，特殊的是，發現的蛇紋岩化橄欖岩深度比一般形成的深度 (20–40km) 為淺，究竟是甚麼原因會使得這些原本屬於地函的物質跑到這麼淺的地方來？從浮力的觀點，由於蛇紋岩化的地函物質，相對地函而言密度是低的，因此本身浮力的作用就會使得這些物質往上跑。但此作用與南部地震孕震帶是否有關係，是值得日後再詳加做地體動力學上的模擬與觀測。此外，在台灣島的東部也有發現類似的異常帶，有部分學者也認為這異常帶形成原因即是蛇紋岩化地函物質的上升。從整個聚合板塊邊界的連續性來看，加上海上及陸上觀測的結果，此蛇紋岩化地函物質上升的特徵應該可從馬尼拉隱沒帶北段一直延伸至台灣東部陸上。然而，此異常帶在台灣的整個造山過程中到底扮演著怎樣的角色仍是不清楚的，要解決這個謎題必須要從地質構造、地球化學特徵與地球物理構造調查的整合才能解開這個謎團。

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