開天闢地 (一)：太古地殼的濫觴 – 熱柱或隱沒？

大陸地殼是人類與許多生物賴以生存與棲息之所在。追本溯源，地球形成初期的大陸地殼到底是如何產生的，一直是地球科學的重要問題。目前學者一般認為，大陸地殼可能經由兩種作用形成。一種是類似今天在全球廣泛進行的隱沒作用，在過程中將兩個板塊間的物質碰撞堆積起來形成了地殼 。另一種則是透過地幔熱柱 (mantle plume) 湧升，將上地幔較熱的物質帶到地球表面冷卻後形成地殼。過去的研究發現，自原生代 (Proterozoic, 25 億到約 5 億年前) 以來大陸地殼是透過隱沒作用造成的。然而，大陸地殼的岩石特徵從太古代 (Archean, 40 億到 25 億年前) 過渡到原生代時有明顯的區別，暗示在這兩個地質年代中地殼的形成機制有所不同。那麼太古代的地殼成因到底是跟隱沒作用有關呢，還是該歸因於熱柱活動？

澳洲西部是研究太古代地殼構造的最佳地點，因為這裡存有目前已知地表最古老的地殼 (此區域存留的鋯石年齡可達 44 億年！)。澳洲馬奎里大學的袁懷玉分析西澳的兩個太古代陸塊 (craton, 或直譯作克拉通) 地殼的震波特性，試圖解決地殼演化機制的問題。他用一種叫做接收函數 (receiver functions) 的地震學方法，將震波在地殼中遇到性質不同的介面 (震波不連續面，例如地殼與地函交界的莫荷面) 時產生的折射訊號分離出來，以求得介面的深度位置，同時，折射訊號的強弱也反映了此介面上下性質的差異程度。此外，分析 P 波和 S 波兩種體波通過地殼的波速比值 (Vp/Vs)，可以直接對應到地殼的成分差異。一般而言，Vp/Vs 值越大，表示地殼愈年輕，且岩石成分偏向鐵鎂質 (mafic); Vp/Vs 值越小，表示地殼愈老，且偏向矽鋁質 (felsic)。

袁懷玉分析了西澳北邊的 Pilbara craton 及南邊的 Yilgarn craton。Pilbara 形成於太古代早期 (Paleoarchean)，Yilgarn 則較年輕，形成於太古代晚期 (Neoarchean)。研究結果顯示， Pilbara 的地殼厚度比較薄，Vp/Vs 值很小，地殼為矽鋁質，這樣的特徵可以用廣泛的火成活動來解釋，暗示 Pilbara 的地殼是由於地幔熱柱上湧，岩漿分化形成。Yilgarn 的情形就比較複雜，地殼厚度與 Vp/Vs 值都有區域性的變化，有些地區特徵與 Pilbara 極為接近，無法單純用年齡不同來解釋。袁認為 Yilgarn 的地殼應該是熱柱與隱沒同時作用下的產物，因而提出在太古代中期，約 35 到 25 億年前這段時間內，地殼形成機制從早太古代由熱柱主導，到晚太古代隱沒作用開始盛行，而漸變為受隱沒控制，所以在 Yilgarn 這個晚太古的地殼中同時保留了這兩種作用的痕跡。這樣的轉變可能與當時地幔全面降溫，整個地體動力系統階段性的改變有關。西澳兩個古陸的地殼性質演變記錄了這個地球演化初期重要的過渡階段。

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