從一塊板岩，窺探台灣造山的動態歷程

[No. 25] 星期五地質 – Friday Geology

  板岩在台灣可說是人們最熟悉的岩石之一，出露面積廣泛，並自遠古時期就為先人所廣泛應用於生活之中；從排灣泰雅布農等族群的各式石板屋，到烏來、三地門等觀光區的石板烤肉，板岩是許多台灣人自幼出遊踏青甚至日常的記憶與熟悉。不過，你可曾思索過，這些板岩是什麼時候形成的呢? 原本在海底的泥質沉積物，曾幾何時受到怎樣溫度壓力的鍛烤錘鍊，具備了”板劈理”而成為今日的模樣? 而這個板岩”變質”與”變形”的年代，又跟台灣山脈成長演化的歷程有什麼密不可分的關聯呢?

這個問題困擾了台灣以及世界上關注造山運動的學者們許久，研究上的瓶頸在於：首先，板岩是沉積岩受低度區域變質作用的產物，變質葉理上的新生礦物顆粒甚小，極難進行實驗分析，也常不易與原始片狀沉積碎屑區隔；其次，板岩中常缺乏特徵變質礦物，很難對其變質度做出精準估計。而這兩個瓶頸是相互緊扣的：對板岩進行定年測定時，分析的礦物經常是片狀的雲母類礦物，岩石的熱歷史特別是最高變質溫度，會影響這些礦物中的衰變同位素系統是否受到熱重置作用(thermal resetting)，從而遺失其礦物生成/板劈理形成年代。所以，定年結果的地質意義解讀仰賴岩石熱歷史的良好約制。

回到台灣的造山問題，由於其源於島弧與大陸邊緣的斜向碰撞，北台灣目前處於碰撞造山的成熟期，岩石較可能保有整個造山過程的紀錄，於是我們選擇了北部橫貫公路地區的雪山山脈板岩帶為研究目標。野外調查時我們在北橫公路上插天山背斜東翼、蘇樂橋(舊)西端的晚漸新世大桶山層板岩中，發現一變質基性火山碎屑岩層，其發育有約一公分間距的壓溶面(pressure solution)並與鄰近板岩層中的板劈理位態一致；經過顯微鏡下的觀察，可見長度達數mm的白雲母-綠泥石(有時亦含鈉長石)的礦物集合體(porphyroblast)平行生長於壓溶面上(圖一A)。這些白雲母-綠泥石集合體具備”同構造生長”(syn-kinematic growth)特徵，其生長年代即可代表此地區變質葉理的發育年代，且白雲母不存在於此變質基性火山碎屑岩的原岩；而鄰近板岩的鏡煤素反射率指示最高變質溫度約300˚C (Chen et al., 2011)，較白雲母的鉀-氬衰變同位素系統封存/重置溫度(closure/reset temperature，375˚C以上)為低，礦物生成結晶時的同位素系統得以保留，因而提供了一個絕佳的測定台灣變質葉理形成年代的機會。為此我們針對這個露頭進行了數項分析工作，解開他的變質變形歷史(Chen et al., 2018)：

1. 岩層沉積年代：自此變質基性火山碎屑岩中洗選鋯石，其中最年輕的年代約為兩千四百萬年前，證實此岩層沉積於晚漸新世/中新世交界時段
2. 最高變質溫度測定：取此變質基性火山碎屑岩旁的板岩進行碳質物拉曼光譜分析(Raman spectroscopy of carbonaceous material, RSCM)，利用碳質物於地質時間尺度深埋加溫過程逐漸石墨化的原理做為地質溫度計，更精準的估算岩石所經歷的最高溫度(攝氏兩百度以上，鏡煤素反射率資料會逐漸失準)，所得結果約250 ˚C，再次指示變質基性火山碎屑岩中新生白雲母集合體的鉀-氬系統沒有重置年代的狀況，並可結合碰撞造山前中國大陸邊緣盆地構造與沉積物堆積厚度等資料推估蓬萊造山造成進度(prograde)變質的升溫程度。
3. 變質葉理生成年代測定：於含有壓溶面構造的變質基性火山碎屑岩厚片標本(圖一B)，進行原位雷射氬氬定年分析(in-situ ⁴⁰Ar/³⁹Ar laser microprobe dating)。實驗樣本上的白雲母-含鉀綠泥石(corrensite)礦物集合體，以原位雷射的微空間取樣共取得了125筆數據(圖一C、D)：在礦物集合體內的空間分布上看來隨機，反映了此微構造張裂-充填(crack-seal)的生長機制(Chen et al., 2016)；年代的分布則兩種礦物皆在約六百萬年前到兩百五十萬年前之間持續生長，顯示板劈理的發育不是集中在某個特定的時刻，而是百萬年尺度的作用過程。 

將上述結果綜合統整，得到了此變質基性火山碎屑岩的溫度-時間-深度演變歷程(P-T-t evolution；圖二A)：此基性火山噴發發生於漸新世/中新世交界時，其火山碎屑產物與中國大陸邊緣的沉積物一同堆積，直至約八百萬年前(由北橫地區的中新世地層推估)，包含此變質基性火山碎屑岩的地塊開始受到蓬萊造山運動的影響而經歷構造深埋至250 ˚C、相當約八公里深處(以約30 ˚C/km的地溫梯度估算)，並於約六百萬年前至約兩百五十萬年前的時段停留在此溫度與其對應的深度中(最高變質度由RSCM資料估計；定年分析的白雲母與含鉀綠泥石年代重疊，微構造亦顯示兩者共存同時生長，然而此兩種礦物的穩定溫度範圍僅於250 ˚C附近交集，與RSCM結果重合)，之後才快速掘升(exhumation) 於今日在地表出露。如此近乎階梯式的溫度-深度-年代關係，配合中國大陸邊緣的盆地架構，可以由造山楔狀體(orogenic wedge)的底部加積(basal accretion/tectonic underplating)作用解釋(圖二B)：此變質基性火山碎屑岩體自兩千四百萬年前至約八百萬年前於盆地埋深至約兩公里深處(上覆中新世地層厚度)，然後由於南海地塊隱沒至菲律賓海板塊下帶動中國大陸邊緣隨後俯衝至隱沒帶增積岩體(accretionary wedge)下方，約六百萬年前達到近八公里深、約250 ˚C處，自山脈底部藉由雙軌構造(duplex)進入造山楔，並停留至約兩百五十萬年前才開始抬升降溫。由於歐亞與菲律賓海板塊的聚合運動在這段時間內持續進行，中國大陸邊緣上其他的沉積物也將經由此機制進入造山帶(並成為如北橫地區出露的板岩)，而包含此次研究變質基性火山碎屑岩體的地塊已於碰撞早期進入造山帶並停留於深部，後續底部加積的地塊只能往山脈更深處俯衝。如此構造演化隱示台灣造山的前期作用主要集中於深部的山根部分，而兩百五十萬年來的岩石快速掘升與台灣周圍盆地中造山來源的沉積物同時出現，似乎可描繪出一個相當動態的造山運動演變過程。



於是，當你下次在台灣山地觀光區享用石板烤肉的同時，不妨暢想這”石板”也曾經有過一個”高溫高壓”、戲劇化且與台灣島脈動緊緊相扣的精采過去，而其中還有更多地質資訊與地球奧秘等待慧眼獨具的地科人去發掘。 參考文獻：
Chen, C.-T., Chan, Y.-C., Lu, C.-Y., Simoes, M., Beyssac, O., 2011. Nappe structure revealed by thermal constraints in the Taiwan metamorphic belt. Terra Nova 23, 85-91.
Chen, C.-T., Chan, Y.-C., Lo, C.-H., Lu, C.-Y., 2016. Growth of mica porphyroblast under low-grade metamorphism – a Taiwanese case using in-situ 40Ar/39Ar laser microprobe analyses. Journal of Structural Geology 92, 1-11.
Chen, C.-T., Chan, Y.-C., Lo, C.-H., Malavieille, J., Lu, C.-Y., Tang, J.-T., Lee, Y.-H., 2018. Basal accretion, a major mechanism of mountain building in Taiwan revealed in rock thermal history. Journal of Asian Earth Sciences 152, 80-90.