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2016-09-01
地科系研究 冰河退卻能促成板塊運動
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地科系團隊揭祕 冰河退卻與融解也能促成板塊運動

採集岩漿樣本及運用電腦模擬 結果可能推翻教科書

【公共事務中心胡世澤報導、江敘慈、李玉菁拍攝】過去學界認為,兩億八千萬年前遠古時期,大陸板塊運動直接與地球內部「岩漿」產生熱對流與冷卻相關,但國立臺灣師範大學地球科學系研究團隊到印度與喀什米爾採集岩漿事件樣本,運用電腦模擬重建早二疊紀板塊架構,發現地表上的氣候作用,如「冰河」的退卻與融解,也能將大陸地殼分開。此一重大發現,不但可能推翻教科書內容,也可能改寫地球科學史。

在國立臺灣師範大學與行政院科技部的資助之下,國立臺灣師範大學地球科學系葉孟宛和謝奈特副教授最新的研究結果,解開了遠古時期全球氣候變遷與板塊運動之間的關聯性,並由理學院陳焜銘院長主持,9月1日對外發表學術成果。

這篇刊登於國際領先科學周刊《自然》品牌下的開放式期刊《科學報告》的文章(http://www.nature.com/articles/srep31442),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,覆蓋著一層厚厚的冰層。葉孟宛與謝奈特副教授發現,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。

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與地球內部的熱對流與冷卻相關。但葉孟宛與謝奈特副教授卻提出全新的看法,認為大陸冰棚的邊界亦可控制大陸地殼張裂的位置。

厚重的大陸冰河所增加的重量會使大陸地殼下沈,而當冰河融解時,大陸地殼便伴隨著地震與斷層活動,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,需要耗費幾千年時間。在冰河融解退卻過程中,大陸地殼被冰河覆蓋與沒有冰河覆蓋的邊界,會因冰河加載與卸載所導致的變形與斷層發育,而變得脆弱,若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。

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。

謝奈特副教授過去一直專注於研究印度與喀什米爾區域中生代的岩漿事件。過去30年來,由於政治與安全等問題,國際學術界鮮少有團隊進入此區域,進行地質相關的研究。根據近年來新採集的樣本,謝奈特副教授首先確立了這些大範圍玄武岩形成於早二疊紀(約兩億八千萬年前)。依此年代確立了這些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。

根據師大的X-射線螢光分析實驗室所得到的岩石主要元素組成,來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。

雖然舊有概念被新的地球化學數據推翻了,卻沒有其他合理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。

謝奈特副教授一直認為,此時期大規模的冰河與火山事件的分布一定有所關連,因此在與葉孟宛副教授討論時,問了一個關鍵問題:地表的氣候作用,如冰河時期的啟動會導致地殼減薄或弱化嗎?葉孟宛副教授想了想回答說:根據構造地質學的典範,不會!反倒是冰河的退卻與溶解才會。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。自此開啟了本研究的契機!

為釐清冰河的退卻與早二疊紀岩漿事件的因果關係,葉孟宛副教授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。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。

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,地殼的變動通常會集中在地殼的弱帶。但葉孟宛副教授在重建早二疊紀之板塊架構之後發現,形成辛梅利亞大陸的裂谷,卻沒有利用任何地殼中舊有的弱帶,而是平行於冰河的前緣。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由關。

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美術系碩士班校友陳重宏(Kyo)拍攝冰河美景,並授權學校使用。

英文參考附件

A recent scientific research paper by professors Mary Yeh and Greg Shellnutt of the Department of Earth Sciences, National Taiwan Normal University may have unlocked a crucial link between climate change and plate tectonics in the ancient past. The paper, published in the prestigious journal Scientific Reports, connects glacial retreat with volcanism and the formation of a new ocean over 280 million years ago. At the time, nearly all of the Earth continents were joined together to form the supercontinent geologists referred to as Pangaea. The southern portion of Pangaea, much like Antarctica today, was covered by a thick blanket of ice. Professors Yeh and Shellnutt noticed that shortly after the southern ice sheet started to melt a number of volcanic eruptions occurred along the terminal margin of glacier . Within a few million years of the volcanic eruptions a new ocean was born.

It is known that volcanism very often accompanies ocean opening, much like when the Atlantic Ocean opened and the African plate and South America plate drifted away from each other. The process of plate movement, known as plate tectonics, is thought to be directly related to the cooling the Earth’s hot interior but the findings by Yeh and Shellnutt suggest that the effects of glacial retreat were instrumental in controlling the location of a new plate boundary. The formation of a thick continental glacier causes the land to be suppressed in order to accommodate the increase of mass but when the ice melts then land rebounds to its original elevation. Glacial rebound takes thousands of years and is often associated with low magnitude earthquakes. The earthquakes occur along faults that were created between the margin of the glacier and the region unaffected by glaciation. The faults created by glacial retreat weaken the Earth’s crust so that if the plate was subjected to tensional stress it would preferentially break at the location where the faults formed. This is what appears to have happened approximatively 280 million years ago.

The work by Yeh and Shellnutt, funded by National Taiwan Normal University and Ministry of Science and Technology, is significant because it is one of the few studies that demonstrate climatic changes at the surface of the Earth can impart an important influence on geological processes that are thought to be entirely controlled by the internal dynamics of our planet.

完整研究報告簡報

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師大外籍教授謝奈特深入印度與喀什米爾區域,採集冰河時期留下的玄武岩,透過電腦斷層分析。 師大外籍教授謝奈特深入印度與喀什米爾區域,採集冰河時期留下的玄武岩,透過電腦斷層分析。

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