桑田曾經是滄海-科學人雜誌
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桑田曾經是滄海

2010/03/01 李名揚
滄海桑田,絕不只是詩人的想像而已。在地球46億年的歷史中, 陸地的分分合合本是常態,而何時分合,為何分合,以現有的科學證據 已可拼湊出一些輪廓。
現在的地球陸地可分為歐亞大陸、非洲、南美洲、北美洲、澳洲、南極洲等大型陸塊和數不清的島嶼,這是歷經漫長的時間所形塑出來的模樣。究竟地球上最早的陸塊是在何時形成,以及形成後如何演變成現在的樣子,一直讓地質學家充滿興趣。

要了解地球陸塊的分合歷史,首先得確認各種可供佐證的岩石年代。目前公認地球的年齡約為45億6700萬年,但這並非根據地球上的物質定年,而是根據隕石。因為在地球形成後,有長達數億年時間遭受密集的隕石轟炸,地表上在地球誕生初期所形成的物質早就被摧毀殆盡,而現代的科技又還無法深鑽到地心取樣,因此只能根據被認為是「太陽系最老固體」、存在於碳質球粒隕石內的「富鈣鋁包體」(Ca-Al-rich inclusion, CAI)來推算地球年齡。

而地表上最古老的地球岩塊是在加拿大西北找到的艾加斯塔片麻岩,約在40億年前形成,因此過去大多數地質學家都認為,在地球誕生後的前5億年,地表是處於高熱熔融的狀態,還沒形成陸塊。不過1980年代,地質學家在澳洲西部發現了幾顆43億年前形成、大小僅有數百微米的鋯石結晶(見104頁〈如何幫鋯石定年?〉),到了1999年,隨著分析技術的進步,地質學家不但進一步找到44億年前形成的鋯石,更發現這些鋯石形成時地表的溫度並不會太高,應該已經有液態水存在,甚至可能已經有大陸地殼形成了。

超大陸的形成

但是,現在地球上的各大陸卻不是在那時候生成的,也許有一點點是,可是到目前為止,地質學家在地表上找到40多億年前生成的物質,就只有那些極微小的鋯石結晶,因此,若非當時形成的陸塊太小,不容易找到,就是經過40多億年的侵蝕、風化,已經把那時形成的陸塊所遺留的痕跡全都消滅了。

現在地球上的各大陸,是在40多億年的歷史中逐漸形成的。地質學家對於大部份陸地的形成時間分成兩派主張:一派認為早在30億年之前,大部份的大陸地殼就已經形成;另一派則認為大部份是在距今25億年之內才形成的。

地球板塊是位於具有可塑性的軟流圈之上,地函各處溫度差異所形成的對流會帶動板塊跟著漂移,因此陸地的形狀會慢慢改變。但我們要怎麼知道過去的陸地長什麼模樣呢?

比對不同地方的岩石年齡,再拼湊在一起,是第一種方式。台灣大學地質系教授鍾孫霖指出,現今大陸地殼的年齡呈現不連續的分佈,若在不同大陸上找到相同年齡的岩石,就可推測這些岩石過去是在同一處生成,後來才分開;只要找到這些年齡相同的岩石,連接在一起,就可以把不同大陸拼湊起來,成為「超大陸」(supercontinent)。目前學術界已有相當共識的是,在距今3~1.8億年前,地球陸地是一塊「盤古超大陸」(Pangaea),後來分裂並各自漂移,才演變成現在的陸地。

另一種方法是測量大陸地殼中不同區域岩石的古地磁記錄。鍾孫霖表示,地球磁場平均約25萬年會南北極反轉一次,當熔岩冷凝形成地殼岩石時,岩石中所包含磁性礦物的磁軸會與當時的地磁方向一致,另外帶磁性的細粒沉積物在沉積過程中,也會按照當時的地磁方向排列而形成沉積岩。因此只要配合同位素定年,就可利用不同年代岩石中的磁性方向,回推不同年代的古地磁南北極。

由於地表磁場在不同緯度的傾斜角度不一樣,會造成不同緯度岩石中的磁性方向不同,因此這個方法還可以推算出某一區域的岩石在過去某個年代的所在位置;若能找到不同時間、地點古地磁的連續記錄,就可畫出地殼漂移的路徑。

目前推算古地磁反轉年代的一大利器是海洋地殼。我們已經知道海洋地殼是從太平洋、大西洋、印度洋中的三大中洋脊冒出,向兩側擴張,海洋地殼擴張的速度已可精確掌握,因此根據海洋地殼中的岩石磁性變化,可以精確算出古地磁反轉的時間。然而海洋地殼最終會隱沒到大陸地殼下方,目前所見的海洋地殼,最老只有約兩億年,因此古地磁記錄只能用於盤古超大陸年齡樣貌的推論,要重建更早以前的超大陸,就必須依靠其他證據。

其他地質證據包括岩漿活動的痕跡、沉積岩中的地層特性及化石記錄、火成岩及變質岩中記錄的地球化學性質等,古氣候證據如煤層、熱帶沙漠、珊瑚礁的分佈和冰河痕跡,以及現有各大陸海岸線的形狀等。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2010年第97期3月號】


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