作者:龎鈞翰

審定:鄭弼升、嚴天浩

赫姆斯的經歷

圖1. 赫姆斯22歲時的照片。

圖片來源: www.en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Holmes

在1920年代,由於放射性元素衰變研究的熱潮,許多地質學家紛紛投入以放射性元素作為地球礦物定年的研究,其中,也發現了放射性元素衰變時,會放出熱能的現象;其中,英國物理學者若利在1925年時,發表了"若利熱循環說(Joly’s thermal cycle theory of radiationary)",該理論是參考居禮夫婦發現自然界中的放射型元素衰變時會產生熱能的研究結果結合赫頓的火成說而提出,喬利認為地球內部的放射性元素衰變,是造成造山、形成地槽和山谷等地質作用的主要能量來源。因此,在赫姆斯所處的當時學界,已經有許多人認為地熱是可以改變地質結構的想法了,但仍沒有人將這種想法,整合於解釋大陸漂移說。而,將熱對流整合成推動大陸漂移的動力相關之研究,在若利提出熱循環學說後的幾年,終究被英國的地質學新生代學者賀姆斯,往下成功發展成了地函熱對流學說。

“換個角度想,也好啦!至少因為公司倒閉,拿到了一個得以回到英國本土重新做學術工作的機會。”1924年的某日,一名叫作赫姆斯(Arthur Holmes)的年輕地質學家,將身子倚在從緬甸開往英國的船甲板欄杆上感嘆。這名少年之前任職、協助探勘石油的緬甸石油公司- 約瑪石油公司(Yomah Oil Company),因經營不善倒閉,這幾年在緬甸陪他的兒子也因為痢疾而離世了。在赫姆斯感嘆之餘,也喃喃自語地說到,從為了因應1920年的第一次世界大戰後,學術工作普遍薪水低迷,而轉任到緬甸做石油探勘工作的地質學者掙多一點錢,到如今也有4年的寒暑,現在也剛好是一個讓他能重回英國本土的契機,或許是生活不如意生活中的小確幸吧!

赫姆斯出生於1890年的英格蘭赫本鎮(Hebburn Town);1907年的秋季他進入了皇家科學學院(Royal College of Science;現已改制為帝國理工學院, Imperial College London)的物理系學士班就讀,但在接觸到地質學課程後,赫姆斯如同碰到了一見鍾情的夢中情人般,愛上了這門學問,因此不顧他的大學導師反對,在二年級時轉入地質系就讀,並於1909年獲得學士學位。

1910年他開始在學士班的母校繼續做研究生研究及擔任研究助理,師從專攻放射性元素地質定年的斯綽特(Robert Strutt)教授,隨後加入了這位教授所屬實驗室的非洲莫三比克地質調查研究隊,雖然這次田野調查中,並未有重大收穫而且不幸地一度染上瘧疾不得不返回英國,不過,也因為這次的調查因緣,赫姆斯對於非洲東部的礦物類別相當熟悉,進而使得他成為韋格納的大陸漂移說的忠實支持者。

1917年,雖然赫姆斯榮獲了帝國理工學院地質學博士的殊榮,也經歷了新婚的喜悅,但礙於當時正處於第一次世界大戰的末期,赫姆斯在學術界一直沒辦法賺足薪餉,學界工作的狀況也不樂觀,使得他1920~1924年在緬甸工作了許久,才因公司倒閉、失業的契機,重回英國的地質學學術界。雖然事發突然,但也是因為這個原因,赫姆斯才能夠在英國完成能夠解釋銜接地熱現象,與大陸漂移學說的研究。

"最近一名叫作韋格納的德國氣象學小夥子,居然發表了令大家譁然的'大陸漂移說'。雖然,他在書裡解釋的,撕裂大陸的力量來源說是潮水的力量,讓人覺得很荒唐,學界的很多人指出,潮汐的能量根本沒有大到能夠撕裂硬實陸塊的程度,不過以我研究化石多年來的經驗,他在書中列舉的南美洲與非洲地區有相近化石的證據,還真的讓我覺得有幾分說服力。我說,我們達蘭大學(the University of Durham)的地質系才創立不久,你對地質與岩石學又很熟悉,赫姆斯!說說你對韋格納的大陸漂移說的看法吧?"1928年的達蘭主教座堂(Durham Cathedral)旁的石子路上,已在達蘭大學當地質學教授的赫姆斯,和他從事化石研究的新同事霍普金斯(William Hopkins),邊散步閒聊時,霍普金斯突然和赫姆斯聊到,現在讓英語學術界炒得沸沸揚揚的韋格納之"大陸漂移說",並詢問赫姆斯的看法而如此說道。

"老實說,我挺同意韋格納的論點的......"赫姆斯停下腳步,望著達蘭河(Durham River)吸了口煙斗,如此回答到,"雖然如同你所說,韋格納把分裂大陸的動力寫得很荒唐,不過就化石和我在非洲莫三比克田野調查時看到的礦石證據而言,韋格納的理論可以是所言不虛。"

"那你對於撕裂和移動大陸的動力來源,你覺得還有什麼能夠合理解釋的方式嗎?"霍普金斯隨即也跟著賀姆斯停下腳步,望著倚著石橋圍欄的赫姆斯,如此問到。

"哈哈!還真的是有的!我正想說幾年後,把東西潤飾後再發表呢!"被問到讓赫姆斯欣喜的地方,赫姆斯突然大笑地回答到。"我正想說幾年後,把東西潤飾後再發表呢!既然你問了,那我就帶你到我的研究室,看看我所寫的,解釋大陸漂移動力的'隨筆之作'吧!"赫姆斯接著,如此向霍普金斯邀請到。

"好啊!一同去瞧瞧!"被這突然的邀約驚喜到的霍普金斯,一口就答應了赫姆斯的邀請,踏上了前往地質學系博物館暨系館的路途。

赫姆斯的發現與假設

那麼,到底赫姆斯是想基於哪些知識來解釋大陸漂移說的動力呢?讓我們接著往下看。

原來,在19世紀末、20世紀初,赫頓(James Hutton)的火成說已經可以說是當時的地質學界的主流學說,因為在火成說中造成火山爆發及產生岩石的岩漿的能量相當巨大,因此赫姆斯想到,這股岩漿或許是造成大陸漂流的主要力量來源,他想要研究這股地下火的能量是否足以推動大陸。

圖2. 火成說示意圖。該學說只簡略的指出了,岩漿(Magma)及岩漿是產生岩石和造山等地質現象的原因,但並沒有解釋岩漿以及岩漿生成的能量來源。

圖片來源:www.slideshare.net/HungryWithNoMoney/endogenic-processes-153426395

又因為液體在有溫度差的時候會產生對流,所以當底下的岩漿經由散熱與高溫液體具有之熱能,促成液體的熱對流,能夠轉換成使物體運動的動能"這樣的觀念 - 這讓赫姆斯對於岩漿的熱能可以轉換成動能推動大陸一事,覺得有更高的可能性。但是這僅僅是粗略的假設,赫姆斯需要尋找更多的線索來讓這個假設得以成立,於是他開始尋找地下火的能量來源,試圖從能量的來源以及多寡來證明他的想法。

在赫姆斯重回英國達蘭大學執掌教鞭時,剛好讀到若利用放射性元素衰變,解釋造山、產生岩漿和火山噴發等地質現象的主要能量來源。因此,赫姆斯思考著放射性元素衰變產生的熱能,是否就是能使大陸漂移的岩漿 - 即,是否會變成推動大陸的能量?

為了再進一步解釋,岩漿帶有的熱能推動大陸的流動機制從何而來,赫姆斯想到了當流體物質受熱而產生密度變化時,會發生的對流現象,即-密度較高的低溫流體部分下沉至液體底部,而密度較高的高溫流體部分上升至液面。

圖3. 以燒開水來表述的,液體的熱對流示意圖。當水受熱時,密度變小而往液面上湧;當水冷卻時,密度變大而往液底下沉而形成對流。

圖片來源:www.ck12.org/physics/convection/lesson/Convection-MS-PS/

根據上述的推理,赫姆斯假設大陸飄移的動力來源,就是岩漿熱對流時,推動大陸所造成的。而高溫的岩漿從地底深處上湧至地函上部與地殼交界帶間,經漸漸冷卻、密度變大的過程後,再緩緩下沉回地核,而在地函與軟流圈間形成一個熱流體的對流循環。

赫姆斯的驗證

依照赫姆斯的假設,地底下具有的熱能應該要大到足以推動、撕裂大陸。為證明以上假設的可信,赫姆斯作了以下的研究分析:

首先,他計算出自然界中,常見的、具有放射性的元素,它們衰變時每克所會放出的熱能。

並從鑽探調查中確認了,玄武岩基質層(Basaltic substratum;主要分布在海洋地殼和地函上部)和花崗岩性上層岩層(Upper granitic layer;主要分布在大陸地殼)中,含有的放射性元素的含量。然後,計算這些放射性元素,衰變到變成穩定狀態時,大概會放出的熱能量。

接著,因為已經知道地表有許多的岩漿噴發活動,若岩漿的能量來自於放射性元素的熱的話,那麼放射性元素提供的能量,至少要比熔化地函岩石產生岩漿所需的能量還要大,才可能有剩餘的能量用來推動大陸。所以他接著利用玄武岩樣本的熔點分析出岩漿的溫度約在1000度C,和根據地底的溫度梯度,推測地函處約保持300度C的溫度,利用這兩項資訊,赫姆斯算出每年地函內的固態岩石熔化成岩漿,並噴出地表至少需要多少的熱能。並與經估算所得到的,地函與地殼中的放射性元素衰變時,每年所產生的熱能值做比較。

圖5. 位於美國哥倫比亞河的玄武岩帶(Columbia River Basalt Group)中的,摩西·庫里峽谷(Moses Coulee)的洪流玄武岩(Plateau/ Flood Basalt)照片。

圖片來源:www.wikiwand.com/en/Moses_Coulee

圖6. 赫姆斯列出的,地底存在之放射性元素別,與它們核衰變後,估計會放出的熱能量大小。

圖片來源:提出"地函熱對流說"的原論文 <Radioactivity and Earth Movements, by ARTHUR HOLMES in 1929> pp.571

可惜的是,赫姆斯根據上面一系列的分析,雖然"熔岩熱對流因密度變化而產生推動大陸的機制",能夠被圓滿解釋,但依據他的計算,地殼和地函產生的放射性元素衰變熱,仍不太足以造成大陸漂移和岩漿噴出地表等地質作用,以目前學界所知的海洋地殼年紀(2億年)的時間尺度來算,若只有地函和地殼中的放射性熱元素衰變產生熱能,進而轉變成造成地質結構變化之能量的話,頂多讓岩漿噴發再凝固後,產生現今世界上總質量數的700分之1重的玄武岩而已(這個量也僅是現今海洋地殼的1/3厚)。

正當赫姆斯為"地底放射性元素放熱量不足,而無法讓推動大陸的能量一直源源不斷的產生"而感到尷尬時,他讀到了古騰堡和傑弗瑞所提出的,發現液態地核存在的最新發現 - 在1913和1926年古騰堡(B. Gutenberg)與傑佛瑞(H. Jeffreys)的研究,該研究是藉由地震波的陰影帶等資訊,推測出在地表下2900公里處,存在一液態的地核(外核)區 。結合1897年維謝(E. Wichert)根據隕石樣本和地球表面採集到的岩石之密度數值來計算,得出地球內部存在富含鐵元素核心的結論,所以從1920年代開始,地質學界已有"地核(外核)應為液態含鐵物質所組成",這一概念。

雖然赫姆斯經由計算發現,地殼和地函產生的放射性元素衰變熱,其能量不足以造成大陸漂移和岩漿噴出地表等地質作用,但在現實的觀察中,岩漿的熱能還可以一直保持著,而不會因為長時間的熱傳導、散失等作用,導致熱能和岩漿消失殆盡。因此,赫姆斯認為,在比地函和地殼的地底更深處的地核,或許提供了更多的熱能量。

由於要使金屬物質保持液態的狀況,會需要極高的溫度, 所以,赫姆斯就大膽假設了,除了地函與地殼中的放射性元素衰變時,會供給地底岩漿的熱能量外,在地底下應該有一個由液態地核所提供、蘊含更強熱能量的源頭;而且這股熱能可以促成熱對流,再加上地函與地殼中的放射性元素衰變時,所產生的保溫效應能夠克服地核的熱,傳導到地函處的熱散失,使得推動大陸分裂、漂移的熱流循環能夠一直被保持著、源源不斷。

赫姆斯為證明"地底放射性元素衰變生的熱,再加上地核提供的熱可以造成大陸漂移"的假設是可信的,赫姆斯作了以下的研究分析 -

首先,赫姆斯計算在地核所在的、具及高壓力的位置(地表下約2900公里;1,350,000 atm),若要使含鐵物質保持液態,需要維持的溫度及保有的熱能。

圖8. 地球各結構之估計深度和壓力圖。

圖片來源:www.ec.europa.eu/research/infocentre/article_en.cfm?id=/research/star/index_en.cfm?p=s1-decore&calledby=infocentre&item=Infocentre&artid=41417

再來他還計算了,進行造山、大陸陸塊分裂時所大約會消耗的動能,發現地殼與地函中的放射性元素衰變放出的熱能再加上液態地核具有的熱能,轉換成使地質結構拉伸和推動的能量,根本綽綽有餘。

並且,赫姆斯再重新計算地函與地殼處所含的,以放射性鉀元素為主的物質所含的劑量和衰變時可放出的熱,發現剛好可維持地底"每深1公分就高0.00032度C"的溫度梯度,不至於因為每年地表所會散失的熱能量60 calories/ mL,而使地函處沒辦法保持約300度C的環境溫度。

經過上述的分析研究,赫姆斯發現液態地核內的高溫熔融物質及熱能量大小,確實遠大於其藉由一般傳導、輻射和對流等方式所散失的熱能量;而且,藉由計算地底的溫度梯度及放射性元素衰變時所生熱之大小關係,可以發現這股熱能會因地殼與地函中的放射性元素衰變、放熱,進而一直被保持著。因此可以使赫頓所說的岩漿熱能量,源源不斷地產生、輸出達地表。

因此,赫姆斯得出一個重大的結論:液態地核內的高溫熔融物質及熱能量大小,遠大於其藉由一般傳導、輻射和對流等方式所散失的熱能量;雖然岩漿在遇到地殼會因為岩漿噴發、熱傳導的因素導致熱量散失,但由於地殼中的放射性元素在衰變時也會放出熱能,所以岩漿的熱量不至於散失太多而凝固,而是能夠源源不斷地在地殼與地核間持續著上湧、放熱結晶、下沈過程的循環,行成一個熱流體的對流循環。這股熱對流的能量,即會導致大陸漂移等現象。

也因為赫姆斯的研究結論中畫出的大陸漂移模型,是利用岩漿的熱對流流動而造成大陸陸塊變化的,所以赫姆斯預測會在地球某處找到,因熔岩對流上湧、拉伸產生的陸塊張裂和隆起處,並且,也應該能夠找到因熔岩對流而使陸塊相互擠壓及下沉的位置。

圖9. "地函熱對流說"中,大陸陸塊何以被熱流液體的對流撕裂與推拉開之示意圖。

圖片來源:提出"地函熱對流說"的原論文 <Radioactivity and Earth Movements, by ARTHUR HOLMES in 1929> pp.579

圖10. "地函熱對流說"中,熱流體從地核上湧、在全球的對流循環之示意圖。

圖片來源:提出"地函熱對流說"的原論文 <Radioactivity and Earth Movements, by ARTHUR HOLMES in 1929> pp.578

"所以,我所推測出來的所有熱對流機制,可以被畫成這兩張圖。"聊到這裡,赫姆斯和霍普金斯已經走到了赫姆斯的研究室內,赫姆斯隨即拿出了他所繪製的,被他稱作"地函熱對流"(假說)學說的機制示意圖,這兩張示意圖如下方的圖所示。

"太厲害啦!赫姆斯!沒想到你這一陣子除了系所上的事物,居然還寫出了這麼棒的研究論文。"聽完及看完赫姆斯的<放射性與大地的移動>(<Radioactivity and Earth Movements>)中,關於"地函熱對流說"的草稿後,霍普金斯不禁拍案叫絕。

"我的這項研究是奠基在地質學前人的想法上啦!所以,我覺得我是'站在巨人的肩膀上'啦!"面對霍普金斯的稱讚,赫姆斯忽然摸著頭、害羞起來。"照我這個假說推測下去,我覺得,應該往後能在地球的某處,找到因為熱對流而使得陸塊被拉張開、使岩漿大量湧出和隱沒至地底的位置,雖然這方面的地質結構,好像還沒有被人在學術報告中指出來,但我有信心未來能找到,所以,我想先把這篇文章,發表於地質學會的刊物中!"

"我覺得這是個不錯的主意,相信你能發表順利的。"霍普金斯如此回覆到。

赫姆斯的影響

在1929年,赫姆斯將他的"地函熱對流"學說,撰寫成<放射性與大地的移動>(<Radioactivity and Earth Movements>)一專文,發表於格拉斯哥地質學會(the Geological Society of Glasgow)的學術刊物上。他的這篇文獻,可以說是大大地幫助現在的地質學者們,建構了一個如何解釋大陸漂移、造山和岩石形成等地質作用的動力源的模型。

然而,就在赫姆斯構思"地函熱對流"學說的這幾年,已經飛往大西洋另一端的美國的古騰堡(B. Gutenberg),在1926年從震波圖發現,地表下約200至250公里深處出現地震波異常降速的低速帶,並直至1959年陸續發表相關的論文,用地震波的觀點,證明了這個巴雷爾、喬利和赫姆斯口中的、地下的高溫、保持熔融態,而且具有熱對流性質的位置真的存在;並參考1914年-1915年,美國的地質學者巴雷爾(Joseph Barrell)的研究,將其稱為"軟流圈"。

響應了赫姆斯的"預言"的地質發現,還不只一件 - 在1959年,希森(Bruce Charles Heezen)和薩普(Marie Tharp)夫婦在為美國海軍繪製,用聲納探測海底得地形圖時,發現了中洋脊(Mid-Atlantic Ridge),並在1962年海斯解釋了中洋脊的張裂動力,應該是來自軟流圈受熱對流拉張而產生。1971年摩根(W. Jason Morgan)發表了地函熱柱理論(Mantle Plume Theory),在此理論中,通過分析地球上的三大地函熱柱點,確認了地函中的熱對流的確緩慢地將熱從地核攜帶至地表,進而妥善地證實了拉張出中洋脊的熱對流之熱源來自何處?

到了1960年後,因地函對流、軟流圈的發現、海底擴張學說和地函熱柱理論的提出,韋格納的大陸漂移說中,原來不清楚的大陸分裂動力獲得了解決。