作者:龎鈞翰

審定:鄭弼升、嚴天浩

海斯的經歷

圖. 海斯在課堂上的照片。

圖片來源: www.geolsoc.org.uk/Plate-Tectonics/Chap1-Pioneers-of-Plate-Tectonics/Harry-Hess

20世紀的前葉,由於地震儀的發明以及放射性元素的發現,地球科學家們紛紛開始投入地球結構剖析的相關研究,其中以1920年代的赫姆斯提出之"地函熱對流假說"可以說是最具系統與組織系的相關學說,也是在當時最能有條理地以地函熱對流解釋大陸分離與地質作用的學說。該學說指出,ㄊˇ這股熱對流的能量,即會導致大陸漂移等現象。另外,會被軟流圈中的岩漿拉張開的"岩石塊",被地質學家統稱叫做"岩"板塊"。而這些板塊,則組成了一整區浮在軟流上的硬質岩石區,地質學家將其稱為"岩石圈"。並且科學家運用放射性元素定年法測量到最古老的岩石大約距今45億年,所以推定地球存在的年齡大約45億。

然而,地函熱對流假說若要能夠被確認成事實,必須在地球表面上找到板塊被拉張開的位置,以計板塊被熱對流推入地函處的位置,但很可惜的是,赫姆斯再當年並沒有辦法找到相應的證據。

到了20世紀中葉,解開這個謎團的證據,終於要被熱衷於海上冒險的地質學家-海斯給發現,並繼承赫姆斯的遺業,將大陸漂移說的動力來源解釋清楚了。

海斯出生於1906年的美國紐約市。在1927年海斯進入耶魯大學的電機系,但他中途因為對地質學產生了濃烈地興趣,因此轉入了地質系就讀。雖然他在地質系上學習的過程相當坎坷,甚至一度在礦物學課程中被教授當掉,仍不改他在地質學領域勇往直前的志向。在1931年於普林斯頓大學(Princeton University)就讀研究所的海斯,參與了西印度群島的調查計畫時,和美國海軍的潛艇部門結下緣份。

1932年海斯在普林斯頓大學取得了博士學位後,在接下來的三年間,分別在羅格斯大學(Rutgers, The State University of New Jersey)和華盛頓特區的地球物理實驗室(Geophysical Laboratory in Washington, D.C.)的擔任了教職與研究助理等職位,雖然到了1934年,海斯回到了母校普林斯頓大學執掌教鞭,並在1938年以美國軍方堤供的水下資料,發表了他的第一份關於島弧及其起源的研究論文;不過,1941年因第二次世界大戰的緣故,感到國家興亡匹夫有責的海斯,只好投筆從戎、暫時離開學術崗位,到他所熟悉的美國海軍髦下服務。

圖 海斯所服役的美國戰艦 - 傑森岬號照片。

圖片來源:www.ibiblio.org/hyperwar/OnlineLibrary/photos/sh-usn/usnsh-c/ap172.htm

"長官!這麼晚了您還不休息,怎麼仍盯著聲納圖看啊!"1945年的夏日,馬尼拉近海附近的美國戰艦 - 傑森岬號(USS Cape Johnson, AP-172)裡,與艦長海斯(Harry H. Hess)私交甚好的船員湯姆,夜半發現了仍在聲納監測室中觀看掃描圖的海斯,便走上前去關心。

"湯姆啊!要不是監測員臨時跑廁所讓這裡只剩下我一個人,身為艦長的我看到你已到就寢時間仍在這裡晃,我肯定得訓你一頓,不然顯得我沒有長官的威嚴!"看到夜半起床關心的湯姆,刀子嘴豆腐心成習慣的海斯,仍是先裝兇訓斥了湯姆一頓。

"抱...抱歉長官!"被嚇了一跳的湯姆,立刻回以一個軍隊中的典型敬禮,便不敢輕舉妄動。

"好啦!既然你都來了,那讓你看看我所發現的有趣現象吧!"海斯將受到驚嚇的湯姆哄到了聲納儀前,開始了他"教授模式般的說教",向湯姆講述他在聲納儀上的有趣發現。

"報告艦長,我有些睏,還是先去休息好了!"僅有高中學歷的小船員湯姆,實在受不了海斯那"外星語"般的嘮叨,便以睏意濃烈為由打發了海斯。"長官,您也早點休息啊!"

雖然暫時離開了學校教職員的位置,不過轉換成了軍隊的生活環境,也熄滅不了海斯心中對於地質學的熱情 - 他總是讓他所服役的傑森岬號上的聲納系統保持開啟狀態,美其名是為了監測海上的戰情動靜,但讓人更加容易相信的理由,卻是他可能想從這樣不停歇的海底掃描,來一睹海底地形的神秘樣貌。

海斯的發現

在第二次世界中,英、美等國的海軍用雷達和聲納收集來的海底資料多采多姿,讓時時想關心"海底新鮮事"的海斯驚喜連連。其中最讓海斯印象深刻的,便是美國海軍的偵查部門和美納(Menard)等人,發現大西洋的中央有一個高聳又狹長、中間有一大裂口,而且橫跨大西洋南北端的區域,雖然這個令人驚喜的探測結果,從1925年開始,各國的船隻就有因聲納資料,而陸續回報類似的訊息,但在比對了1950年由莎普(Marie Tharp)等人繪製出的全球海底地形圖,海斯和美納(Menard)等人發現,全球較大面積的海洋底部,在遠離大陸區塊的位置,均有這種地形分布,這種地形因此被命名為中洋脊(Mid-ocean ridge);

中洋脊示意圖

全球中洋脊分佈圖

更令人感到詫異的是,根據地震波的探測,在中洋脊的裂口中,地震波的波速從在地殼中約6.0 km/s的速度降為約4.0km/s。這種綿延數千公里的奇特地形在以前從來沒有被人發現過,引起了海斯的興趣。

在初步調查並了解中洋脊的地質特性時,海斯和萊特(Raitt)等人在1958年使用地震波進行探測時發現,中洋脊上以及周邊的沉積物有不到1 km左右厚,而遠離中洋脊的海洋沈積物則大約有2~3km厚,於是海斯又進一步的翻閱關於前人對於海洋沈積物所做的研究,而根據前人的研究,海洋沈積的速率大約是5 mm~20 cm/1000 年。

因為根據地球的年齡來推算,並且依照最慢的沈積速率5 mm/1000 年來算,45 億年的海洋沈積物至少要有22.5 km厚。退一萬步來說,就算算上沈積物會因為壓力和重力而壓縮掉一半的體積,也至少有10~20 km厚。相較之下,中洋脊附近的沈積物厚度實在太薄了,這代表中洋脊附近的海洋地殼並不是在地球之初就存在,是在之後才生成的。

對於中洋脊被偵測出來的各種特殊性質透漏了什麼神秘訊息?以及它何以產生的謎團?身在海軍中的海斯一直耿耿於懷,所以海斯便決定,他若重回地質學術界的研究岡位的話,第一件事就要用他有的地質學專業知識,來拼湊這地質作用與中洋脊的關係。

圖.中洋脊與周遭海底沉積物厚度示意圖(虛線為沈積物底部)

圖片來源:”History of Ocean Basin” by H. H. Hess

圖 正在繪製海底地形圖的莎普女士。

圖片來源:www.twitter.com/eveyeti/status/872816496019464192

圖 莎普女士所繪製出來的海底地形圖。

圖片來源:www.topophilia.com/2016/09/15/marie-tharp-mapping-the-ocean-floor-2-books-one-podcast/

圖 世界上主要的中洋脊分布圖。

圖片來源:www.thoughtco.com/map-of-the-mid-ocean-ridges-1441097

於是在第二次大戰結束後,海斯返回普林斯頓大學地質系上對中洋脊作深入研究。

海斯在看到中洋脊居然在世界各大洋都有它們的存在後,便開始思考,這樣的地形若在遠離大陸區的海底普遍出現的話,絕對不會是巧合,所以,海斯認為勢必有某種原因導致了這個特別的現象。

在海斯思考著中洋脊產生的原因時,赫然讀到了幾篇啟發他解釋靈感的前人研究。第一個便是當代地質學者的共同基礎-火成說。18世紀末,蘇格蘭地質學家赫頓在他的火成說中,曾說明過岩漿會從地面的裂口湧出,冷卻後就會產生新的岩石,中洋脊的岩石構造如此地高聳且厚實,海斯便想到或許與岩漿大量冷卻再形成岩石有關。

圖. 火成說示意圖。該學說指出了,岩漿(Magma)是產生岩石和造山等地質現象的原因。

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

第二篇是或許可串聯起火成說與軟流圈和中洋脊之產生的學說 - 赫姆斯的"地函熱對流學說"。英國地質學者赫姆斯(Arthur Holmes)在1928年提出了"地函對流學說"(Mantle Convection),此學說曾指出,軟流圈的熱對流會將其上方的板塊拉張開,產生一個能夠直接連接到位於地函的軟流圈的裂口。

對應到海斯觀察到的中洋脊的裂口內,地震波從在地殼中約6.0 km/s的速度降為約4.0km/s,這可能就是因為裂口處是接近高溫的地涵甚至是岩漿,由於高溫導致了物體變成了熔融態而使得波速產生驟降的現象。

並且根據沈積物的堆積厚度來看,存在越久的地殼理論上應該會觀察到越厚的層積物,而中洋脊附近的層積物如此的薄,代表此處的岩石比起離中洋脊較遠處的地殼,應該更年輕。

再加上中洋脊中央裂口旁高聳的岩石,海斯便想到中洋脊的形成,或許和地函對流假說中的岩漿湧出位置有干!

圖 赫姆斯所提出的"地函對流假說"之示意圖。在流動的熔融態地函上的板塊,會被極度高溫的熱流體拉張開。

圖片來源: www.see.leeds.ac.uk/structure/dynamicearth/convection/models.htm

海斯的聯想與假設

於是海斯假設,中洋脊是由於板塊間受到底下的岩漿熱對流而張裂,在張裂的過程中岩漿會從地涵湧出冷卻堆積形成中洋脊高聳的山脈,而中洋脊的裂谷即是板塊張裂的邊界。由於中洋脊的岩石是剛新生成的,所以其受到沉積作用的時間比較短,進而會有比較淺的堆積層。

海斯為了證明他的想法,他假設,若中洋脊是板塊被熱對流拉張開的位置的話,應該可以在中洋脊上方找到一個能偵測到高溫熱流體訊號的裂口;再者,中洋脊周邊的礦物形成年代經過定年檢測應該會是最接近現代;最後中洋脊周邊的地質遺留物,應該會是相較於海底的其他區域來說最為年輕的。

海斯便依據上述的想法,收集相關的文獻和調查資料後,發現了以下的現象 -

第一,在熱流調查結果方面:根據1956和1959年巴拉德(Bullard)、馬克士威(Maxwell)、雷維爾(Revelle)和馮-赫爾岑(von Herzen)所撰寫的告指出,在中洋脊頂峰的裂口中,都有接受到溫度異常之高的熱流訊號(主要以熱湧泉的形式出現),這顯示了中洋脊的底部是直接與軟流圈相接的。

第二, 在海床礦物放射性元素定年方面:根據1946年庫嫩(Kuenen)和美納(Menard)等人的研究,中洋脊附近的海洋地殼的年代幾乎都集中在1~2千萬年之間,最早也不會先於白堊紀晚期,比大陸地殼約25~10億年左右的年紀年輕了許多

第三,分布在海床上的化石種類也指出同樣的現象。尤其是中洋脊周邊地化石甚少,而且也只能採集到較近代的生物化石和礦物種類。由此可證明,中洋脊周邊的岩石應該是由較近代湧出的岩漿冷卻形成的。

海斯經由上面一系列的實驗與研究,得到了一個結論 - 中洋脊確實是由軟流圈中岩漿的熱對流,將板塊拉張開並湧出大量岩漿、冷卻後所形成的!並且從中洋脊延伸出去的、由岩漿凝固成的岩石,會再慢慢類累積成海洋地殼。

然而作為"板塊產生中心"的中洋脊的發現也產生出了一個問題?難道地表上的岩石,會因為中洋脊不斷地湧出岩漿並冷卻形成岩石,而不斷堆高的嗎?

海斯因而聯想到赫姆斯的地函熱對流學說中,曾"預言"地底的岩漿在將板塊拉張開後,應該也會在某個地方,讓熱對流將板塊推入地底把岩石熔化掉,因此,從中洋脊不斷產生的岩石可能會在地表的另外一處隱沒入地球內部,而不會在地表上無限的增加。

於是海斯開始著手調查更多中洋脊兩側的地形,他發現對稱於中洋脊裂口的遠處,在美國及英國海軍在鄰近南美洲安地斯山脈的西側,發現了緊貼安地斯山脈、狹長且深似峽谷的凹口,而對稱於安地斯山脈鄰近海底"深谷"的西側遠處之紐西蘭東部外海,也有這種海底"深谷"。並且,這樣的地形特徵,在第二次世界大戰後,在莎普等人繪製出的全球海底地形圖後,也在圖上被發現出現於日本、台灣等島嶼的東部外海和印尼爪哇西部外海等地。這種地形後來被稱之為海溝(Ocean Trench)。由於,這些海溝是如此地狹長,並且只要有海溝的地方都能在緊鄰處,觀察到平行海溝的狹長山脈或火山群。

圖 世界上主要的海溝分布圖。

圖片來源:www.slideserve.com/micah-ross/chapter-4-continental-margins-and-ocean-basins

觀察到這種特殊地形的海斯馬上想到,這個海溝的凹陷地形會不會就是赫姆斯曾預言的岩石隱沒處。於是海斯假設板塊底下岩漿熱對流推動地殼,而板塊間因為這個推動造成了擠壓與下沈,於是在板塊下沈處會產生像是海溝這樣的深谷地形,而由於板塊在下沈時會與其他板塊產生擠壓,因而同時會因為岩石被擠壓隆起而產生山脈地形。

海斯的驗證與結論

依照海斯的假設,若海溝與鄰近山脈是板塊隱沒與推擠所造成的話,應該可以在海溝周邊找到受到長時間推力擠壓所形成的岩石,而且海溝周邊的地質遺留物,應該會是相較於海底的其他區域來說最為古老的。海斯為證明他的假設有理,故進行了下述的分析研究。

第一,海斯經分析海底地形圖發現,全地球的海溝位置均不是位於中洋脊的鄰近區域,而且這些區域無論水下或鄰近陸地上,均發現附近的地質組成成分是由受到擠壓與高溫作用變形與在結晶的沈積岩(變質岩)為主;而且,這些海溝的周邊區域常發生,因為地下深層的板塊摩擦而導致的深層地震,可見這些位置長期受到板塊沒入軟流圈的推壓力量影響。

上圖左為頁岩(沈積岩),圖右為頁岩經過高溫高壓後形成的片麻岩(變質岩)

變質特徵為紋路發生扭曲以及具有較大鑲嵌狀或晶狀顆粒

圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/页岩

圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/片麻岩

第二,海斯分析採集到的、海溝周邊的礦物和化石後發現,海溝附近的化石量較多且古老,而海溝周邊的礦物定年起來,也相較於海底的其他區域古老許多。因此可以推測,較古老的板塊應該是在海溝附近的區域消失的。

海斯彙整上述的研究結果,在1962年以<海洋盆地的歷史>作為論文名稱在地質學界發表他的跨時代發現。在這篇論文中,海斯提出了一個模型來解釋地球表面陸塊和海洋的產生,後人稱之為"海底擴張學說"(Ocean Floor Spreading)

其中海斯提出板塊會因為地底的岩漿對流而移動,進而造成板塊間會有張裂跟聚合的現象。在板塊張裂處,岩漿會不斷的湧出再冷卻形成岩石與中洋脊,而這些不斷形成的岩石會因為板塊的持續張裂而向張裂處(中洋脊)兩側移動,最後這些向外擴張的岩石與板塊因為碰撞到另外一塊板塊而下沈回到地涵。而碰撞後板塊下陷處的低窪地區則形成了海溝,碰撞後另一塊未下陷的板塊則因為受到擠壓而形成山脈。

圖 海底擴張學說中,熔融地函流體推動推動陸塊移動再隱沒的整體運作模型圖。紅色的箭頭為熔融態的地函之流動方向;藍色箭頭為陸塊因被地下熔融物質推動,而產生移動的方向。

圖片來源:www.thinglink.com/scene/891759050889363457

後世的地質學者們也延續了海底擴張學說的研究,發現板塊隱沒入地底的位置-海溝,除了海斯在<海洋盆地的歷史>一文中描述的,具有深層地震和受到擠壓與高溫作用變形與在結晶的沈積岩(變質岩)地質結構外,也因為板塊隱沒、板塊互相摩擦造成極高的熱能而產生岩漿、將火山擠壓出來,進而在鄰近海溝的位置產生了火山密集分布的"火環帶"(Ring of Fire)。另外,關於板塊因熱對流而被拉張開的現象方面,現今的地球科學家也發現淺層的地震,是因為軟流圈中之熱對流拉張板塊而引起的,而東非大裂谷、冰島裂谷和中洋脊等就是這種拉張最用在地表下留下的地形證據。另外,現今的的地質學家也發現,海溝所存在的位置,剛好也是浮在軟流圈上的板塊與板塊間之邊界,而地球上所有陸塊正好也是由世界上主要的7大板塊構成的。

圖 因為板塊隱沒入地底,而產生火山及海溝的示意圖。

圖片來源:www.commons.wikimedia.org/wiki/File:Volcanic_Arc_System_SVG_en.svg

圖 位於太平洋的海溝與火環帶的分布關係。

圖片來源:www.britannica.com/place/Ring-of-Fire

海斯的影響

因為在1950年代末期和1960初年代,有著赫姆斯的地函對流學說和海斯的海底擴張學說等理論的提出,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;今天用以解釋地震與地質結構的"板塊構造學說",也是由這些學說拼湊而成。可以說,海斯的確為現代的地質學發展做出了卓越的貢獻啊!

而且地球科學家在後來的研究中也發現,海底擴張學說中的板塊聚合和分裂,也是引起雷德所提出的彈性回跳學說中,擠壓斷層周邊岩層引起岩層斷裂,進而引發地震的力量來源。