2013年12月29日 星期日

台灣的地史與「滄海桑田」的真正意義!

 其實,台灣的地史研究由來已久,即便對於各項演化過程的機制仍有一些疑惑,但整體的架構也在過去數十年來的許多學者的努力下,已大致底定,如今我們可以很容易的搜尋到一些地質學者撰寫的圖書與文章,如師大陳培源老師的「台灣地質」一書、台大鄧屬予老師刊於地球科學園地的東北角的往日雲煙一文,以及非常科普化,在陳文山老師網站台灣的地史影片台灣島的大地架構等等。這些知識對於熱中地球科學的青年學子或許是一帖良劑,可以很快的知道台灣島的成因。但一般大眾在閱讀台灣島的地史之前,不妨先複習一下關於各項岩石、地層的知識,或許可以更輕鬆的了解台灣的地史與地層特性,增加我們探索大自然的背景知識與邏輯推理的合理性!

生生不息的岩石循環
最容易在我們身邊觀察到岩石形成的現象,就是沉積的作用,岩石經過風化會讓碎屑逐漸變小,經由河流、風力、海浪等不同的過程移至別處,最後會受重力影響而停留下來,在大規模的尺度中,這類沉積作用最初會以水平沉積為主,而隨著時間演進,越老的沉積物會被埋至深處,因此在沒有任何影響的情況下,地層應該是下老上新、水平的狀態為主。附帶一提,所謂的「化石」,大多也是會出現在沉積岩層中,生物的殘骸隨著沉積物一起被掩埋了。除此之外,沉積岩也是用來進行環境分析的重要指標,沉積岩可能會透露出水流的能量、方向、來源、氣候狀態、海平面高低…等等,簡單來說,就是「地表歷史」的紀錄。

第二種岩石形成現象是偶爾會發生,但有絕大多數是看不見的,就是火成岩,火山作用會造成岩漿噴出地表後再凝固、或是岩漿凝固的碎屑被拋的老遠,像是惱人的火山灰,會影響航班、造成空氣品質危害。當然還有些火成岩是直接在地下形成的,會有結晶、有時還能作為建材,這點大概一般人較容易能理解,就是岩石可融熔成岩漿,也會再凝固成石頭。

第三種就超級抽象,所有的作用都不在我們的眼前完成。原先已經存在的岩石,受到地質環境中高溫、高壓與流體的影響,在岩石仍保持固態的狀況下,其礦物排列情形可能會發生改變(例如:片狀礦物轉成垂直壓力的方向平躺),或者有些礦物結晶會增大、甚至轉換形成其他礦物(例如:本來是含水礦物,變成不含水礦物...所以玉、藍寶石這種只有變質作用下才可能形成的礦物,並不常見),這樣的過程就稱為變質作用,而原先的岩石就轉變形成「變質岩」;可以想見變質岩在(古今)板塊碰撞帶中最為常見。如果原本的岩石是含有化石的沉積岩,受到變質作用後,化石輕則發生變形、扭曲,嚴重點就面目全非、無法辨識。(註)


現今的台灣地質
回過頭來看台灣的地質圖,這是數十年來學者們的心血結晶,一般會將台灣分成5個主要長條的部分,依岩石性質來分的話,是海岸山脈的火成岩、脊樑山脈與雪山山脈的變質岩,接著是西部麓山帶和海岸平原的沉積岩。

台灣地質背景分區示意(摘自東北角的往日雲煙)


除了表面看到構造,台灣的底下其實還另有玄機,為於板塊交界的台灣,地震乃是家常便飯,而隨著板塊學說的建立與完備,配上地質與地震、地球物理的資料,也為台灣島今日的樣貌提供了解答。1986年法國學者Jacques Angelier提出了台灣的大地構造架構,在台灣的南邊與東北邊各存在一個隱沒帶,而中間的部分則以碰撞作用為主,雖然板塊撞過程的細節仍有部分爭議,但這個架構大致已成為學者們的共識,是綜合目前所有的資料後,較為合理的解答。當然,為了更接近真理,科學家仍努力不懈的在進行相關研究,像是2008PTT火紅的新竹地震新聞,就是在進行台灣地下構造探究的震測實驗,就是名為「台灣大地動力學國際合作研究計畫」(TAiwan Integrated GEodynamic Research, TAIGER的研究,要來了解台灣底下的構造(見台灣山根有多深,科學人雜誌)。
台灣的地體構造,修改自Angelier J. (1986)


台灣的地史簡述與現今出露岩層的年代
我們先從脊樑山脈談起,大概在這區塊中,有很多很老的變質岩,它是台灣本島最古老的岩石,為古生代晚期(約2億多年前)的產物,但因為經歷了上述的變質作用,而且還有兩次(另一次等一下會提到)!很難保有當時的化石,甚至連沉積的環境也不明,唯一大約50年前在台灣東部大理岩(變質岩)中找到的二疊紀(古生代末期)紡錘蟲(蜓科有孔蟲)、珊瑚化石。這是該大理岩中唯一的化石發現紀錄(註)
之後就是雪山山脈,當時台灣的西邊正變成張裂的環境,張裂形成的半地塹讓沉積物一直掉進去,然而這已經是新生代(6千萬年前~25百萬年前)之後的事了。接著海岸山脈的火成岩(也是新生代之後的產物),是像蘭嶼一般的火山島弧形成後,逐漸撞上台灣島(這件事發生在5百萬年前左右),讓剛才提到的脊樑山脈再被變質一次,也讓雪山山脈不止被抬升起來,也經歷了輕度的變質,多形成板岩、變質砂岩,在北部不用上山,東北角海岸的鼻頭角以南的地質多以雪山山脈地層為主,海邊就有了!
最後,西部麓山帶指的就是中央山脈以西,大多海拔2000公尺以下的山區部分。這些岩層雖然有時會傾斜、發生褶皺,但實際上沒受到什麼變質作用,以後會隨著碰撞向西傳遞的力量逐漸長高,然後會因風化作用移除上面較年輕的岩層,露出和雪山山脈、脊樑山脈一樣較老的岩層。
至於海岸平原區,代表的是完完全全沒有受到變形的地方,而其年代又十分年輕,基本上以人力能挖掘所及的岩石,頂多到新生代早期,目前所出露的岩石中,連個中生代指準礦物菊石都看不到了,要是看到古生代的化石,那就更匪疑所思了。但要是真的有看到,也請切記不要亂動它,先拍照記錄存證後,記得去找專業的來鑑定,說不定就會一舉登上Nature期刊之類的!
 
白堊紀以來台灣地史(摘自東北角的往日雲煙)

參考資料:
地球科學園地的東北角的往日雲煙

註:斜體文字部分由台大海洋研究所朱美妃助理教授提供建議。


究竟是科學大發現的神秘化石,還是撿到不知來由的標本?

近來一則新聞:三葉蟲化石,虎頭山現蹤。在各大媒體都有類似的報導篇章,也引起不少討論。有人說:台灣本來就是受板塊作用擠壓隆起的,古老的海洋生物三葉蟲當然也有可能在陸上找到;也有人說:台灣島的地史十分年輕,與三葉蟲扯不上關係;當然還有種說法:科學是隨時都會有新發現的!揪竟,這當中存在著什麼樣的謎團,又有什麼的悖論存在其中?且讓我們繼續看下去。

引用自維基百科三葉蟲條目的圖片,作者為Dlloyd,出產地點為中國湖南,體長2.3公分。

我們先來聊聊什麼是化石,維基百科上說的「化石就是生活在遙遠的過去的生物的遺體或遺跡變成的石頭」這句話是無誤的,跟一般生物死掉的殘骸不一樣之處在於,化石是被沉積物埋藏後,經過了成岩作用,大多時候性質都會因長時間的物理或化學作用而改變,只有外貌保留著。我們看到,只是和恐龍骨頭長的一模一樣的「石頭」,反過來說,埋在土裡,剛死亡的骨骸,我們也不會說它是化石。化石也不會只有動物的骨骼、外骨骼等堅硬部分會形成化石,植物也會成為化石,有時被置換成「矽化木」等石頭,而在地面上的印痕、移動的痕跡、甚至動物的「大便」都有可能會變成化石。

化石最大的好處是什麼?我們可以知道過去的時候有哪些生物在這個世界上、而這些生物生長的年代、環境、氣候等資訊也能表露無疑。如果是現生生物的化石,我們就能比較環境的變遷,如果是與現生生物類似的生物,就可以用來研究演化的歷程,而如果是更久遠的生物,我們就可以將這些古生物與演化學研究追溯的更早。當然,有時會有一些化石可以幫助我們知道其存在地層的年代,但這往往不是化石本身能告訴我們的,而化石也從來不是一個最好的定年工具。

為什麼化石不能直接測定年代,其實從其成份與形成的過程來看就可以知道,化石已經經過了長時間的物理與化學作用,已非原始的生物組成成份,其成份應該是和周遭岩石一樣的,因此該測定的是化石所在岩層的年齡。一般都採用「放射性定年」來測定岩石的「絕對年代」,其原理就是利用岩石中某些元素的同位素產生放射性衰變來鑑定岩石形成年代,這種「放射性」當然和我們平常照射的x光、害怕的核電廠不太一樣,非常的微量、衰變也非常緩慢,以碳-14來說,它的半衰期有5730年,每過5730年,母元素就會少一半,所以到了5萬年後,母元素已經變得非常非常少,也就成了其定年的極限。不同的元素也會有不同的半衰期,像是從鈾衰變成鉛、鉀衰變成氬就可用來研究上億年的年代,只不過誤差也會變成是幾百萬年的等級。

雖然化石本身不能定年,但化石仍是建立地質年代表過程中不可或缺的重要的工具之一,如果生物的分布範圍廣、生存時間短,且特徵明顯好認,如果經過絕對年代分析其出現的地層年代後,就可以用作定年之用,譬如我看到三葉蟲,大概就不逃離古生代的範圍,我看到菊石,就知道這個地層可能是恐龍橫行的中生代,這類的化石我們就會叫他「指準化石」。上述這兩種化石尺寸為一般肉眼可見,另外一種更好的指準化石,那就是海洋浮游生物「有孔蟲」,有孔蟲在地層的定年、環境的鑑定甚至應用在找尋石油等地質探索上有極大的貢獻。
顯微鏡下的有孔蟲照片,取自維基百科,原出處為USGS美國地質調查所。
只是,即使我們在利用指準化石來鑑定年代時,其主體是「地層」,而非探究化石本身,畢竟這些指準化石是已經知道其年代的物種,地質學者更感興趣的,是地層的位置、形態、上下邊界等資訊,這些才是真正重要的科學。所以平常在野外調查時,首要的任務是先辨認是否有「地層」存在,如果可以甚至先調閱相關的地質圖資料(不少教科書、地質調查所都會有),並且利用GPS定位、拍照、素描(因為素描可以描繪3D構造,且便於描述地層)等,如果有重要的岩石礦物、化石等物質,在敲下來之前還有兩件更重要的事:第一件事就是前述的拍照與記錄,唯有如此才能證明化石與礦物的採集處;而第二件事,則是「追蹤」,開始追尋該化石的地層,到底向何處延伸、甚至看上下層範圍,即使是有人為的建物阻擋,還是要一一標明。至於要不要敲下來帶回家,其實做完前述的工作,心理應該就有底了,而帶回家不是用作收藏,而是要作各種需要計量化的定年,多以放射性定年為主。通往過去的鑰匙不會只有一把,如果只出現一個證據,以科學的角度來看,我們理應先懷疑那個證據的合理性,而非用單一證據來推翻前人心血的結晶。
或許你會著迷於地質鎚的威力和帥氣,但實際上,量測與記錄才是更重要的關鍵。
很可惜的是,由三葉蟲這個系列的報導我們僅能知道,化石是來自桃園虎頭山的某處,不知道處於原先認定何處的地層,更不知道是否為原先存在於本地,抑或是後來隨著外地來的建材、失落的標本等人為的因素造成。地質學家或古生物學家的工作,就如同偵探或刑警一般,需要綜合各種不同的資料來剖析,抽絲剝繭的找出最接近真相的答案。隨著沒有其它的紀錄下,單單被搬離案發現場的「屍體」,第一手訊息早已被破壞,現在再來討論各種可能性,只剩一堆看熱鬧的人你爭我吵,即使是專業的地質學教授,也只能依他所學的告訴你:台灣真的沒有這麼老的沉積岩層。因此,無論是哪一家媒體的報導,也只是變成以科普作為包裝紙,但由於科學事實早已隨化石離開現場而消逝,實質內容只是一般社會或綜合的新聞而已。

「現在是通往過去的一把鑰匙」是地質學之父赫登的經典名句,也是許多學習地球科學的人們耳熟能詳的句子,這句話甚至也被編進中學的教科書中。依現今的自然現象,搭配上出土的各種地質紀錄,可以帶領我們走進地球的歷史,一探過去,然而若是拿錯鑰匙開錯門,你通往的,可能只是臆測的野史,而非地球的真相。別以為科學就是「什麼都有可能」的無限上綱,回過頭來,我們更要先審視所有已知的理論,檢驗其正確性,這樣有如站在巨人的肩膀上,卻無視自己是因巨人才能看得如此遠。

關於台灣地史的簡略,您可以看這篇:台灣的地史與「滄海桑田」的真正意義!