科學家發現地函中生成的礦物封存了大氣

Storyteller/蓋瑞王   Painter/蓋瑞王

鈍氣循環示意圖:研究發現鈍氣,像是氬氣(Ar)及氖氣(Ne),可藉由板塊隱沒作用,從地表大氣進入地函之中,再循環至地表。

我想大家應該都吃過果凍吧。打開果凍封膜,將果凍倒出,你偶爾可發現果凍裡有些小氣泡被包住,那是果凍在製作過程中不小心被捕捉的無辜氣體。(最近剛好要過年了,你忘記果凍有這些小特徵的話,去搶你家小朋友的果凍看看。)在自然界中,也有這樣的狀況出現,事情就發生在礦物之中:礦物在結晶的過程中,偶爾會不小心把一些空氣包進去;而科學家發現,這些被包進去的氣體,可以告訴我們地殼活動由生至死的過程。

 

看氣體如何流浪

我們平日呼吸的空氣,不只有氧氣,也包含了許多種氣體的總和,包含了二氧化碳及氮氣,也包含了氬氣以及氖氣。隨著呼吸,我們的肺臟將大氣中的氬氣與氖氣帶進體內又帶出,形成一股循環;而地球本身也能將大氣帶進地球內部再循環到地表,只是一次循環的時間比我們的呼吸周期長許多。

地球科學教授Suzanne Baldwin與Jayeshkumar Das在國家科學院院刊中發表了一篇名為「氬氣及氖氣藉弧前循環作用從地函深處回到地球表面」的文章,就是想要闡述這兩種鈍氣從地表帶至地底,最後再回到地表的過程。

氬氣及氖氣自太陽系於46億年前的混亂氣體與塵土團中誕生時,就已經存在,且其化學性質穩定,不會與其他元素反應。「因為鈍氣不與其他元素反應,它們能成為了解地球及其大氣的地球化學演化之絕佳示蹤劑」Baldwin說。氬與氖各有其同位素,「藉量測從地函而生之礦物中,所含氬與氖同位素組成與含量,可以讓我們了解這些鈍氣從哪裡來」,Baldwin說明,「當礦物於地函中結晶而生,他們同時捕捉了氬及氖原子。」

 

遺留的足跡透露整段流浪史

地球可被分成幾層,最外一層為地殼,緊鄰下方為地函的最上部,它們共同組成了板塊。板塊之間會緩慢的相互移動,而在所謂的聚合板塊邊界處(convergent plate boundaries),會發生某板塊隱沒至另一個板塊下方之現象。在好幾百萬年的活動之下,最表層的地殼可被帶至地函深處;其中的礦物會在隱沒過程中改變元素組成及結構,並可能在未來某日與其他於地函而生的礦物一併帶至地表。

Baldwin的團隊就在太平洋西南方的巴布亞新幾內亞(簡稱巴紐)發現到這種隱沒-抬升的循環過程:他們觀察到巴紐東方的岩石來自澳大利亞板塊,其中記錄到目前在地表礦物,原來生成自800萬年前的超高壓環境,深度大約為90公里。

藉由研究於現今巴紐採集到的礦物中,氬氖同位素組成與含量,Baldwin與Das可以鑑定出這兩種鈍氣的來源。「研究結果指出,氬與氖可以保存在地函之中」,Baldwin表示。

她進一步解釋:「礦物中包含大氣中才有的氬及氖,表示大氣氣體可隨隱沒作用帶至地函,並於超高壓環境下被保存在礦物之中。不只如此,當這些礦物於隱沒帶的弧前環境出露後,礦物可能在幾百萬年的外營力作用下崩解,並重新釋放出這些氣體回到大氣之中。」

這聽起來似乎有佛學的味道,一種生死輪迴的概念。有趣的是,那些宗教名師或許是從有生命的物體中參透到,我們這些理性的科學家們也能從無機物中體會到大自然的奧妙啊!只是看著我手中已打開的果凍…我思考著:我能不能從包進去的空氣重新檢視果凍製作的過程啊?(科學病發作…)

 

對原文章有興趣的朋友請參考:

Scientists find atmospheric gases trapped in minerals that are crystallized in Earth’s mantle, Geology page, 2015.12.11

 

延伸閱讀:

用鑽石一窺地球過去》-蓋瑞王