板塊構造學說在地球科學中一直是個熱門話題,當兩個板塊互相碰撞之後,山脈常隨之形成, 喜馬拉雅山脈-便是目前最顯著的例子。另外還有亞洲的烏拉山、北美的阿帕拉契山、歐洲的阿 爾卑斯山等,不過這些山脈在碰撞時所遭受到的壓力比喜馬拉雅山脈要高些,形成的年代也早得 多。

兩個板塊互相碰撞的同時,在接觸帶上往往產生巨大的壓力,使得岩石發生變質作用,這些受 高壓作用而變質的岩石中,若有鑽石與柯矽石(coesite)的出現,我們又稱它為"超高壓變質岩", 這是因為鑽石與柯矽石必須在相當高壓的環境之下才能形成。如此高壓的環境顯示超高壓變質岩 應曾經隨板塊隱沒到至少100公里(三十億Pa,相當於30,000大氣壓)深的地底下,隨後又上升 到了地表面而被人們所發現。

最近在歐亞大陸與非洲的山脈中,地質學家發現一些微小的鑽石與柯矽石,他們被包裹在化學 上抗改變能力強的石榴子石、斜輝石、鋯石之中。另外、在哈薩克所發現的微小鑽石顆粒,經由 同位素13C/12C的測定,發現這些鑽石的前身應是生物性物質,而超高壓變質礦物群顯示出母岩 的岩性為靠近地表的大陸地殼。鑽石的出現,代表這些超高壓變質岩是來自至少100公里深的地 底,這樣的深度,碳元素才會形成高壓下安定的鑽石,而非低壓下安定的石墨。如此一來,顯示 部份大陸地殼與海洋地殼曾經隱沒到上述深度,然後又回到了地表。這樣的看法對於過去的板塊 學說乃是新的挑戰。

但是,上述的新看法也引發了一些問題:鑽石與柯矽石是高壓下穩定的礦物,在常壓下是處於 假穩定狀態,為何它們從地底深處上來的過程沒有轉變成低壓下穩定的石墨與石英?最近的研究 結果顯示,當板塊向下隱沒至地底深處時,岩石會將所含的水份釋放出來,使得礦物相轉變的速 率減緩。因此,當超高壓變質岩向上抬升至地表後,高壓相的鑽石與柯矽石雖經歷了相當長的一 段時間卻仍未轉變為低壓相的石墨與石英。

下圖說明了超高壓變質岩的可能形成過程:當板塊向下隱沒至上部地函的深度時,岩石發生再 結晶作用,使得石墨與石英相變成鑽石與柯矽石而形成了超高壓變質岩。之後由於在下插的海洋 板塊與其後方連接的大陸板塊接合處發生斷裂,且因大陸板塊比重較小產生浮力而使其向上抬 升,漸漸的使超高壓變質岩露出地表而被人們所發現。由隱沒至露出地表共約經歷了1~2億年。

 

目前為止,以粒間形式存在的柯矽石含量非常稀少,但在中國大陸東方的蘇魯地區超高壓變質 榴輝岩帶發現了如此產狀的柯矽石,這些柯矽石沒有被其他礦物所包裹,其相轉變成石英的程度 也不一致,這些現象再加上蘇魯地區的變質輝長岩與變質花崗岩仍殘存原生的火成礦物及組織, 顯示隱沒至抬升到地表這將近2億年的漫長時間,岩石缺乏水分致使礦物相變速率減緩應是造成 礦物相殘留的主要因素。另外,在南非金伯利岩中的榴輝岩捕擄體,其矽酸鹽礦物同位素 18O/16O值相當低,顯示與這些榴輝岩捕擄體產生交互作用的水溶液乃是天水(雨水、河水、地 下水),我們可推測這些榴輝岩捕擄體的原岩是在靠近地表的時候與18O/16O值低的天水產生交 互作用,使得矽酸鹽礦物中18O/16O值和天水大致相同,而當超高壓變質作用發生以後,兩者的 交互作用便被阻絕了,因此超高壓變質岩中的矽酸鹽礦物便記錄著與天水相當的18O/16O值。上 述的情形,恰好印證了蘇魯地區的研究結果。

由於最近對於含柯矽石及細微鑽石顆粒的超高壓變質岩之研究,使我們對大陸板塊互相碰撞的 機制有了新的瞭解。未來地質學家必須加強探尋這些微小的礦物包裹體,以對大陸地殼的隱沒及 抬升有更多的瞭解。

摘自:Liou, J. G., Maruyama, S., and Ernst, W. G. (1997) Seeing a mountain in a grain of garnet. Science, 276, 48-49.

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