中央研究院週報 第0592期 1996年09月27日

東南印度洋脊上的"冷"異常

郭本垣

一覽世界上最龐大的山脈系統,得先潛水1000米。一般被地球物 理學家稱之為「中洋脊」的鍊狀山脈貫穿三大洋和北極海,綿延六萬公里,全長是赤道圓周的1.5倍。中洋脊是地表板塊的邊界,洋脊的兩側分別屬於不同的板塊。「板塊理論」便是奠基在板塊由洋脊向兩側漂移的觀察上。由於板塊的張裂,滾熱的地幔物質上湧形成新的板塊和海洋地殼,又因為各地區洋脊的擴張速率不同,洋脊的 物理性質與地形也呈現不同的面貌。在大西洋中間呈南北走向的洋 脊擴張的較慢,兩邊的板塊移動速率約為1-2 cm / yr(公分/年) ;因此,在表層地幔較冷且岩石圈較厚的情況下,大斷層往往切割 地殼成陡削險峻的岐嶇之地,地震活動頻繁。相較於此,在東太平洋的洋脊則屬於中快擴張型,板塊移動速率4-8 cm / yr。由於淺部地幔比慢型洋脊來得熱,岩石圈較薄,斷層規模小,地震活動不多,地形起伏也較平緩。在這兩個極端型態之間存在著各種混合型 ,我們最近研究的澳洲-南極之間的「東南印度洋脊」正是一種奇異的混合型。

東南印度洋脊全長約6000公里,是橫亙印度洋的叉狀洋脊中的一支,由中印度洋綿延到紐西蘭南方與「南太平洋脊」相會。在此區 ,板塊移動速度約4 cm / yr,較接近太平洋型,地形起伏大致平緩,斷層規模也不大,展現正常的中快型特徵。但在澳洲南方約500 km長的一段,卻突然展現"冷"的特徵,脊軸被各種斷層支解成碎塊,地貌岐嶇,地震頻仍,因此稱之為「澳洲南極錯亂帶」。因為冷縮熱脹,錯亂帶的脊軸遠比一般洋脊來的深。沿著東南印度洋脊的剖面來看,地形由洋脊兩端緩緩向錯亂帶傾斜,在錯亂帶達到最低點。

為什麼一條"熱"洋脊上有如此大規模的"冷"異常?事實上,洋脊上的冷異常並不多見。目前人們懷疑在南太平洋脊上也有類似的冷異常,雖然其規模遠小於我們研究的區域。相反的,熱洋脊上"熱" 異常的例子倒是很多;如果地幔熱柱(plume)靠近洋脊,會加強洋脊的熱訊號,如地形更加隆起,甚至產生火山島。

目前關於冷異常的成因有各種不同的說法,但一般認為沿軸的地 幔流場是主要機制;或是因為約100百萬年前澳洲脫離南極向北飄而引起的側向地幔流,像渠成後引水而至一樣;或是因為東南印度洋脊兩端的一些地幔熱柱強加在沿軸方向的流場;或是二者的組合,都可能引起沿軸而大致東西向的對流。兩端流來的物質在錯亂帶下方匯聚,自然下沉而冷卻此處的地幔。這些機制的研究才從紙上談兵進化到數值模擬,因此結論尚早。現階段我們比較關心的是在典型板塊理論架構下與海床擴張同步的截軸大對流圈上疊加沿軸的小對流圈會有甚麼後果,或者,這些後果如何表現在地球物理的觀測上。用地球物理的方法把冷異常描繪出來便是第一步。

我們度量地震波的速度,並模擬地形與重力資料來探討上地幔中冷異常的可能型態。最後,我們發現,為了滿足觀測與理論,上地幔中非得有一個高地震波速,即高密度或低溫的狹長構造不可,其由錯亂帶附近向北延伸至少1000km,即將要伸到澳洲大陸岩石圈下方。這個觀察是前所未有的;呈長條型的冷異常大致與洋脊主軸垂直,暗示其成因又與海床擴張脫離不了關係。我們推論,凡是中洋脊附近的構造,都會隨著海床擴張的大對流圈傳遞到洋脊以外的地方。事實上,在傳遞的過程中,任何溫度構造都會因自身引起的對流而逐漸消失,消失的速率是與此異常結構的尺度有關。以錯亂帶的尺度來看,1000公里的旅程頗符合理論上的推算。

在國際上,因為天時、地利、人合的關係,中洋脊的研究一直都 集中在太平洋和大西洋,然而近年來,越來越多的航次到印度洋來 收集錯亂帶附近的海洋地球物理資料,包括震測、鑽井、地形、重力等觀測以取得以地殼性質為主的數據。對地幔的了解往往需要地殼的知識做為邊界條件,這些新的資料如何規範我們的數值模擬與 反演結果,一兩年內便可揭曉。