作者：陳立學（國立台灣大學地理環境資源學系學生）

海底的崇山峻嶺

海洋佔地球表面積超過百分之六十，卻是非常難以探勘的地方，海底地形的探索並不是一件容易的事。雖然近代跨越大洋的航海技術已經發明數百年、人類也早具備踏遍世界的每一座大陸與島嶼的能力，但直到1920年代才首先有人試著使用聲納來探測海水深度，而較大規模的海底地形圖繪製則直到1950年代才開始推行(Smith and Sandwell, 1997)。海底地形的研究不僅對於海洋生態、全球海流與營養鹽的分布很重要，也是近代地質學發展的重要基石。在20世紀中葉全球開始進行海底地形的大規模調查後，人們在海底下看見了成千上萬的山與山脈，這些觀察推動了後來1960年代板塊擴張學說的發展，使人類對於地球的認識有了飛躍性的進展。

那些存在於大洋當中的地形高區許多都是海底火山，如大西洋中洋脊就是世界上最著名的火山群之一，板塊擴張學說解釋了那些位在板塊邊界的火山群，但是在遠離板塊邊界的區域也有許多火山存在著。如像夏威夷群島這樣的島鏈系統、或是沙茨基海台這樣的海底高原。Morgan, 1971提出了地函熱柱(mantle plume)的假說來解釋這些板塊內火山群，受到了廣泛的認同。地函熱柱是一股狹窄的地函上升流，加熱其上方的地表岩石，形成熱點火山。在地質的時間尺度下，板塊漂移使得地表的熱點逐漸偏離原先火山的位置而形成新的火山，長久下來便形成了如夏威夷群島一般的火山島鏈。直到現在，雖然地函熱柱的概念已經被廣為接受，我們對於其來源深度、形成機制、具體數量仍有許多未知之處。透過深入觀察海床表面的火山系統，能幫助我們了解這些火山的活動歷史與來源，並為地球深部物質對流的模型提供更多線索。

 

如何瞭解海洋岩石圈的形成

海洋岩石圈由許多板塊組成，它們形成於中洋脊的擴張。在漫長的地球歷史中，地球磁極的方向曾多次發生逆轉，而當火成岩形成的時候，岩石當中便會記錄下當時地球的磁極方向。一樣的道理，海洋板塊在從中洋脊形成後便會將當時的地球磁極方向記錄在其中，隨著地球磁極多次逆轉，整個海床上便形成了一條條不同磁力方向的條帶狀區域。

研究海洋地殼時，透過觀察這些記錄在海洋岩石圈當中的地磁異常分布，可以回推板塊的形成歷史。海洋岩石圈並不完全由中洋脊火山形成，在遠離板塊邊界的大洋中也有著為數眾多的海底火山，這些板塊內火山的噴發在大洋當中形成一個個的地形高區。中洋脊火山時常以山脊附近的岩漿侵入的形式來活動，產生的熔岩流也鮮少流得太遠，因此能留下條帶狀的磁力異常區域，而板塊內火山則有著相當不同的活動方式。

 

大塔穆火山

遠在日本列島東方1600公里處，水深大於5000公尺的海域，有一個名為沙茨基海台的巨大海底高原，該高原的東西寬約450公里、南北長約1650公里，並由三個主要的火山組成，大塔穆火山(Tamu Massif)就是其中面積最大、形成年代也最為久遠的一個火山。

若單論山體在地表的面積，大塔穆火山的大小甚至接近於太陽系最大的火山：火星的奧林帕斯山。在Sager等人於2013年發表於NATURE Geoscience的文章當中，透過震測與鑽井採樣的證據指出大塔穆火山應是一個巨大的單一火山，使得這座巨大的海底山一時之間得到了「地球上最大的火山」稱號。(Sager et al., 2013)

圖一，沙茨基海台的海底地形圖，等高線級距是1000公尺。紅色曲線代表海洋地殼中磁力異常區域的線型排列，黃色曲線是斷裂帶。Tamu Massif位在沙茨基海台的南部。圖片引用自Thoram et al. (2022)。

但是經過接下來幾年的研究，同一組研究團隊整合過去數次航次的海底磁力異常觀測結果，發現大塔穆火山並不是由單一的火山噴發形成，而是接近中洋脊型態的火山系統。該成果在2019年被發表在Nature Geoscience期刊上(Sager et al., 2019)。在將海床岩石的磁力異常區域地圖重建完成後，他們發現大塔穆火山的南部和東部有著西北─東南走向的磁力異常條帶、北部和西北部則有著東北─西南走向的磁力異常條帶，代表這些區域分別形成於太平洋─法拉隆中洋脊與太平洋─伊邪那岐中洋脊。每個磁力異常區域都代表在一個不同時期從中洋脊形成的海洋地殼，根據大塔穆火山以及其周遭海域的磁力異常分布情形，過去認為是單一火山的大塔穆火山山體其實由不同的磁力異常區域所組成，研究團隊得以肯定大塔穆火山本體是由中洋脊在約280萬年的期間內緩緩擴張而形成的，而非過去認為的單一火山噴發事件。他們還反演了此處的海床從古代中洋脊當中擴張形成的過程，並建構了太平洋板塊、法拉龍板塊、還有伊邪那岐板塊等三個板塊之間的中洋脊與三聯點(triple junction，三個板塊的邊界交會點)在這段期間內的演化模型。

本研究建構出的磁力異常圖還可以讓我們推測，整個沙茨基海台應該都是由中洋脊擴張而產生的，就像是世界上其他主要的海底高原一樣。這表示海底擴張可能是海底高原的主要形成原因。對於大塔穆火山的形成，過去有些人覺得它就像是中生代版本的冰島，是個長在地函熱柱上的中洋脊火山。但大塔穆火山的活躍期比冰島還要短命得多，而且在目前為止的研究中，並沒有在其上看到它曾經露出水面的證據，也不像冰島一樣有些明確的單一火山存在。

圖二，兩種大塔穆火山的構造模型示意圖。上圖假設大塔穆火山是一個單一的盾狀火山，不同時期(t1、t2、t3)的岩石水平上下排列，在山體上無法觀察到磁力異常區域的條帶狀排列；下圖則是大塔穆火山由中洋脊擴張而形成時會有的情況，磁力異常的調帶穿過山體，不同時期(t1、t2)形成的岩石區域垂直並列。圖片引用自Sager et al. (2013)。

 

這個研究為什麼重要？

海底地形一直是人類研究地球深部構造時的重要著手點，正如同中洋脊的發現啟發了海底擴張學說，海底山、海底高原、還有海床的形成，一直是地質學家在探討板塊運動與地函熱對流時的關鍵鑰匙。世界三大海底高原：凱爾蓋朗海台、沙茨基海台、翁通爪哇海台，面積都有數百萬平方公里，其形成過程牽涉到了大量地函物質的參與，對於地表元素循環與氣候環境應該都有相當大的影響力。但是目前為止在三個高原的鑽井採樣結果卻顯示，三者的形成演化過程可能都有著相當大的差異。包括地函熱柱、中洋脊擴張在內，有關於地函物質的交換過程，還有許多未解之謎等著人們去解答。

 

參考資料：

Smith, W. H., & Sandwell, D. T. (1997). Global sea floor topography from satellite altimetry and ship depth soundings. Science, 277(5334), 1956-1962.

Morgan, W. J. (1971). Convection plumes in the lower mantle. Nature, 230(5288), 42-43.

Sager, W. W., Zhang, J., Korenaga, J., Sano, T., Koppers, A. A., Widdowson, M., & Mahoney, J. J. (2013). An immense shield volcano within the Shatsky Rise oceanic plateau, northwest Pacific Ocean. Nature Geoscience, 6(11), 976-981.

Sager, W. W., Huang, Y., Tominaga, M., Greene, J. A., Nakanishi, M., & Zhang, J. (2019). Oceanic plateau formation by seafloor spreading implied by Tamu Massif magnetic anomalies. Nature Geoscience, 12(8), 661-666.

Thoram, S., Sager, W. W., Reed, W., Nakanishi, M., & Zhang, J. (2022). Improved high-resolution bathymetry map of Tamu Massif and southern Shatsky Rise and its geologic implications. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127(11), e2022JB024304.