軟流圈是甚麼？ - 地球科學討論

這一樣是因為最近上鍾大的地球化學之後，才知道大三就應該懂得的東西，我現在才懂。

一樣野人獻曝分享給大家，有錯請指正～

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網誌版：http://mygeotravel.org/hcc/blog/2010/05/23/4518.html
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軟流圈是甚麼？

如果學生說，「軟流圈就是熔融的岩漿，地表上火山所噴發的岩漿就是來自軟流
圈，而軟流圈的熱對流運動則是推動板塊運動的動力來源。」那我一點都不會覺
得奇怪，我會覺得奇怪的是，這一大套講法到底是學生自己建構出來的解釋，還
是有人教的呢？學生給我的答案大多是，國中老師！

要「破解」這一大套看似完美的邏輯，最困難的地方在於告訴他們軟流圈為什麼
不可能是岩漿還不夠，還必須告訴他們岩漿怎麼形成，以及地函熱對流跟板塊運
動是怎麼一回事。這其中只要有任何一個環節他們沒能聽懂，串不起一套完整的
說法，那只要過一陣子，他的答案就又會回到「軟流圈就是熔融的岩漿…」了。

通常我會先給學生一張地表附近地震波（S波）速度分佈圖（下圖），讓學生根
據他已經知道的「S波無法在液體中傳遞」，以及圖上顯示「軟流圈不但有S波通
過，而且速度還沒有變慢很多」的結果，讓學生先建立起「軟流圈不可能是液態
的熔融岩漿」這種想法。但這個想法的威力很薄弱，學生很快會把他消滅，所以
要趕快派出援軍，「那到底軟流圈是甚麼樣子呢」？

http://tinyurl.com/2dpnwbu

其實軟流圈裡面應該只有「一點點」岩漿。

我們先簡單解釋一下岩漿的形成原因。下圖中橫座標是溫度、縱座標是壓力或深
度，岩石在溫度越高的狀況下越容易熔融成為岩漿，但若是壓力越大（深度越深），
岩石就需要更高的溫度才能融化，圖中綠線就代表橄欖岩（地函主要組成物質）
的固融線（開始融化的條件）。但因為岩石是由不同礦物所組成的混合物，所以
當溫壓條件超過固融線之後，橄欖岩會由熔點低的礦物開始融化，產生一小部分
的部分熔融，而不是一次全部變成液態。

http://tinyurl.com/26ke3p2

圖中的藍線與黃線則分別代表海洋地區及大陸地區地底下溫度隨深度的變化，圖
中很明顯可以看出來，地底下的溫度完全不足以讓岩石產生部分熔融。但若是橄
欖岩中含有部分揮發性物質（例如水或二氧化碳），產生部分熔融的溫度條件就
會降低，像上圖中的紅線就是含水橄欖岩的固融線。因此根據估計，軟流圈大約
有5％的部分熔融存在，這也就是地震波速度在此深度會減慢一點點的主要原因。
最近我才知道，過去我用來解釋軟流圈發生部分熔融的圖其實是錯的（汗）。

下圖是橄欖岩中發生部分熔融時，岩漿所存在的位置。此時的岩漿會儲存於礦物
顆粒與顆粒交界的頂點位置（下圖左），但這些岩漿在空間中是彼此獨立且互不
相連的。如果部分熔融的程度稍微高一點，岩漿就會在礦物顆粒的邊緣連結（下
圖右）。不過在此溫壓條件下所形成的岩漿，其密度並沒有比周圍的岩石小，所
以岩漿不會因為浮力向上流動並聚集，而會一直保持在原地。

http://tinyurl.com/2fmnuhr

由於大陸地區與海洋地區的地殼及岩石圈厚度不同，連帶影響了地底下溫度與壓
力的分佈，因此世界各地的軟流圈深度分佈也有所不同。例如下圖就是不同地區
的S波速度隨深度變化，下圖A中的顏色可以對應到圖B和圖C的速度變化，實
線是大陸地區，虛線是海洋地區；圖B是在深度方向上平滑過的S波速度變化；
圖C則是在深度方向上沒有平滑過的S波速度變化。

http://tinyurl.com/2fsu5ny

根據定義，軟流圈以上的部分我們稱之為岩石圈。但從上圖可以看出來，不同地
區的岩石圈似乎差異很大，特別是在大陸地區。甚至軟流圈與岩石圈的分界到底
應該定在哪裡，也都是很有趣的問題。總而言之，希望從這篇說明開始，可以讓
我的學生漸漸擺脫「軟流圈就是熔融的岩漿…」的那套說法～

Blatt, H., Tracy, R. J., Owens, B. (2005), Petrology: igneous, sedimentary,
and metamorphic (New York: W. H. Freeman), P.147-149.
Barbara, R. (2009), The Thickness of Tectonic Plates, Science, 324, P.474-476.



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