地下流體的騷動(二)：超臨界流體 (SCF) 的故事

在極高溫高壓下，不是液體也不是氣體的「超臨界流體」(SCF)就像地底的快遞員，能在岩石中穿梭。這個概念誕生於十九世紀的物理實驗室，卻在二十一世紀才真正走進地球科學領域。2008年，科學家首次在海底岩漿氣泡中發現天然SCF，揭開它在地震、火山與板塊運動中的關鍵角色。這次我們要揭開地球深處的祕密：超臨界流體的歷史旅程。認識超流SCF不只是個科學怪咖，也是地球演化的化學師、冷卻劑與地震的觸媒。從實驗室到地殼深處，這是一段跨越二百年的探索旅程，一場關於流體、壓力與地球脈動的科學故事。

撰文｜A. H.

在地球科學領域，「超臨界流體」(supercritical fluid, SCF) 就像一位剛入學的新生。雖然地下流體的探究已有兩千五百年歷史，SCF這個概念卻是直到近二十年才受到重視。它原本屬於物理化學的範疇：當水在高溫高壓下將不再是液體也不是氣體，而是一種奇妙的中間狀態。如今我們發現，這種狀態可能正是地球深處地震發生的關鍵之一。

 

十九世紀的「臨界點」至二十世紀中葉的「超臨界線」

十八世紀末，科學界已知氣體、液體與固體為三種基本物質狀態。進入十九世紀，法國科學家卡尼亞．德．拉．圖爾 (Charles Cagniard de la Tour) 在1822年的聲學實驗中，將燧石球置入充滿液體的大砲中，發現當系統加熱至高於沸點後，液體與蒸氣的界面消失了，而噪音也隨之消失，揭示了液氣不分的超臨界「相」確實現象。此時，表面張力不復存在，流體既能像液體溶解物質，又能如氣體穿透固體。

而「臨界點」一詞則由愛爾蘭物理化學家托馬斯．安德魯斯 (Thomas Andrews) 於1869年提出。他透過研究碳酸的壓力–體積曲線，證明了液體與氣體在超過某一溫度與壓力後將無法區分，進入超臨界狀態。1891年，皮耶．居禮 (Pierre Curie) 進一步提出「臨界現象普遍性」，發現鐵磁材料在超過臨界溫度後會失去磁性。至十九世紀七〇年代，奧古斯特．里特 (August Ritter) 首次將此概念引入地球科學，推測地球深部溫度可能超越所有已知物質的臨界值，並提出氣態地核模型（雖後來被推翻）。至1900年前後，斯萬特．阿倫尼烏斯 (Svante Arrhenius) 則認為深部高壓可使氣體黏度劇增。雖然這些早期觀點尚未直接與地震機制相連結，但它們為後來探索地球深處，在極端條件下的物質行為奠定了理論基礎。

在1959年，Ｊ．Ｄ．伯納爾 (John Desmond Bernal) 做了一個有趣的金屬球實驗，發現類似SCF這種流體在分子層級上是混合的：有些區域像氣體、有些像液體，兩種結構共存，形成一種不均勻的狀態。他根據這個發現，把流體分成四種類型（圖三(A)），並提出了一個概念叫「超臨界線」，指出在某些熱力學條件下，流體的密度波動最大。後來的光譜測量也證實了這種現象，而這條臨界線後來也被定義為「超臨界氣液邊界」(supercritical gas-liquid boundary)，意思是氣體和液體的性質在這裡交會混合。

 

「孔隙壓力」和地球科學中的SCF

現在，讓我們將目光再轉向地球科學。在二十世紀的大部分時間裡，地殼與地函中的流體作用始終是地質學界爭論不休的議題。學者們不斷追問：這些深部流體究竟是如何影響岩石的組成、變質與力學行為？而當SCF這一概念被引入後，問題變得更加複雜了。直到1970年代，對於地質變化過程中流體「相」的研究才逐漸從少數專家的專題討論發展為一門受到廣泛關注的學術領域，對幾乎所有地球科學的分支——從岩石圈動力學到地震學、從礦床成因到地熱系統——都產生了深遠影響。1980至1990年代，地球化學家開始對地球深部環境中的流體行為進行建模，特別是在熱液系統和變質反應中。

二十世紀「孔隙壓力」概念的發展，更是扮演了關鍵角色。它提供了一種量化方式，幫助我們理解各類流體（如水、油、氣）在岩石或土壤孔隙中所施加的壓力，並揭示在深部高溫地質環境中，這種壓力往往與SCF的存在密切相關。岩石並非堅不可摧的整體，而是充滿了微小的孔隙與裂縫，這些空間常被水或其他流體所填充。當流體被困於其中，便會對周圍的固體施加壓力，進而改變岩石實際承受的總應力。

這一關鍵概念的發展最早可追溯至維也納的土壤力學教授卡爾．馮．特爾扎吉 (Karl Terzaghi)，他後來也被譽為「土壤力學和岩土工程之父」。他於1936年提出了「有效應力」理論，指出岩石所承受的總應力應該扣除孔隙中流體的壓力（圖三:B）。這項理論為後來的地質力學奠定了基礎，也讓我們得以理解孔隙壓力如何與地殼中的構造應力場耦合互動。當岩石中的流體無法逸出、壓力不斷累積時，便可能形成異常高壓，進而削弱岩石強度，甚至誘發岩層破裂與地質災害。在上篇文章中討論的日本東北地下流體引發地震的案例中（請見《地下流體的騷動（一）：地震學演進的2500年》），研究人員推斷岩漿釋放了水性流體，進而導致高孔隙流體壓力飆升，而引發上層地殼的地震。

 

二十一世紀在自然界發現SCF後的發展

二十一世紀前在實驗室中，超過臨界點的物質，如水和海水，都已被驗證，但在自然界中，SCF真實存在嗎？過去科學家們礙於技術限制，尚未能在大自然的超臨界條件下取樣流體。直到2008年，德國的地球化學家安德里亞．科欽斯基 (Andrea Koschinsky) 和同事在南緯5°的大西洋地表下3公里處冒出的岩漿氣泡上發現了SCF，這項發現證實SCF是地殼中金、銅、鐵等金屬被浸出並輸送到海洋的強大天然介質。

接下來科學家開始好奇：這種流體在地震、火山、板塊運動裡扮演著什麼角色？地球科學家們開始積極探索流體在隱沒帶的極端壓力和溫度下的行為。最初的研究主要集中在熱液系統和流體運移上，但SCF的概念尚未被廣泛接受。儘管科學家常用SCF來解釋地函的交代／換質作用 (metasomatism)，也就是岩石間的化學交換作用，不過這些理論都還在爭論中。關鍵的是，這些流體的化學性質真的很不尋常，它們能攜帶大量元素在高壓下穿梭於岩石間；就像地下快遞一樣，能在高壓、高溫下穿梭於岩石間，把物質從一處送到另一處。對地球科學家來說，這些流體就是幫助我們理解地底下那些看不見、但影響巨大的物質傳遞過程的線索之一。

到了2010年代，研究人員開始將SCF與中震源地震和隱沒帶的動力學連結起來。研究發現，這些流體會影響斷層的滲透性、岩石弱化和壓力的積聚，而這些因素對地震的發生至關重要。對此具體概念的形成大約是在2017-2024期間，如《自然科學報告》上的一項研究，是利用地震成像技術顯示出填充裂縫的流體壓縮性的突然變化，以及記錄下由SCF作用引起的異向性突變，提供了地熱區域含有SCF層的明確地震證據。

綜合近二十年SCF在地科的主要進展，包括確立隱沒帶與物質遷移、地震、斷層在物理化學上的基礎。超臨界流體在地球科學中的意義如圖4(C)中所示，矽酸鹽熔體和含水流體是地殼和地函中的兩種移動的相。隨壓力和溫度的升高，水更容易溶解在矽酸鹽熔體中，而矽酸鹽也更容易溶解在水性液體中。在第二臨界點，這兩個相合併成一個超臨界流體，一種同時具有液體和氣體特性的狀態。

其實不只在地球深處，像海王星這樣的行星也可能具有這種流體。人類也開始用它的特性來做很多生活中的事情，像是去咖啡因、提煉啤酒花、製造精油、提高石油採收率，甚至用來探勘地熱能。所以，SCF這種「超流」不只是個科學怪咖，它還是地球深處的快遞員、化學師、冷卻劑，也是我們理解地震、火山和地球演化的關鍵角色。接下來，就讓我們實際來看看雪花的重量如何「刺激」斷層中的孔隙壓力，以及SCF這個劇烈而充滿活力的特殊物質，如何衝破地底脆弱的「封印」，向上湧動引發一連串地震?（待續）

 

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註釋

註一：人名中英對照：卡尼亞．德拉圖爾 (Cagniard de la Tour, 1777–1859)；托馬斯．安德魯斯 (Thomas Andrews, 1813–1885)；皮耶．居禮 (Pierre Curie, 1859–1906)；J．D．伯納爾 (John Desmond Bernal, 1901–1971)；奧古斯特．里特 (August Ritter, 1826-1908)；斯萬特．阿倫尼烏斯 (Svante Arrhenius, 1859–1927)；卡爾．馮．特爾扎吉 (Karl Terzaghi, 1883–1963)；安德里亞．科欽斯基 (Andrea Koschinsky)

註二：關於John Desmond Bernal的生平可參考Holmes K., 2006, “The life of a sage”, Nature 440, 149–150.

 

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參考文獻

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