(本文為阿樹在第5屆人與自然--科普寫作桂冠獎佳作的投稿文章)
砂箱，或許大部分的人對於這個詞彙十分陌生，但它卻是地質學家研究板塊構造的研究利器之一；有趣的是，放在實驗室裡的砂箱，尺寸不過幾百公分，但板塊的作用卻動輒數百公里。試著想像一下，數百公里、千萬年的地質作用，就這麼被放進了實驗室中，到底是透過怎麼樣的機制和理論呢？
實驗室裡的造山運動
某天，正在和一群小朋友們討論「板塊運動」。
我：「大家知不知道，為什麼台灣會有這麼多高山、又為什麼常常發生地震呢？」
「因為『板—塊—碰—撞』。」小朋友齊聲答道。
我：「那又是什麼板塊和什麼板塊碰撞呢？」
小朋友再度齊聲回答：「菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊。」
我：「沒錯！小朋友都好聰明喔！」
接著我再問：「那我們腳下的板塊啊，為什麼我們感覺不到它在動？但是板塊相撞這麼厲害，可以抬起這麼高的山、還會產生可怕的地震呢？」
氣氛瞬間轉為靜悄悄的思考，不過沒一會兒，討論變得比剛才更加熱絡，「對啊！沒有在動。」「我覺得有在動啊！」「我媽媽說只有地震時才動！」「要推很久！」
看起來，對於小朋友們來說，板塊活動的確是一種想像的理論，而事實上，對任何人而言，板塊的運動，是不可能感受得到的。所謂板塊正在移動的「證據」，我們總是透過衛星定位、測量等科學研究得到的「數據」，並非親眼所見。
在討論板塊運動前，先來看看螞蟻。牠們很小，是吧？但牠們其實是超級運動員，背負著比自己重好幾倍的食物，走起路來卻健步如飛，這樣的能力，是多數人類做不到的。除了生物學家、物理學家會分析「尺度[1]」的因素，地球科學家更是如此。在岩石的眼中，板塊運動就是岩石自己在「走路」，而全世界大大小小的板塊，運動的方向各異，速度也不盡相同。大家都知道，地球是圓的，板塊們各自走著走著，彼此之間有時互相碰撞、有時互相分離，或者擦身而過，當它們碰在一起時，往往會形成高山、海溝、發生地震；而當它們互相分離時，可能會看到裂谷、或者是寬廣的海盆；擦身而過看似沒什麼大不了的，但摩擦久了，偶爾也會產生地震！
至於何謂「實驗室裡的造山」呢？圖一的照片，就是利用長約1.5公尺砂箱的模擬結果，圖中一層層彩色的東西就是設定為原來在海底的沉積物地層，透過裝置讓底部向左移動。每張照片右上角標示的移動量，代表著板塊相對移動的累積數值，可以看到沉積物慢慢的被抬起來，前方開始不斷形成新的「斷層」，譬如33公分至43公分時，變形物質被抬得越來越高。這代表斷層除了發生地震，也同時帶動山脈向上抬升。不知眾看倌是否開始懷疑，這麼簡單的實驗，能代表造山運動的過程，開什麼玩笑？各位先別急！聽我細細說來吧。
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| 圖一：觀察實驗中連續的相片，我們可以看到砂子層層地向上堆疊，可以發現，最初左側較最低的地方，逐漸被抬得越來越高，而被抬起來的範圍越來越大，以1公分等同1公里真實世界的比例來推算，可以發現被抬起來的高度，起碼有好幾公里，被抬起來的範圍，也有好幾十公里，這不正好和自然界大部分的造山運動的尺度接近嗎？ |
砂箱，砂箱，為什麼用「砂」呢？
上述建立的模型，由於僅止於物理現象的描述，故叫做「物理模型」。而模型的材料經常用砂，又叫「砂箱模型」。砂的神奇之處，在於它物理性質和岩石有一定的相似性，別看砂鬆鬆散散的，看似與堅硬的石頭天差地遠，當它受到應力作用時，破壞的條件和岩石一樣都是遵循「莫爾—庫侖破壞準則」(請見附錄：學習加油站)。科學家在考慮如何把自然界尺度縮小時，同時看中了砂的特性，並透過簡化某些參數來設計實驗。經過分析得到的縮尺比例，大約是自然界的1公里，在模型中就變成了1公分。以台灣附近為例，板塊碰撞影響的範圍約數百公里左右，這樣只要數百公分的尺寸，就可以建立起實驗模型；至於板塊聚合的動力來源，可以將底部設計成輸送帶，或者是利用一塊板子像堆土機一般推著砂(圖二與圖三)，這樣一來，板塊作用、造山運動，就被「縮」進實驗室裡來啦！
看了以上介紹，您或許又想問問筆者，到底是哪些參數經過了「簡化」呢？話說自然界的複雜性如此之高，在砂箱之中，若要把它變得跟實際狀況一模一樣，是完全不可能的事。譬如說岩層中的幾公分的裂隙、數十公分的岩性變化等等，若依比例縮小，則會縮小至數微米，幾乎不可能設計到實驗裡。因此許多砂箱研究僅僅利用不同性質的砂來模擬不同的板塊成份而已，另外像是隨著深度增加的地溫梯度、變質作用，甚至牽扯到化學反應，也很難找到適合的設備來呈現，僅能利用不同的材料來進行實驗研究。
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| 圖二，為兩種型式的砂箱側面示意圖。底拖式(A)與背推式(B)的砂箱，皆能達到同樣的效果，有時也會依不同實驗目的來設計。 |
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| 圖三，砂箱實驗器材的立體配置圖，除了可以探討地形演化，利用透明的玻璃側板就能觀察不同深度的變化。 |
小小的「配角」，也有其不可或缺的存在感
地質學之父赫登(James Hutton)曾經說過，現在是通往過去的鑰匙(The present is the key to the
past)。透過閱讀岩石留下來的古老訊息，加上研究現在的地球，地質學家翻譯了岩石的語言，知道板塊碰撞如何把岩石從海底一路拱上雲霄。似乎，岩石已經把「山脈的故事」告訴大家了，再回頭看看砂箱，這種透過簡化後仍有一些限制的方法，還有必要使用嗎？
然而，地底下的岩石，並不是完整有條理的編年史。地球形成至今已有46億年，許多的記錄仍然不盡完整，山川可能曾經是古海，古海也許過去是荒漠，地表的地質紀錄經常有缺失。地下的物質若要直接探究，目前只能用鑽井的方式，彷彿以管窺天，知道的仍然只是片段，使得「故事」的完整性，仍稍嫌不足。不過，無論是實驗模擬、電腦數值模擬，可以將片段故事情節加以拼湊，加上符合科學根據的想像，對整個造山作用的演化歷史提供一些參考。
實驗結果大解密
回過頭來，再來看看一開始的實驗結果(圖一)，既然這樣的結果，是經由簡化過的模型、加上模擬的過程並沒有自然界的實際驗證，那我們又要如何「解讀」它呢？首先我們可以從「相似性」來著手，自然界存在著許多的相似性，我們把實驗從幾百公里變成幾百公分，乃建立在相似性的法則之上；接著從觀察實驗結果與現今觀測的狀態是否有一定的相似程度，回推我們當初建置模型的時候是否有問題。問題可能是參數過度簡化、可能是觀察的資料過少，經由反覆的測試分析，可以漸漸找到問題的癥結所在。所以即使這個方法，不一定能準確的告訴我們，山脈是「何時」長到「多高」，但卻能讓我們更加能注意到，山脈在成長過程中，是如何發展到現在的高度，山的背後，又有多少的「深度」埋藏其中。
但接下來我們繼續探究，是不是因為相似性法則，實驗中的細微變化，就變得不重要了呢？這也是科學家積極探討的現象，雖然實驗經過了簡化，但畢竟其中成千上萬顆砂粒，每顆砂粒間的作用或許藏有不可或缺的重要性。以此為出發點，除了觀察板塊碰撞的大尺度演化過程，隨著科技進步，我們還能夠運用連續攝影相片進行分析，更清楚的知道實驗過程中的變形「集中」在哪裡(圖四)，可想而之變形最集中的地方，就是所謂的「斷層」，也是地震經常會發生的地方。 |
| 圖四：利用連續影像進行微小的分析，可以偵測出微小的變形集中區(紅色及藍色部分)，對於斷層帶的發育和相關研究十分有幫助。 |
砂箱實驗裡的台灣
台灣之所以山脈高聳、地震頻繁，主要就是受到兩個板塊相互碰撞擠壓造成的，地質學家們也利用砂箱實驗的模擬結果，探討了台灣的形成和演化過程，以及不同地區的作用。由圖五B的實驗結果，推論出了上方圖五A的構造，再以其他的學者用各種不同的地質證據所建立的台灣地質剖面相對照，可以得到極為相似的結果。透過實驗過程的完整記錄，每一個構造的歷史，彷彿記錄片一般，呈現在影像之上，幫助學者解讀片段的地質記錄。隨著許多科學家的努力，實驗技術日新月異、佐證資料如雨後春筍般一一浮現，幫助我們鑑古知今。看著高聳的巍峨，仰之彌高，鑽之彌堅，山脈的故事十分深奧，往往難以一語而敝之，或許真理看似遙不可及，唯有透過更多學者用不同的方式努力鑽研探究，方能逐漸接近。 |
| 圖五：A的台灣地區主要造山帶的地質剖面，而其為透過砂箱實驗的結果B圖推論而出。大家熟知的中央山脈地質的岩層為十分古老的地層，經由實驗分析，這些古老的岩層是經過底部滑脫面下方和上覆的物質同時推擠，只得向上抬起，而地表劇烈的侵蝕作用，經年累月的把上面的地層給侵蝕掉，古老的岩層於是重見天日。 |
[1]看待事物的標準，可以用在時間或空間上，例如地質的時間，大尺度可以到達百萬年(造山運動、板塊漂移)，小尺度例如數小時至數天(地震、山崩、土石流)，而空間上，造山運動為大尺度，而礦物的結晶和變形，則是顯微鏡下的小尺度。
附錄：學習加油站
莫爾—庫侖破壞準則
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| 當岩石受力到一定的程度變會產生破裂，而當作用力持續進行時，則會沿著破裂面滑動(上圖)，在自然界裡頭，這就是大家所熟知的「斷層」。岩石可能受到來自不同方向的力量，但當岩石最大的受力方向如同黑色大箭頭的方向時(白色小箭頭與之垂直，代表的是最小的受力方向)，內部就如下圖的示意，同時有正向力和剪應力的作用，而且不同的岩石各自都有特定的交角和破裂的極限值(上圖紅色包絡線的斜率)，而作用力在圖A的上方深色半圓的範圍時，岩石並不會破裂，但作用力達到淺色半圓以上時，則會發生破壞；砂岩的內摩擦角通常約為35度，砂箱實驗的砂體則為30度左右，且幾乎沒有內聚力(截距接近0)。科學家利用這樣的定律，可以互相印證斷層破裂的狀態、斷層的傾角等資訊，在砂箱實驗中同樣也以此分析力學行為。 |
本文配圖出處索引
圖一：潘昌志，2009，以砂箱實驗探討增積岩體的前緣增積作用，國立台灣大學碩士論文。(筆者論文)
圖二：筆者繪製。
圖三：筆者繪製。
圖四：筆者論文。
圖五：修改自Jacques Malavieille, 2010, Impact of
erosion, sedimentation, and structural heritage on the structure and kinematics
of orogenic wedges: Analog models and case studies. GSA Today, Vol20, issue1.
附錄：筆者繪製。
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