從大陸漂移到板塊構造

1、從大陸漂移到板塊構造(上)若夜空中星辰不再相互凝望閃爍，將如何繼續(xù)照亮這黑暗？Lost Stars16世紀，制圖人員就注意到了某些大陸邊緣參差不齊，可以拼接。19世紀，地質學家發(fā)現在全球范圍內一些化石具有可對比性，某些地層在相隔遙遠的大洲也驚人地相似。20世紀，奧地利地質學家Edward Suess提出在南半球曾經存在著一個統(tǒng)一超大陸岡瓦納大陸（Gondwanaland），用以解釋化石地層的相似性。幾年以后，德國氣象學家Alfred Wegener提出了另一種觀點：大陸漂移。如果大陸曾經在地球表面時而聚合，時而分散，那么古生物的相似性以及板塊邊緣的銜接性就可以得到完美解釋。據此Alfred W

2、egener認為在古生代晚期-中生代早期（300-200Ma）在全球范圍內存在著一個超大陸泛大陸（Pangea）。大陸后來分離、漂移及其過程中引起的聚散可以很好地解釋氣候變化、火山、地震、造山運動。非洲西部和美洲東部具有可拼接性大陸漂移最初并沒有得到世人的認可，然而到了20世紀60年代，它卻成為板塊構造，這一風靡全球地學理論的科學前奏。這些板塊每年以3-10cm的速度蠕動，在板塊的邊界，發(fā)生著火山、地震以及造山作用。滄海桑田，海陸變遷，在漫長的地質年代里一直在變化著，只是生活于地球只有10萬年的人類感覺不到她的微妙而已。大陸漂移之前：收縮理論19世紀地質學家對山脈起源一直困惑不解。它們是如何形

3、成的？什么作用過程使這些山脈擠壓成皺？當時多數人信奉大陸收縮理論。地球形成之初，為一炙熱的球體，隨著地質年代的時針向前撥動，地球表面發(fā)生收縮，收縮的過程中，就形成了山脈。在歐洲，Edward Suess（1831-1914）把地球比作一個“干癟的蘋果”，好似老嫗布滿皺紋的臉。地球表面陸地最初連為一體，內部收縮導致表面破裂，破裂處為海盆；殘留處為大陸。持續(xù)的冷卻，原來的陸地繼續(xù)破裂，于是一個新的海盆又形成了，原來的海洋某部分則可能上升成為下一個陸地。海陸變換一直持續(xù)進行著，終成現在豐富多彩又滿目瘡痍的模樣。   海陸的這種變換解釋了許多當時令人疑惑的問題，如陸地上的海相化石和

4、海陸交互相沉積物。Edward Suess的理論也解釋了印度、非洲、南美某些化石的相似性。這種相似性其實早在中世紀就已為人們所知，達爾文的進化論又導致了新的疑問：如果這些動植物在不同的環(huán)境，不同的地域互不干擾，獨自演繹，那為什么它們看起來面貌如此相似？于是有了Gondwanaland。Gondwanaland組成及其古生物化石分布Edward Suess的理論如楊貴妃與安祿山的情事被廣泛討論，許多歐洲人相信這種觀點的正確性。但是在北美，James Dwight Dana（1813-1895）卻以一種全新的觀點詮釋了大陸收縮理論。Dana認為大陸形成于地球孩童時期，那時結晶了一些低溫礦物，如石英

5、和長石。隨著地球冷縮，到某個階段，一些高溫的礦物，如橄欖石和輝石也結晶了，在月球上為隕石坑，在地球上則為海洋。地球完全成為固體后，冷縮作用依舊，地球表面開始變形，海陸的邊界承受不了不可承受之力，山脈最終沿邊界形成。持續(xù)的收縮導致持續(xù)的變形，但是海依然是海，陸依然是陸，并沒有隨時間的改變而改變，因此這種理論也被稱為固定論，并為后人熟知。在北美，固定論是與地槽相聯(lián)系的，地槽是沿著大陸邊緣不斷下陷的沉積盆地。這種思想首先由James Hall（1811-1889）提出，他是紐約州立古生物學家，是美國地質學會的首任主席。 Hall注意到層林盡染下的阿巴拉契亞山脈，是由厚達幾千英尺的淺水沉積物

6、褶皺而形成的。這些淺水沉積物是怎么形成？它們又如何褶皺上升成山？Hall認為是大陸風化物質沿著水路來到這些盆地，不斷的堆積引起不斷地下陷，不斷的下陷又導致更多的沉積物堆積，最終引起底部沉積物變熱變質，形成巖石，并最終上升成山。Dana修改了Hall的觀點，認為堆積的巨厚的沉積物不是盆地下陷的原因，而是下陷的結果。這種理論解釋了沉積物如何堆積，但是對其轉化成山卻模棱兩可。大陸漂移20世紀早期收縮理論受到了來自三個方面證據的挑戰(zhàn)。第一方面的證據來自野外填圖。19世紀，地質學家在瑞士Alps和北美Appalachian山脈做了大量細致工作，以確定造山帶的結構。他們發(fā)現這些地區(qū)褶皺尤為發(fā)育，如果將這些

7、褶皺拉伸變直將長達幾百英里，如此巨大的陸地收縮幾乎是不可能的，由此他們開始懷疑收縮理論的正確性。第二方面的證據來自大地測量學。當野外地質學家正在揭開Alps和Appalachian山脈的構造謎團時，英國的繪圖人員正在室內利用“三角法”獲得的測量數據繪制印度這塊殖民地的地圖。 1850s早些時候，負責印度調查的陸軍上校George Everest發(fā)現兩個測站之間的數據存在一些偏差。與天文學方法觀察的緯度差值相比，用三角測量方法獲得的緯度差值比其大5秒。Everest將這歸因于Himalayas對測量鉛錘的重力吸引。John Pratt（1809-1871），這位劍橋訓練出來的數學家和加

8、爾各答的神父開始思考這個問題，他計算了造山帶的重力效果，發(fā)現實際偏差比預期的要小，好像一部分山脈消失不見了！他提出如果這些造山帶的表面形態(tài)某種程度上被它們之下的一種虧損物質補償就可以解釋觀察到的測量結果，這種思想被稱為重力均衡。20世紀早些時候，兩位美國的大地測量人員John Hayford和William Bowie通過對美國本土的測量證實了重力均衡的正確性，并且將其從造山帶擴展到了大陸上。通過以下兩種方式可以達到重力均衡：一是大陸的物質密度小于其下伏物質密度，二是大陸有像冰山一樣的深根。無論哪種，都說明大陸“漂浮” 于下伏物質之上，不會下沉成為海洋，大陸和海洋并不可以相互轉化。第三方面的證

9、據，也是最根本的，物理學家發(fā)現元素的放射性可以產生熱，這與收縮理論假定地球是逐漸冷卻的觀點相抵觸，地質學家轉而尋求其他驅動力來解釋地殼變形。1920s，許多人士認為地質學正處于一種嚴重的科學危機中，拋棄了收縮理論，地質學家如何解釋以前認為的大陸是連接在一起的證據？海陸都不變化如何從歷史觀點解釋大陸物質變形的證據？歐洲接受Edward Suess收縮理論的地質學家更深刻地感受到了這場危機，北美地質學家也發(fā)現他們面臨進退兩難的尷尬境地。作為氣象學家和早期大氣動力學教科書的作者，具有開創(chuàng)革新精神的Alfred Wegener(1880-1930)認識到古氣候變化可以通過大陸漂移來解釋。然而大陸漂移并

10、不只是古氣候變化的“靈丹妙藥”，還可以用來解釋重力均衡：一方面，古生物學證據可以證明大陸是連在一起的；另一方面，大地測量學證據證明海陸不是相互轉化的。Wegener給出的答案是用大陸的水平移動來解釋這發(fā)生的一切。Alfred Wegener,1930年去Greenland科學考察，為大陸漂移理論尋找證據，在尋找證據的過程中，脫離分隊，獨自研究，最終彈盡糧絕，凍死在了睡袋中，尸體直到1931年5月才被發(fā)現。Wegener的理論在1920s和1930s早期成為人們茶余飯后的談資，但也有些人對之嗤之以鼻，不屑一顧，特別是美國的地質學家，為其貼上了“壞科學”的標簽，拒絕的標準理由是缺乏動力學機制。大陸

11、漂移機制爭論的焦點在于重力均衡。如果大陸在密度大的下伏物質上“漂移”，下伏物質要不是流體，要不具有塑性。有一個很好的例子可以證實這種可能性：在Scandinavia，地質學家已經積累了足夠豐富的資料，證明自更新世（10000年前）以來，芬蘭和Scandinavia確實在步步升高。這種現象的合理解釋是在更新世時期，區(qū)域覆蓋了大量冰川，產生的重力導致地殼下沉。隨著冰川不斷消融，陸地表面發(fā)生了慢性回彈。這至少為大陸可以在下伏物質上移動提供了經驗性證據，至少在垂直方向上，至少在更新世是如此。Wegener的泛大陸（Pangaea）與隨后的大陸漂移在北美，這個問題被哈佛大學地質學教授Reginald A

12、. Daly一再復述，他是大陸漂移理論在北美的堅定支持者。Daly認為解決問題的關鍵在于地球的圈層構造。地震學資料顯示地球可以分為三個圈層：地殼、地幔和地核。地幔是玻璃質的，因此在長期的上覆地殼的重力下可以緩慢發(fā)生移動。在地槽之上，Daly認為沿大陸邊緣的沉積作用會導致地面高低不平，這反過來會產生重力不穩(wěn)定性。最終大陸破裂，向下滑動，滑動的斷塊會與另一個斷塊相互疊加，小的滑動力不斷增加最終引起了大陸漂移。Daly呼吁他的美國同事專注大陸漂移，但是響應者卻寥寥無幾，而在歐洲反應則較為積極。學習過物理學的愛爾蘭地質學家John Joly（1857-1933）把這個問題與放射性聯(lián)系在了一起，他證實通

13、常觀察到的黑色云母中的多向色暈環(huán)是由礦物中所含元素U和Th的放射性所形成的，例如磷灰石。放射性元素在巖石中普遍存在，因此放射性產生的熱也普遍存在，當放射性熱不斷聚集的時候，地幔就發(fā)生了部分融熔，在融熔的過程中，大陸在微小的重力作用下都有可能發(fā)生移動。周期性的地幔融熔再加上巖漿旋回，最終引起了全球大規(guī)模的造山運動。Joly的想法得到了劍橋大學著名地球物理學家Harold Jeffreys擲地有聲的反對，Jeffreys認為地震波反射資料表明地球是一個剛性的堅硬的球體，根據物理學觀點，大陸是不可能在上面移動的。而Joly注意到雖然地球現在是剛性堅硬的，但并不總是一貫如此。英國地質學家Arthur Holm