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从大陆漂移到板块构造(上) 精选

已有 10252 次阅读 2014-12-11 18:51 |系统分类:科普集锦

若夜空中星辰不再相互凝望闪烁,将如何继续照亮这黑暗?

——Lost Stars

16世纪,制图人员就注意到了某些大陆边缘参差不齐,可以拼接。19世纪,地质学家发现在全球范围内一些化石具有可对比性,某些地层在相隔遥远的大洲也惊人地相似。20世纪,奥地利地质学家Edward Suess提出在南半球曾经存在着一个统一超大陆——冈瓦纳大陆(Gondwanaland),用以解释化石地层的相似性。几年以后,德国气象学家Alfred Wegener提出了另一种观点:大陆漂移。如果大陆曾经在地球表面时而聚合,时而分散,那么古生物的相似性以及板块边缘的衔接性就可以得到完美解释。据此Alfred Wegener认为在古生代晚期-中生代早期(300-200Ma)在全球范围内存在着一个超大陆泛大陆(Pangea)。大陆后来分离、漂移及其过程中引起的聚散可以很好地解释气候变化、火山、地震、造山运动。


非洲西部和美洲东部具有可拼接性

大陆漂移最初并没有得到世人的认可,然而到了20世纪60年代,它却成为板块构造,这一风靡全球地学理论的科学前奏。这些板块每年以3-10cm的速度蠕动,在板块的边界,发生着火山、地震以及造山作用。沧海桑田,海陆变迁,在漫长的地质年代里一直在变化着,只是生活于地球只有10万年的人类感觉不到她的微妙而已。

大陆漂移之前:收缩理论

19世纪地质学家对山脉起源一直困惑不解。它们是如何形成的?什么作用过程使这些山脉挤压成皱?当时多数人信奉大陆收缩理论。地球形成之初,为一炙热的球体,随着地质年代的时针向前拨动,地球表面发生收缩,收缩的过程中,就形成了山脉。

在欧洲,Edward Suess1831-1914)把地球比作一个“干瘪的苹果”,好似老妪布满皱纹的脸。地球表面陆地最初连为一体,内部收缩导致表面破裂,破裂处为海盆;残留处为大陆。持续的冷却,原来的陆地继续破裂,于是一个新的海盆又形成了,原来的海洋某部分则可能上升成为下一个陆地。海陆变换一直持续进行着,终成现在丰富多彩又满目疮痍的模样。

   海陆的这种变换解释了许多当时令人疑惑的问题,如陆地上的海相化石和海陆交互相沉积物。Edward Suess的理论也解释了印度、非洲、南美某些化石的相似性。这种相似性其实早在中世纪就已为人们所知,达尔文的进化论又导致了新的疑问:如果这些动植物在不同的环境,不同的地域互不干扰,独自演绎,那为什么它们看起来面貌如此相似?于是有了Gondwanaland


Gondwanaland组成及其古生物化石分布

Edward Suess的理论如杨贵妃与安禄山的情事被广泛讨论,许多欧洲人相信这种观点的正确性。但是在北美,James Dwight Dana1813-1895)却以一种全新的观点诠释了大陆收缩理论。Dana认为大陆形成于地球孩童时期,那时结晶了一些低温矿物,如石英和长石。随着地球冷缩,到某个阶段,一些高温的矿物,如橄榄石和辉石也结晶了,在月球上为陨石坑,在地球上则为海洋。地球完全成为固体后,冷缩作用依旧,地球表面开始变形,海陆的边界承受不了不可承受之力,山脉最终沿边界形成。持续的收缩导致持续的变形,但是海依然是海,陆依然是陆,并没有随时间的改变而改变,因此这种理论也被称为固定论,并为后人熟知。

在北美,固定论是与地槽相联系的,地槽是沿着大陆边缘不断下陷的沉积盆地。这种思想首先由James Hall1811-1889)提出,他是纽约州立古生物学家,是美国地质学会的首任主席。 Hall注意到层林尽染下的阿巴拉契亚山脉,是由厚达几千英尺的浅水沉积物褶皱而形成的。这些浅水沉积物是怎么形成?它们又如何褶皱上升成山?Hall认为是大陆风化物质沿着水路来到这些盆地,不断的堆积引起不断地下陷,不断的下陷又导致更多的沉积物堆积,最终引起底部沉积物变热变质,形成岩石,并最终上升成山。Dana修改了Hall的观点,认为堆积的巨厚的沉积物不是盆地下陷的原因,而是下陷的结果。这种理论解释了沉积物如何堆积,但是对其转化成山却模棱两可。

大陆漂移

20世纪早期收缩理论受到了来自三个方面证据的挑战。第一方面的证据来自野外填图。19世纪,地质学家在瑞士Alps和北美Appalachian山脉做了大量细致工作,以确定造山带的结构。他们发现这些地区褶皱尤为发育,如果将这些褶皱拉伸变直将长达几百英里,如此巨大的陆地收缩几乎是不可能的,由此他们开始怀疑收缩理论的正确性。

第二方面的证据来自大地测量学。当野外地质学家正在揭开AlpsAppalachian山脉的构造谜团时,英国的绘图人员正在室内利用“三角法”获得的测量数据绘制印度这块殖民地的地图。 1850s早些时候,负责印度调查的陆军上校George Everest发现两个测站之间的数据存在一些偏差。与天文学方法观察的纬度差值相比,用三角测量方法获得的纬度差值比其大5秒。Everest将这归因于Himalayas对测量铅锤的重力吸引。John Pratt1809-1871),这位剑桥训练出来的数学家和加尔各答的神父开始思考这个问题,他计算了造山带的重力效果,发现实际偏差比预期的要小,好像一部分山脉消失不见了!他提出如果这些造山带的表面形态某种程度上被它们之下的一种亏损物质补偿就可以解释观察到的测量结果,这种思想被称为重力均衡。20世纪早些时候,两位美国的大地测量人员John HayfordWilliam Bowie通过对美国本土的测量证实了重力均衡的正确性,并且将其从造山带扩展到了大陆上。通过以下两种方式可以达到重力均衡:一是大陆的物质密度小于其下伏物质密度,二是大陆有像冰山一样的深根。无论哪种,都说明大陆“漂浮” 于下伏物质之上,不会下沉成为海洋,大陆和海洋并不可以相互转化。

第三方面的证据,也是最根本的,物理学家发现元素的放射性可以产生热,这与收缩理论假定地球是逐渐冷却的观点相抵触,地质学家转而寻求其他驱动力来解释地壳变形。1920s,许多人士认为地质学正处于一种严重的科学危机中,抛弃了收缩理论,地质学家如何解释以前认为的大陆是连接在一起的证据?海陆都不变化如何从历史观点解释大陆物质变形的证据?欧洲接受Edward Suess收缩理论的地质学家更深刻地感受到了这场危机,北美地质学家也发现他们面临进退两难的尴尬境地。

作为气象学家和早期大气动力学教科书的作者,具有开创革新精神的Alfred Wegener(1880-1930)认识到古气候变化可以通过大陆漂移来解释。然而大陆漂移并不只是古气候变化的“灵丹妙药”,还可以用来解释重力均衡:一方面,古生物学证据可以证明大陆是连在一起的;另一方面,大地测量学证据证明海陆不是相互转化的。Wegener给出的答案是用大陆的水平移动来解释这发生的一切。


Alfred Wegener,1930年去Greenland科学考察,为大陆漂移理论寻找证据,在寻找证据的过程中,脱离分队,独自研究,最终弹尽粮绝,冻死在了睡袋中,尸体直到1931年5月才被发现。

Wegener的理论在1920s1930s早期成为人们茶余饭后的谈资,但也有些人对之嗤之以鼻,不屑一顾,特别是美国的地质学家,为其贴上了“坏科学”的标签,拒绝的标准理由是缺乏动力学机制。

大陆漂移机制争论的焦点在于重力均衡。如果大陆在密度大的下伏物质上“漂移”,下伏物质要不是流体,要不具有塑性。有一个很好的例子可以证实这种可能性:在Scandinavia,地质学家已经积累了足够丰富的资料,证明自更新世(10000年前)以来,芬兰和Scandinavia确实在步步升高。这种现象的合理解释是在更新世时期,区域覆盖了大量冰川,产生的重力导致地壳下沉。随着冰川不断消融,陆地表面发生了慢性回弹。这至少为大陆可以在下伏物质上移动提供了经验性证据,至少在垂直方向上,至少在更新世是如此。


Wegener的泛大陆(Pangaea)与随后的大陆漂移

在北美,这个问题被哈佛大学地质学教授Reginald A. Daly一再复述,他是大陆漂移理论在北美的坚定支持者。Daly认为解决问题的关键在于地球的圈层构造。地震学资料显示地球可以分为三个圈层:地壳、地幔和地核。地幔是玻璃质的,因此在长期的上覆地壳的重力下可以缓慢发生移动。在地槽之上,Daly认为沿大陆边缘的沉积作用会导致地面高低不平,这反过来会产生重力不稳定性。最终大陆破裂,向下滑动,滑动的断块会与另一个断块相互叠加,小的滑动力不断增加最终引起了大陆漂移。

Daly呼吁他的美国同事专注大陆漂移,但是响应者却寥寥无几,而在欧洲反应则较为积极。学习过物理学的爱尔兰地质学家John Joly1857-1933)把这个问题与放射性联系在了一起,他证实通常观察到的黑色云母中的多向色晕环是由矿物中所含元素UTh的放射性所形成的,例如磷灰石。放射性元素在岩石中普遍存在,因此放射性产生的热也普遍存在,当放射性热不断聚集的时候,地幔就发生了部分融熔,在融熔的过程中,大陆在微小的重力作用下都有可能发生移动。周期性的地幔融熔再加上岩浆旋回,最终引起了全球大规模的造山运动。

Joly的想法得到了剑桥大学著名地球物理学家Harold Jeffreys掷地有声的反对,Jeffreys认为地震波反射资料表明地球是一个刚性的坚硬的球体,根据物理学观点,大陆是不可能在上面移动的。而Joly注意到虽然地球现在是刚性坚硬的,但并不总是一贯如此。英国地质学家Arthur Holmes1890-1965)的解释更有说服力,他认为地幔并不需要为“流体”,只需塑性即可。在高应变速率下可能为刚性,但在低应变速率下则为韧性,如果后者应力状态时间足够长,则大陆就可能在其上移动。Holmes认为的驱动力为放射性热产生的地幔对流,洋中脊只不过是“上升流”导致大陆发生破裂的部位。“下降流”则是形成地槽的位置。槽脊之间,大陆如压面机上的传送带一样缓慢移动(图示可以参照《飞扬的地质年代》)。

说明:本文主要根据参考文献1写成,图2引自参考文献3,其余图都引自参考文献2。

参考文献

1.Naomi Oreskes.From Continental Drift to Plate Tectonics

2.Stephen M.Tomecek.Plate Tectonics

3.Earth Dynamic Systems






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