羞耻地呼吸的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/tidesung617 男儿宁当格斗死 何能怫郁筑长城

博文

从大陆漂移到板块构造(中)

已有 7168 次阅读 2014-12-21 17:09 |系统分类:科普集锦

大陆漂移:余晖渐消

Arthur Holmes的文章一时广为传承并到处颂扬,许多科学家也认为他已找到了大陆漂移的“发动机”。然而,说“不”的声音也铿锵有力,特别是在美国,他们对Wegener的理论的反应就像美丽少女俊秀的脸庞突然长出了粉刺。

三方面的因素致使美国人对大陆漂移充满敌意的惊诧。首先美国人普遍笃信多重科学假设方法论,直到某一假设方法的证据足够充分,具有很强的说服力,才能得到他们的认可。求证的时间段一般会很长,通常是几年,甚至几十年。这种方法由芝加哥大学的地质学家T.C.Chamberlin(1843-1928)首先命名,反映了自18世纪以来美国人“好的科学与好的政府相联”的理想主义。好的科学犹若民主主义而反独裁主义,好的科学犹若自由社会而呈多元社会。美国先期两位总统Thomas Jefferson和Benjamin Franklin认为好的科学是好的政府的标杆,前者更是认为科学研究的主要目的就是基于这个原因。既然好的科学是自由如烟社会的标杆,那么坏的科学则会对社会充满威胁。根深蒂固、一贯如此的思维使得美国人相信好的科学方法是注重经验的、谆谆诱导的、和风细雨的,坚守客观的实际存在,抵制主观的冲动妄为。无疑Wegener的大陆漂移理论从好几方面违背了这全真教一样的传统教条:它理论在先,证据在后,它太浩淼无边,它太野心勃勃。这些对后来板块构造重要的特征成为当时攻击大陆漂移的有力“武器”。

再是,大陆漂移理论同美国人所描述的重力均衡观点不相协调。John Pratt认为重力均衡补偿可以通过下伏物质密度变化得以实现,英国皇家天文学家Biddell Airy(1801-1892)指出地壳厚度的差异也可产生相同的效果。按照Pratt的理论,山脉下为低密度地壳,但重力均衡补偿面深度处处相同,而Airy的理论却认为补偿面的深度并非恒定,高山有深根。Hayford和Bowie的重力均衡调查是建立在Pratt认为重力均衡补偿面到处一致的模式之上的,在美国全境他们能很精确地预测重力均衡表面效果,即调查资料与模式预测相对应,因此他们得出结论这种模式是正确的。他们之所以选择这种模式是因为其简单易行。巨大的挤压应力挤压地壳,使之厚度各异,最终以Airy的重力均衡观点结束。美国人为Airy的观点陶醉,而无形之间拒绝了Pratt的观点,最终拒绝了大陆漂移。

重力均衡:Airy模式与Pratt模式

最后一点,美国人拒绝大陆漂移还来自Charles lyell(1797-1875)“均变论”的深远影响,他们深信要理解砂岩形成,只需漫步海滩,看潮起潮落,砂进砂退。要理解火山岩,只需观察岩浆喷吐,四处流溢。要想理解化石,只需看现代生物在相似的环境中来来往往,熙熙攘攘。Lyell提出均变论部分原因是用来解释岩石这盘“磁带”所录制的内容,部分原因是对把《圣经》看作解释早期地球历史的“圣典”的那群人的一种回应。所以均变论充实地质学家的大脑一方面扫除了宗教对地质学的侵蚀,一方面奠定了地质学为一门科学的基础。

无论Lyell的观点正确与否,自其提出之日至20世纪早期,均变论已深深根治于地质学家的头脑中,它们已经习惯于通过古生物来推断其形成环境。然而根据大陆漂移学说,存在于热带地区的大陆不一定非要有热带生物群,因为也许是飘洋过海而来,就像印度板块那样不远千里,来亲吻她冥冥之中注定的恋人。Wegener的理论损坏了“现在是了解过去的”这把钥匙,美国人并不愿意接受这样的“生物入侵”一样的观点。直到一种生物化石证据的出现才使得这场有关大陆漂移的争论得以平息。1933年,地质学家Charles Schuchert(1858-1942)和Bailey Willis(1857-1949)提出大陆之间断断续续为地峡所联,如南北美之间的巴拿马地峡,北美洲和亚洲之间的白令陆桥。地峡在造山作用下不断升高,在重力均衡影响下又逐步下沉。这种解释明显有些武断,除了古生物学证据再也找不到其他证据,然而这种思想却被广泛接受,美国人开始不那么关心大陆漂移学说了。1937年,南非地质学家Alexander du Toit(1878-1948)出版了《Our Wandering Continents》,书中列举了大量大陆漂移的地质证据,然而这本书在北美没有产生什么影响。在世界各地,特别是南美和澳洲,一些地质学家还大力推崇大陆漂移,并用之解释地质资料,但是这些人更像生活于冰川时代冰峰上的孤独者,更多的科学意见则是反对大陆漂移的。如此一耽搁就是20几年,直到新的证据到来才重启大陆漂移的争论,可惜那时Wegener的尸骨已经在格陵兰岛横躺了几十载。

踏上征程:别样风景

Schuchert和Willis的“地峡”假说满足了大多数美国地质学家的“爱国之心”,但是问题还远远没有结束。1920s,William Bowie牵头的一个科学团队开始与美国海军合作测量海底的重力。那时人类对海底构造和组成这些基本问题还一无所知。山雨欲来风满楼,嗅觉灵敏的地质学家已经感觉到自由呼吸的空气中有了咸咸的味道。

在海洋中进行重力测量是极其困难的,因为海浪和海风会对精致的仪器产生噪音。荷兰大地测量工作者Felix Vening Meinesz(1887-1966)是这方面世界知名的专家,他发明了一种别具匠心的重力计,可以排除外部因素的干扰。1923年,在印度尼西亚进行重力测量时显示了它的威力,在那里他发现了许多与爪哇海槽有关的重力异常,Wegener的支持者提出爪哇海槽是两个板块汇聚俯冲的地方。Meinesz开始对重力异常、海槽、地壳运动之间可能的内在联系产生兴趣。1928年,Meinesz受Bowie的邀请到了美国,随后在加勒比海和墨西哥湾等地开展了一系列重力测量。在这些测量过程中,来自Princeton的年轻岩石学家Harry H.Hess(1906-1969)、来自Lehigh的“菜鸟级”地球物理学家Maurice Ewing(1906-1974)、来自英国的地球物理学家Edward Bullard(1907-1980)都有幸参与其中,并掌握了反射地震波有关理论知识与仪器操作技巧。

这些重力测量结果证实了重力异常与海洋中的特别深的地方存在着某种关联。为此Hess和Meinesz进行了深入讨论,二者均同意海洋地壳发生了某种未知的变形。很明显,海洋地壳并非原来认识的“静静的顿河”,而是在某些区域也曾激荡澎湃。对大陆漂移理论了如指掌的Meinesz提出地幔对流可能正是将海洋板块带入无边黑暗的元凶,重力负异常与这些海沟、海槽相对应。Hess借用德国地质学家Erich Haarmann的说法将之称为“海渊”(tectogene)。

“海渊”概念获得了Meinesz的荷兰老乡Philip Kuenen的支持,他做了一系列试验证实在物理学上这种想法是可行的。加州大学的David Griggs通过使用石蜡和油的试验也模拟了地幔对流可以引起板块漂移,同时他也注意到环绕着太平洋的地震都分布于太平洋板块倾向大陆45°角的区域。Hess看到这些报道后异常兴奋,这有助于他理解加勒比海的工作。正当他们意气风发想要大干一场时,第二次世界大战爆发了!

海洋革命:风起云涌

在1920s,美国海军对于将军费投资于科学研究一直谨慎甚微,他们对于科学研究是否有用一直心存疑虑,这种状况由于第二次世界大战的爆发而彻底改变。美国联军战争早期遭受了德国U型潜水艇的猛烈攻击,损失惨重,美国海军遂认识到地球物理学和海洋学知识也许有助于探测到或者避免水下潜水艇的攻击。当务之急需进行两方面的研究:磁学,可以探测到潜水艇的位置;海洋地形学,可以为水下逃跑提供帮助。

1940s,美国海军有一件令人头疼的事,他们的声纳系统在下午不能正常工作,为此他们要求当时在Woods Hole海洋研究所工作的Maurice Ewing着手调查此事。Ewing发现温度效应会使声波发生弯曲,于是就形成了一个“阴影区”,在这个区域内,声波检测不到。这个发现对于水下战争意义重大,如果一个潜艇恰好位于这个“阴影区”,那么敌军就不会发现它的存在。Ewing还发现某些情况下,声波会聚集于某个狭长区域,好似来自四面八方的汽车都驶入同一条高速,在这个狭长区域内,声波可以传输很远,他把这种现象称为“声道”。使用这种技术美国海军可以对空中飞机和水下潜艇实现精确定位。

当Ewing正在将水下声音用于民事研究时,Hess在1941年参加了海军预备役,他成为了具有攻击能力的USS Cape Johnson运输舰的舰长,任务之一就是利用回声技术探测太平洋海底地形。这项调查对于军事与科学同等重要:对于海军而言,精确的海底地形图有助于潜艇在海底穿梭自如;对于科学而言,可以提高地质学家对海底地形和结构的认识。Hess发现了平顶海山,他以Princeton第一位地质学教授的名字将之命名为“Guyot”,并认为主要是在其下沉过程中,顶部遭受海浪侵蚀而形成的,这有力的说明了海底盆地并非铁板一块,而是一直在运动着。

至二战结束,美国海军为地球物理研究在战争中的作用所信服,以新成立的美国海军办公室为出口,资金源源不断地流向了美国一些实验室,其中三个科研部门受益良多,分别是Woods Hole、Scripps海洋研究所和位于哥伦比亚大学的Lamount地质观察站。他们主要进行海洋物理学研究,如水下声场、磁场以及海洋测深。地震学也得到了长足发展,首次被用来调查海底的结构和地震的特征,后来用于监测地下核爆炸。

1945-1970年称得上美国地球科学史上最激动人心的时刻,大量的资金导致重大科学发现井喷式出现,犹如冰川过后的生物大爆发,不但可以在海面“航行”,还可以在海中“游泳”,海底“漫行”,最终对海洋有了全面的认识。Woods Hole、Scripps和Lamount开展了多次海洋探索,收集了大量有关海洋测深和海底构造的资料,了解了不同海水层的物理化学性质,明白了海水-大气层间的相互作用和波浪的形成,知道了海底沉积物以及海底岩石的重力和磁性特征。25年所获得的海洋学知识远远超过了此前海洋科学积淀的全部。

在英国的情形和美国差不多,许多科学家在战火纷飞、炮火连天的年代为军事科学服务,这其中就包括了Teddy Bullard和P.M.S.Blackett(1897-1974)。1920s晚期,Bullard还是Cambridge大学Cavendish实验室的一名研究生,在当时也在实验室工作的Blackett手下从事空气中电子散射研究,不久他就发现了支持量子力学理论进展的衍射模式。Bullard的学术生涯看起来就像蒋先云的军事生涯一样,开局良好,但时局动荡,经济萧条,社会上一时之间难以找到合适的工作。Cavendish实验室的主任Ruthurford 建议他无论什么工作,只要能找到,就去做,毕竟人首先要解决吃饭穿衣问题。最终在Cambridge新成立的大地测量与地球物理系他谋得了一份教授测量学的工作,当时这个系算上系主任Lenox-Conyngham只有可怜的两个人!


Bullard在东非进行重力测量休息时,(1937年,他第一任妻子Margaret拍摄)

在随后的8年里,Bullard一直从事重力测量工作,包括1937年去美国那一次,通过Ewing,他学会了反射地震学,开始研究大西洋英国一侧的大陆架,与Ewing研究大西洋北美一侧遥相呼应。与此同时,Blackett在Ruthurford领导下开始从事宇宙射线研究,为此,他获得了1948年诺贝尔物理学奖。

1939年,Bullard和Blackett都为军方工作,Blackett主要专注于磁性扫雷和消磁船研究,战后两人都把注意力转移到了地磁上。Blackett离开与原子弹爆炸有关的核物理研究纯粹出于潜意识,1947年,在曼彻斯特(Manchester)大学工作期间,他提出了一种解释地球磁场的理论:磁性是旋转物体的基本性质,当星球旋转时就会自动产生磁性,为此他设计了一种无定向高灵敏度磁力计,用于测试物体旋转时产生的磁性。利用他在战争为部队服役期间结下的丰富人脉资源和良好的家庭社会关系,成功从英国皇家铸币厂借到了17kg纯黄金,他让黄金高速转了起来,以模仿低速运转的地球,结果发现磁力计纹丝不动,他的试验失败了,他灵光一现的想法最终证明只是睡梦中的呓语。

Bullard有着自己的观点,他认为磁场是瞬时因素产生的,比如液态铁质地核产生的对流,即所谓的发动机理论。如果Blackett是正确的,磁场是由地球的总质量产生的,那么它是一种分布式特征,磁场强度将会随深度增加而减小。如果Bullard是正确的,磁场强度与深度变化无关。Blackett在Manchester大学的同事S.K.Runcorn躺在床上如是思考,为了一探究竟,他佩带磁力计“一个筋斗”从竖井翻到了煤矿深部,结果发现与深度无关,到1951年,Blackett的想法是错误的已经很清晰了。

这时候,Runcorn和Blackett又将他们的注意力转移到了岩石磁性特征上,如果磁场是瞬时的,磁场的历史变化将会在岩石中以剩磁的形式存在。在20世纪早期,Pierre Curie就发现岩石在磁场中冷却会带有当时磁场的磁性,这个冷却温度称为“Curie Point”。因此如果磁场变化,这种变化就会留在岩石里,就像流星划过太空存在于我们的记忆里。火山岩无疑是测量岩石磁性的最佳选择,于是Runcorn回到Cambridge,组建了磁性研究小组,他还雇用了一个刚毕业的研究生Edward Irving,他们一起测量英国范围内不同时代地层的磁性。

1953年,Blackett去了伦敦Imperial College,开始组建他自己的磁性研究小组。在这里他欣逢地质学教授H.H.Read,正是Read当年鼓励Arthur Holmes以地质为人生己业。在战争年代,Holmes很少有学生教,于是写了一本综合性教科书广泛讨论大陆漂移,包括证据与对流循环可能扮演的角色。据说,当Blackett向Read学习请教岩石学知识时,Read让他去图书馆阅读Holmes的书籍。到1950s,Runcorn和Blackett的磁性研究小组都观察到岩石确实可以记录地球的磁场变化,这些变化表明地球的磁场并不是恒定如一的,而是处于游移状态。

参考文献:Naomi Oreskes《from continental drift to plate tectonics》





http://wap.sciencenet.cn/blog-115490-852792.html

上一篇:从大陆漂移到板块构造(上)
下一篇:从大陆漂移到板块构造(下)

14 朱志敏 陈儒军 徐晓 王铮 黄永义 李鑫 高敏 王伟 张强 曹裕波 鲍博 邹少浩 毛宁波 bridgeneer

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (8 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-12-2 03:03

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部