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从大陆漂移到板块构造(下) 精选

已有 7023 次阅读 2015-1-7 07:02 |系统分类:科普集锦

他们的资料有两种可能的解释:磁极游移或大陆漂移,Runcorn认为,通过对比不同大陆相同时代岩石的磁场变化就可以判断哪种解释正确。Irving离开Cambridge后,在澳大利亚国立大学谋得了一份差事,开始着手研究澳大利亚、印度、北美和欧洲的磁极游移路径,结果发现各大洲磁极游移路径均不相同。1956年,IrvingBlackett一致认为古地磁资料可以为大陆漂移提供可靠的证据,随后RuncornTeddy BullardHarry Hess都接受了这种观点。

受此激励,Hess重拾20年前丢弃田野的稻穗:明确提出地幔对流就是大陆漂移的最终驱动力。BullardArthur MaxwellRoger Revelle的海底热流测量结果也显示:洋中脊的热流值比别处都要高,与对流循环模式中的“上升流”位置一致,进一步为地幔对流提供了确凿的证据。Scripps海洋研究所的Robert Diez改进了这种模式:海洋地壳是由水下喷发的玄武岩形成的,并为之起名:海底扩张(sea floor spreading)。一石激起千层浪,这种理论遭到了那些一直对大陆漂移充满敌意的北美地质学家的强烈反对。在地磁测量中,科学家们还发现一些岩石中的磁性与现代地球磁场相反,磁极历史上发生过倒转吗?

也许地球磁场倒转是一种周期性的行为,早在20世纪初,法国物理学家B.BrunhesP.L.Mercaton就异想天开提出了这种当时近似荒唐的想法。但那时对地球磁场的起因尚未完全认识,又有几个人会相信这极端的具有投机色彩的磁极倒转呢?1920s,日本地球物理学家Motonari Matuyama在研究日本本土火山岩的磁性时发现了一条规律:近期喷发的熔岩中的磁性与现代磁场相一致,而所有更新世甚至更为古老的岩石中的磁性却发生了倒转。但当时他富有见地的工作并没有得到欧美地质学家的认可。1950s,在冰岛工作的Jan Hospers也发现了相同的规律。

磁极倒转问题引起了加州大学伯克利分校(Berkeley)有关学者的注意,他们想知道这种倒转是反映了当时的磁场变化还是只是岩石的一种内在物理性质。Cox测定了美国西北部Snake River地区产出的数百件玄武岩样品的磁性,其结果与MatuyamaHospers的结果相一致。如若知道火山岩的年龄,就可以知道地球在什么时候磁极发生了倒转。恰在此时,Berkeley的地球化学家们发现K-Ar法可以用于测量年轻岩石的年龄。在这以前,人们都使用U-Pb法进行测年,但是U的半衰期太长了,只能测量古老的矿物。CoxDoellDalrymple当时都在美国地质调查局(U.S.Geological Survey)工作,Mcdougall在澳大利亚州立大学与Don TarlingFrancois Chamalaum并肩作战。两组技术人员几乎同时展开了K-Ar测年竞赛,以证实磁极倒转是否是地球历史中的具体地质事件。1963年,利用测试数据建立起了古地磁时间表,表明在过去的400万年间,地球发生了4次较为明显的磁极倒转。这4个期分别被命名为BrunhesMatuyamaGaussGilbert期,现在我们生活于Brunhes正磁极期,它始于70万年前。

                                古地磁时间表

ScrippsLamount的科学家早在1950s间就收集了大量海底磁测资料。1961年,ScrippsRonald MarsonArthur Raff发表了一篇经典文献:详细探讨了美国西北海岸的磁极正常与倒转情况。异常形成了一系列条带,好似黑白相间的斑马线,与海岸线大致平行。磁极倒转、海底扩张,他们之间是否有内在的联系?如果海底扩张时,磁极发生了倒转,形成海底的玄武岩会记录下磁极正常与倒转的情形,加拿大地球物理学家Lawrence MorleyCambridge大学地球物理学家Frederick VineDrummond Matthews开始浮想联翩,也许Hess的“地球诗篇”就要转化为“地质事实”了。

检查证据的重任落在了受James Heirtzler领导的Lamont身上,早在1950sEwing在每一艘考察船后面都挂了个磁力计,测定了大量海底岩石磁性数据。在许多年间,Heirtzler和他的学生一直在研究海底剩磁机制,这些不经意间收集的资料此时恰好成了证实海底扩张的关键所在。1965年,HeirtzlerXavier Le Pichon连续发表了论述大西洋磁性特征的文章,1967-1968年,lamont科学家更是证实了海底磁条带分布特征与VineMatthews预测的模式相一致。同在lamont工作的Neil Opdyke则证实海相沉积物与陆相和海相玄武岩一样,记录了相同的磁场性质,由此磁性特征实现了海陆对接。

Lamont的另一组科研人员正在风起浪涌的大西洋里进行海底深度的测量。经过近乎20年不懈努力,Bruce Heezen1924-1977)和Marie Tharp绘制了海枯石未烂,清晰可见的大西洋海底地形图,仿若达芬奇蒙娜丽莎的微笑艺术再现,地质学家哪怕只是不经意一瞥,也会被洋底中间宛若游龙的山链所吸引,何况还有如刀割的横向断层存在。在这些山链的当中好似做过剖腹产的生过孩子的女人,留下了长长的未缝合的“疤痕”,Tharp从其身姿判断其为裂谷,是海底分离扩张的部位。Heezen1950s中期澳大利亚地质学家S.Warren Garey提出的地球膨胀理论来解释这种现象。但在Lamont其他地质学家眼里,却闪现了Hess海底扩张的思想光辉。

那如刀割的横向断层是什么?具有异于常人创造力与洞察力的加拿大地质学家J.Tuzo Wilson最终解决了这个谜团。Wilson长期从事太平洋岛屿研究,比如夏威夷群岛。发现距离东太平洋洋隆越远,火山岛屿的年龄越老。Wilson突发奇想,如若在地壳深部或者地幔存在一个火山中心,那么通过海底扩张运移的洋壳产生的火山岛屿年龄就会逐渐变老,今天这种理论已经广为地质学家接受并有所扩展,这就是“热点”理论,虽然它有点稀奇古怪。

1965年,Wilson拜访了Cambridge,和Teddy BullardFred VineDan Mckenzie进行了亲切交谈,用了一个假期苦苦思索这个问题。终于悟出一条道理,新物质的增生必将产生一种新的断层变位,Wilson异想天开地将之命名为转换断层(transform fault)。当时多数地质学家都认为那只是一种司空见惯的滑移断层,显然这是用陆地观点来看待海洋,但实际上海洋和陆地有许多不同之处,如蛇绿岩套中垂直的席状岩墙只有在海洋环境中才能形成也是这方面的一个生动事例。

这种想法提出时是那么异乎寻常,以致信者寥寥。Wilson的观点正确与否自需事实来评判,而非那些终生在大陆上追踪断层的人妄自菲薄。1962年,Lynn Sykes还在Lamont做研究生,开始并没有在意Wilson的思想,但当他看到呈条带分布的海底磁异常后目瞪口呆,毅然将身边一切事物放置脑后,利用美国宇航局Goddard空间飞行中心计算机条件,搜集了“全球标准化地震网络”所属各地震台的所有资料,经过几周时间埋头苦读,终于算出了从大西洋到太平洋的17个地震带的变位,证实17条断层条条运动方向都与Wilson的预测一致。


转换断层与显示的板块运动方向

随着转换断层的彻底解决,一副崭新的地球画卷形成了。海洋在洋中脊位置裂开,喷发的玄武质火山岩形成了新的洋壳,老的洋壳向两侧缓慢移动,最终与陆壳挤压碰撞,并且因为洋壳密度大俯冲于陆壳之下,越滑越远,进入地幔。洋壳陆壳摩擦过程中,地震频发、岩浆涌动,大陆边缘褶皱成山,成今天世界屋脊、雄伟山势。


大洋中脊


洋壳-陆壳碰撞俯冲

1968Daniel P.McKenzieRobert L.ParkerJason Morgan等为这副美丽的画卷起了个美妙的名字:板块构造。至此多年心事尘埃落定,在近一个世纪的等待后,科学家终于找到了山脉起源的答案。

Hess的海底扩张思想,到VineMatthews对地磁异常的解释,到Wilson提出转换断层,到Sykes证实他们预言的运动方式,再到Morgan以及McKenzieParker归纳出板块构造理论,为推想的海底扩张说奠定理论基础。这些发现环环相扣,完成了一个完整的认识旋回!(许靖华《地学革命风云录》)

今天板块构造理论在地球科学领域叱咤风云、独领风骚,且表现出相当大的适应性与包容性,地球的演化、气候的变化、生物的进化、矿产的形成、人类的起源等等似乎都可以从板块构造中寻找到部分答案。他的根本在于给人类提供了一种动力学思想,使人类可以更为理性地应用运动变化的观点来看待世间万物,以解释“看山似山又非山”的困惑。诚然地震、火山给人类的生命财产造成了巨大的损失,但若没有这些自然灾害,也就看不到乞力马扎罗的雪,欣赏不了珠穆朗玛峰的雄伟带给人类心灵的震撼与顶礼膜拜。战争使人类背井离乡,流离失所,但若没有三国演义、世界大战,也就没有现代高科技的迅猛发展。第二次世界大战加速了板块构造理论的诞生,人类群星闪耀时,向那些为板块构造理论做出贡献的人们致敬!

参考文献

1.NaomiOreskes. from continental drift to plate tectonics

2.Earth dynamic systems(图件)

3.许靖华.地学革命风云录




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