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转换思维 热点华年—地质大师Wilson的灿烂人生 精选

已有 5969 次阅读 2015-7-1 20:20 |系统分类:科普集锦

在地球科学领域早期出现的观点多少都有些儿管中窥豹,以偏概全,将之运用于全球,不可避免会产生一些儿矛盾,引起一番争执,甚至发生了科学史上不多见的武斗(水成论与火成论之争)。地球收缩假说从某种意义上来说是第一个全球构造理论,而不幸地是,第二次世界大战的爆发加速了海洋地质的发展,从而使这种假说很快被人们遗忘,随之崛起的是盛行当下的板块构造学说。板块构造学说可以清楚地解释中生代以来的大地构造活动,只是因为年代的久远,证据的缺乏,在解释古生代以前的构造活动方面还不甚完美。如今许多地质学家还在通过实地观察、理论分析、试验测试的手段对之不断进行修正完善。提起板块构造,我们很自然地就会想起板块之间的分离、俯冲、汇聚,产生的洋中脊、海沟、岛弧,并伴随有对人类产生致命伤害的地震、火山、海啸。我们也会下意识地想到热点、转换断层这两个有些儿古里古怪、不置可否的概念,然而在现实面前,他们又让那些质疑者统统闭上了嘴巴。这两个概念都是在上世纪60年代由一个加拿大地球物理学家John Tuzo Wilson提出来的。今天我们对Wilson的一生做以回顾。


John Tuzo Wilson(1908-1993,照片来自网络)

学习教育生涯

Wilson19081024日出生于加拿大渥太华,他的父亲John Armistead Wilson是一名苏格兰工程师,自小喜欢飞机,把一生都贡献给了飞机事业,对加拿大民用飞机的发展起了举足轻重的作用。他的母亲Henrietta Tuzo是一名登山爱好者,具有大无畏的冒险精神,有着不平凡的经历,是一个伟大的女人,19067月,她与瑞士向导Christian Bohren首次登上了加拿大西部的一座山峰,后来这座山峰被命名为Mount TuzoWilson继承了父母的优秀品质并在以后的岁月里发扬光大,他喜欢户外活动、周游世界,对加拿大的历史也充满了热爱。

17岁还是一个中学生时,那年暑假,Wilson有幸被加拿大地质调查局(Geological Survey  of Canada)雇佣为初级助手。带他的一个师傅有一个习惯,喜欢在Wilson给大家做晚餐时把捡来的石头扔到他脚下,并问他那是什么岩石,随后再给他解答。就这样Wilson学会了许多基础地质知识和野外生存技能。Wilson身体强壮、精力充沛,并且对地质产生了浓厚兴趣,从身心上已经具备了从事这项体力能力兼备事业的先决基础条件,他已经有些儿迫不及待了!

1926年,Wilson来到了多伦多大学(University of Toronto),那时还没有地球物理专业,甚至想一起学地质与物理课程也不是一件容易的事,最终他读了数学与物理专业,但是每年夏天,他依然去参加野外地质工作。不久他就发现学习物理并天天呆在屋子里做实验是一件极其枯燥乏味的事情,而且已经dada落后于时代的进步,觉得在野外工作更加自由浪漫,更能释放青春活力、更能拥有新颖思想。此后不久,物理系也发生了一些儿变化,Lachlan Gilchrist教授受政府委托,加入了一个团队,用地球物理方法寻找有用矿体。这在两方面影响了Wilson:一是雇佣了Wilson和他一起在野外调查,在此期间Wilson学会了操作磁力仪和电法仪器设备;二是说服多伦多大学建立了物理与地质学科,Wilson是这个学科的第一个学生,也是唯一一个学生,即使在他毕业后几年间。

1930Wilson毕业后去了英国剑桥大学(Cambridge University)攻读地球物理学硕士学位,但他很快发现,原来学习的课程有些儿混乱,于是决定重新再学一次。通过和Harold  Jeffreys爵士学习地球物理,他发现自己掌握的数学知识实在有限,另外他还碰到了以后大名鼎鼎的Teddy Bullard,他们很快成为好朋友。通过2年的学习,他又获得了一个学士学位。

离开剑桥大学后,他去了普林斯顿大学(Princeton University)攻读博士学位,他深深地为Richard M.Field,这位当时美国赫赫有名的地球科学家的领导魅力所折服。在这里Wilson结交了三个好朋友,来自理海大学(Lehigh University)的Maurice Ewing、来自普林斯顿大学的Harry HessD.C.Skeels,其中前两位在后来的板块构造地学风云里叱咤一时,风光无限,后者则在石油领域业绩突出。Wilson被分派到Taylor Thom教授手下开展工作,Thom是蒙大拿州熊牙山地区(Beartooth Mountain)地质领域的权威人物,在构造地质方面造诣非凡。老师给了Wilson 200美元,让他自己买辆二手汽车,然后一个人开车去熊牙山,度过那个夏天剩余的日子,所以Wilson的博士论文都是一个人在熊牙山里跑出来的。

野外工作生涯

博士毕业后,Wilson去了加拿大地质调查局,在那个年代,调查工作主要是进行既定比例尺的地质填图。许多填图人员都希望夏天出野外,那样可以聘到好多年富力强的学生当助手。Wilson 被分派的第一项任务是在加拿大新斯科舍省(Nova Scotia)南部开展填图工作,在那里晚泥盆纪花岗岩侵入到了寒武纪到志留纪形成的一套杂砂岩和板岩组成的地层中。第二项任务是去加拿大西北地区(Northwest Territories),工作区遥远而荒凉,自1771-1772Samuel Hearne后,就没有外来的地质学家到过这个地方。有一次他的队伍缺少食物,Wilson乘坐独木舟,探身湖面,用一把斧头击中了正在水中游泳的驼鹿的头,因为他知道Samuel Hearne当年就这么干过。由于工作区面积巨大而且夏天短暂,为提高工作效率,他借用了当时刚刚兴起的航空照片,他对这种方法非常热衷,甚至把断裂、岩脉等推断的填图内容直接填绘在了航空照片上,而不是传统的地形图上,老的地质队员看着直皱眉头,这种推断的“地质事实”也遭到调查局领导的反对,在地质图出版时,多数予以抛弃。但这种方法在Wilson手上有着广阔的用武之地,并逐渐发展成为一种地质填图不可或缺的方法,尤其在前寒武纪地盾区识别构造方面。

1938年,他与Isabel Dickson在渥太华结了婚,1939年第二次世界大战爆发了,他作为一名工程师参加了空军,远赴英国,他的新婚妻子可以接受丈夫夏天不在身边的事实,但不想战争来临时依然与之分离,也毅然跟随去了英国,直到1944年才一起返回加拿大。那时Wilson军衔已经升到了大校,军队注意到他的研究才能,让他当了一个空军研究部门的头。在1982年,他成功组织了有名的Exercise Musk Ox探险,这次探险掀起了对加拿大北部科学研究的热潮。

科学研究生涯

1946年,Wilson接到了多伦多大学物理系主任E.F.Burton教授打来的电话,问他是否愿意回物理系从事地球物理工作,Wilson毫不犹豫地接受了邀请并在那里书写了他辉煌的科研人生。刚到之时,Wilson发现人员青黄不接,设备陈旧落后,他斗志昂扬,勇往直前,决定组建一个地球物理研究中心。在物理系做地质学教授的好处是没有本科教学任务束缚,可以放开手脚,大胆去干。他不遗余力,四处奔走,筹集资金,并吸引有才华、有思想的年轻人进入他的团队,“地球物理实验室”的名声不径而走,吸引了越来越多的目光。通过对航空照片上线性构造的持续研究,慢慢认识到前寒武纪地盾并非完整一块,而是由早期克拉通和后期叠加其上岩石构成。要想证实这种想法就必须对这些岩石进行同位素测年,于是他把搁置已久的质谱仪重新“请”进了实验室,指导学生开展Pb同位素测年。随着业务熟练,经验积累,知识增加,所获得年龄数据协和性越来越好,并证实了地盾是在微小克拉通基础上逐渐发展起来观点的正确性。

由于早期在阿巴拉契亚(Appalachians)和加拿大地盾的工作,使得Wilson坚信造山作用在地质历史上并没有发生剧烈变化,因此对大陆漂移假说不屑一顾。但随着海洋地球物理资料所获得的证据越来越多,特别是海底磁条带异常的发现,又使得Wilson不得不检讨自己旧有观点。当阅读到R.S.Dietz发表在Nature上的“Continent and ocean basin evolution by spreading  of the sea floor”文章后,犹如一颗炸弹炸开了Wilson的心扉,他毅然决定抛弃原来的固执己见,而投入大陆漂移的怀抱,从而实现了从“从梭罗到保罗”的转变。

1960s初,Wilson的研究注意力集中于海岛上。海底扩张理论认为,离洋中脊越远,形成的海洋物质时代越老,但他发现有些海岛与这种模式不符,如夏威夷群岛(Hawaiian islands),如今远离洋中脊,但却依然有强烈的火山活动。通过对正在活动的Mauna Loa岛的考察分析,最终提出夏威夷岛下存在一个固定的“热点”(hot spot),这个热点目前位于Mauna Loa下。当太平洋板块移动时,热点处的岩浆穿透板块,引起火山喷发,形成火山岛,如今在在西太平洋存在一系列链状火山岛,并且离“热点”越远,火山岛的形成年龄越老。如果说海底磁条带异常提供了板块运动的相对速度,那么岛链则提供了海底相对地幔的“绝对”速度。Wilson根据事实结合他的独特新颖想法,写就了他一生伟大之作““A possible origin of the Hawaiian islands”,然而具有讽刺意义地是,那些顶尖的地学杂志对这种痴人说梦似的想法不屑一顾,纷纷退稿,最终发表在了the Canadian journal of physics这一不起眼的刊物上。


夏威夷热点(Hawaiian hotspot,照片来自网络)

1963年底,海底扩张理论逐渐成熟并得到大多数地球科学家的认可,识别出了两种板块类型:分离板块和汇聚板块,但这并不完美,因为有些板块边界并不遵守这两种模式。洋中脊被一些儿断裂错断这几乎已广为人知,Wilson认识到这些断层仅仅在错开的两个洋中脊之间有相对运动,具平移剪切断层性质,在洋中脊外侧断层线并无活动特征。并且注意到这种断层常常连接两种不同的板块活动类型,于是他把这种断层称为转换断层(transform fault),想法一提出就遭到了许多地质学家的抨击,1965年,他在Nature杂志上发表了“A new class of faults and  their bearing on continental drift"1967年,Lynn通过研究地震证明了Wilson预测的正确性,后来这种断层成为了第三种板块边界。


转换断层(transform fault,照片来自网络)

Wilson思想转变,信奉大陆漂移之初,他对大西洋情有独钟。他注意到在加拿大沿海地区存在一条左行走滑平移断层,将之命名为Cabot断层,这条断层越过大西洋可与苏格兰性质相同的Great Glen断层相连,如果侏罗纪前大西洋是封闭的,那么它们原来就是同一条断层!多年以后,Wilson又回到了这个课题上,当时已经有大量证据表明大西洋当时就是封闭的,在此基础上,他对大西洋的闭合-再打开进行了完美阐释,“Did the Atlantic close andthen re-open”发表在了1966年的Nature上,随后这种认识被广泛应用于探讨海洋的形成演化过程,这就是今天著名的威尔逊旋回(the Wilson cycle ofoceans)的来龙去脉。



威尔逊旋回(the Wilson cycle of oceans,照片来自网络)

会议活动生涯

Wilson除了科学研究,还热衷于参加国内、国际有关地球物理的会议活动,并成为国际大地测量学和地球物理学联合会(the International Union of Geodesy and Geophysics,简称IUGG)的副主席。1957IUGG原本计划在南美洲举行国际地球物理年会(the International Geophysical Year,简称IGY),但由于那里正在闹革命,被迫得转移“根据地”,Wilson抓住这个机会,积极游说IUGG官员要求IGY在加拿大召开,并最终得以成行。这届大会是加拿大地球科学史上的标志性事件,取得了巨大成功,就连以前从来不参会的苏联也派出了50名科学家,借助此番东风,Wilson得以被选为IUGG的主席。

Wilson当上主席后,面临一个棘手的问题,那就是谁代表中国参会的问题,一开始中华人民共和国表达了参会愿望,后来听说台湾要参会,就收回了诚意。为了使IGY确实成为一个国际大家庭,IUGG希望Wilson能去这两个地方打探一番,看看他们的地球物理开展情况,在此之前,他已经接受了苏联去讲课的邀请。于是他先坐飞机去了苏联,然后乘火车穿越西伯利亚铁路到了北京,后经由台湾才回到加拿大,并借助这次到中国旅行,写出了广受欢迎的《One Chinese  Moon》,使中国与西方关系某种程度上得到了缓和。在后来的一次旅行中,他在香港买了一艘中国帆船(Chinese junk)并运回了多伦多,经常和家人茶余饭后泛舟小湖上,并在1976年独自划船去蒙特利尔(Montreal)参加国际地球物理会议。


中国帆船(Chinese Junk,照片来自文献5)

最后的声音
    Wilson一生对地质工作勤勤恳恳,孜孜不倦,头脑中充满了奇思妙想,即使有些儿想法是错误的,也无碍他执着向前。在人生知天命之年,正是地学革命风云汹涌时,他转变观念,转换思维,转身投入大陆漂移、海底扩张的浪潮,用自己坚实的野外经验,扎实的理论功底,结合抽象性思维,创造性地提出热点、转换断层的概念,完善了板块运动的规则,在板块构造板块学说日臻成熟之际,用自己的帽子扣住了隐于草丛的兔子,用自己的实际行动证明“old dog can even  learn new tricks"(老年人也能学会新事物)。后来他离开了原有岗位,去了多伦多大学Erindale  College当院长,the Ontario Science Centre当主任,1985年在78岁高龄时退休,199385岁高龄时撒手人寰,即使死前几天,也依然对地球科学念念不忘。愿Wilson的灵魂与学识在地质的天堂里高高飘扬,万年流长(也把最后这句话送给前不久去世的周乃武先生,将专文介绍)。

从梭罗到保罗:保罗(Paul)为耶稣的圣徒之一,原名梭罗(Saul),为以色列首任国王,是耶稣的主要敌人。以后在神的感召下幡然醒悟,皈依上帝,成为圣徒,改名保罗。意为“脱胎换骨”的改造,此处比喻学术思想的彻底转变。见许靖华《地学革命风云录》,P62

参考文献

1.Derek York. Rock StarsJ.Tuzo Wilson, GSA Today

2.K.M.Creer. JohnTuzo Wilson

3.G.D.Garland. John Tuzo Wilson(24 October 190815 April 1993)

4.Paul F.Hoffman. Tuzo Wilson and the acceptance of pre-Mesozoic continental drift

5.Gordon F.West etal., John Tuzoa man who moved mountains






http://wap.sciencenet.cn/blog-115490-902067.html

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