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星球观 | 脚下的大陆一直在游走。你感觉到了么?
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魏格纳的理论有大量的地层、构造、化石以及古地貌遗迹等间接证据支持,但相信他的人仍然寥寥无几,究其原因主要有二:
第一,“大陆漂移”缺乏具有说服力的直接证据。魏格纳一生都在试图用测量手段证明大陆漂移,但在精确的大地测量还属于科幻小说的20世纪初期,要说服人们相信大陆每年都在漂移无异于痴人说梦。现在我们知道,板块之间的移动每年以厘米计算,而魏格纳给出的估算数值实在是太大了——他认为格陵兰岛每年漂移的速度在1米左右,这让人们很难相信他的观点。第二,“大陆漂移”缺乏力学机制的支持。魏格纳认为,较轻的硅铝层漂浮在深部较重的熔融状硅镁层上运动。同样的,这个理论也无法被证明真实。退一步说,即使这种运动真的发生,那么导致它发生的原因是什么,这也是一个无法回答的问题。
魏格纳穷尽毕生的精力也没能说服人们相信他的观点,最后在50岁时死在了格陵兰的科学考察过程中。在他去世后,直至二战结束前,大陆漂移理论再也没有引起学术界的喧嚣,完全沉寂了下来。
究竟发生了什么,让我们看待地球运动的方式和过去如此不同?
二战期间,由于反潜的需要,海洋探测技术突飞猛进。二战后,这些技术被用作科研,给地球科学带来了革命性的变化。
有几个关于洋底的有趣发现——第一个是海底岩石的磁异常平行于洋中脊,呈条带状,像斑马线一样分布。1963年,E.J.瓦因和D.马修斯提出,由于在岩浆冷凝至居里温度时能够俘获当时地球磁场的磁性,因此在洋底的磁异常条带实际上是对地磁倒转现象的记录过程,只有在大洋地壳发生扩张时,这种现象才能够出现。
第二个海底的岩浆岩具有越靠近洋中脊越新,越靠近大陆架越老的规律,并且最老不超过两亿年(与之相对应,大陆地壳年龄最老可达三十亿年以上)。与之相应的,1968年开始的美国深海钻探计划数据显示,洋底沉积物也具有越靠近洋中脊越新的特征。
第三,1965年,J.T.威尔逊根据横切洋中脊的断裂带,具有调节两侧洋中脊轴部向两侧扩张的特点,提出转换断层的概念,解释了大洋中脊的扩张与伴随其扩张出现的垂向差异运动。
这几个发现彻底改变了人们对地壳的认知,由此得出了海底扩张的结论。
经典的板块构造现在已经成为地球科学教科书中必须要给予重点介绍的理论了。在入门级的书籍里,它甚至可能是关于大地构造学说的唯一观点。
它的主要理论包括以下几点:一、固体地球的圈层垂向上分为弹黏性的岩石圈和黏性的软流圈,岩石圈在软流圈上做相对运动。由于有相应的地球物理(主要是地震波)证据存在,这种理论显然比魏格纳的硅铝层在硅镁层上部运动更能说服人。二、岩石圈分为几个刚性的板块,板块之间相互作用,这种作用决定了地球固体表层的基本构造格局。
三、板块边界分成离散型(增生)、汇聚型(俯冲、碰撞)和平移剪切型(转换)几种。
四、板块在离散型边界的扩张增生得到汇聚型边界俯冲消亡的补偿,因此地球体积保持不变。
板块构造学说是如此的牛逼,以至于在它登场后的时间里,之前所有的地质学理论都无法阻拦它攻城拔寨的步伐。第一次,全球范围内的宏观构造格架得到了有效的解释,上至中生代的数亿年地质历史也融入到了它的怀抱之中。
最终,看似缥缈的两朵乌云撕裂了大厦的根基。在开尔文男爵发表这番讲话后的第五个年头,第一朵乌云就导致了相对论的出现;随后不久,第二多乌云带来了量子力学,顷刻间,大厦荡然无存,经典物理学一统天下的局面彻底消失了。
地质学当然无法和理论物理学相提并论——还记得《生活大爆炸》里Sheldon Cooper的台词么?“Geology is not a real science”他说。事实上,在板块构造学说看似完美的理论体系中,还有许许多多的问题我们仍然无法回答。
首先映入眼帘的,便是困扰了魏格纳先生的大陆漂移两大难题之一的力学机制问题。对此,板块构造学给出的解释简单说来,就是冷的固体的板块俯冲至热的塑性态的地幔中,从而打破了地球内部的热平衡,带来了地幔对流。地幔对流带动了板块在其上的大规模运动。但是这一理论并没有得到实验室数据的有效支持,地幔彻底熔融的可能性基本不存在,因此地幔对流以及由此而来的“地幔热柱”和“热点”理论,都缺乏令人信服的直接证据。
另外,大陆软流圈不具备全球性,也是困扰着地质学家的一个显眼的问题。根据地球物理方法得出的克拉通(古老稳定的大陆地壳)速度结构的全球层析和区域模型表明,软流圈在古老地块下往往缺失。高地震波速可在全球克拉通下持续到超过200-300km,北美陆根更是厚达400km(大陆地壳一般厚度为30-40km,理论认为,软流圈深度为140-220km)。软流圈的非全球性让板块的运动失去了深部物质运动的依据。
板内地质运动也是板块构造学说无法有效说明的问题。近些年来的研究表明,造山作用的全过程和复杂性是板块构造所无法解释的。在地质学家对青藏高原的研究中发现,青藏高原新生代火成岩存在三种分布形式:与缝合带平行的火成岩带、局限于深大断裂附近的火成岩带和弥散性分布的火成岩区。因此,青藏高原新生代岩浆活动必然不都是直接与印度-亚洲大陆碰撞有关。再比如在阿尔卑斯山脉形成于300-400km深处的地幔物质在碰撞之后由于伸展作用上升至地表,表明造山带在板块碰撞后依然非常活跃。
新的研究成果,不断对板块构造提出新的挑战。虽然在今天,还没有一个成形的新理论能够战胜板块构造学说,取代它在地球科学界的统治地位,但我们也能够看出这个理论体系的先天不足和一些深层次问题。
地球是一个半径约为6400公里的巨大球体,今天,人类最直接地了解地球内部的手段——钻探,普遍只能进行千米级别的钻进。为了科研而打的超深钻,也只能达到12000米左右,对地球来说,这连表皮都没有穿透。即便如此,我们仍然从超深钻里得到了对地球前所未有的了解。几乎所有从地表的推测都不能够清楚地预测地下的情况,那里仍然是我们有待开发的财富源泉。
板块构造学说本身可能并不完美,但是它是人类在二十世纪重新认识自己所居住的星球,并从内而外地理解它的一次大胆尝试。也许又一天,一场新的地学革命将会彻底推翻它,但我们仍然无法否认它的价值。我期待着新的革命的到来。