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魏格纳假说:《远古地球》之发现新大陆

在上一期中“魏格纳假说:《远古地球》之运动关系”中,我们了解到地球、太阳和宇宙之间运动的关系。同时也为我们在这期文章论述开启了魏格纳假说中神奇的大陆漂移之旅。

大家都知道魏格纳假说中有提到过非洲和南美洲的两个板块之间的海岸线,那是在魏格纳观察世界地图时偶然间所发现的,他发现了两个板块之间的海岸线轮廓很完整也很吻合。而同时期魏格纳假说中的两个板块的陆地物种分布也有充分的证据。就如同魏格纳的名著中《海陆起源》一书的前言所说的:“任何人观察南大西洋的两对岸,一定会被巴西与非洲间海岸线轮廓的相似性所吸引,不仅圣罗克附近巴西海岸的大直角突形和喀麦隆附近非洲海岸线的凹进完全吻合,而且自此大西洋以南一带,巴西海岸的每一个突出部分都和非洲海岸的每一个同样形状的海峡相呼应。反之,巴西海岸只要有一个海湾,非洲方面也就会有一个相应的突出部”。

从魏格纳假说中,我们也了解了魏格纳对于大陆漂移假说的主要观点:即现在的美洲、非洲、亚洲、欧洲、澳洲及南极地区,在古生代是一个单一的大陆——泛大陆。花岗岩质大陆像冰山在海洋中一样漂浮在玄武岩质基底上,由于潮汐力和地球自转离心力的作用。泛大陆在中生代分裂成几大块,最先是美洲和欧洲、非洲分离,中间形成了大西洋,接着澳大利亚南极和亚洲分离,中间形成了印度洋。移动大陆的前沿遇到玄武岩质基底的阻挡,便发生挤压和褶皱隆起为山脉,而移动过程中脱落下来的大陆“碎片”,便成了岛屿。这个漂移的过程很缓慢,直到第四纪初期才形成了现在今天地球上海陆分布的轮廓。

魏格纳“大陆漂移假说”较好的解释了今天大西洋两岸的轮廓、地形、地质构造、古生物群落的相似性及南半球各大陆古生代后期冰成层的分布等一系列问题,并解释了许多地质学上的以前无法解释的难题,如过去人们对南极发现的煤层迷惑不解。其实,在石炭纪时期,南极正好位于南纬25度附近,是热带雨林地带。由此,魏格纳的“大陆漂移假说”发表后,在全世界地理学界引起了很大的震动。

魏格纳将自己的论点建立在地质学和古生物学论据的基础上,而不仅仅是海岸的高度吻合,他着重强调大西洋两岸地质学的相似性。

魏格纳认为,在中生代并一直延续到不太遥远的过去,曾存在过一个巨大的总陆地或原始大陆,他将其称为“庞哥”。这块原始大陆后来分崩离析、破裂分离。“庞哥”碎片的分裂、位移,逐渐形成了我们今天所处的各个大陆的格局。他认为,大陆漂移(或称为运动、移动)的两个可能的原因是:月亮产生的潮汐力和“极地漂移”力也就是地球自转离心力,即地球自转而产生的一种离心力作用导致了大陆漂移。但是魏格纳懂得,大陆运动的起因这一难题的真正答案仍有待继续寻找。

尽管魏格纳的大陆漂移理论长时间处于理论革命阶段,但这并不意味着他的思想没有引起注意或没有追随者。

魏格纳100年前提出的“大陆漂移假说”被认为是与达尔文的生物进化论、爱因斯坦的相对论以及宇宙大爆炸理论和量子论并列的百年以来最伟大的科学进展之一。但这个驱动大陆漂移的动力源是什么,则一直困扰着全世界的地质学家。魏格纳当时给出的动力源答案是:向赤道的离心力,因地球自转产生向西的力,中立均衡产生的垂直向上的力。这些力后来被证明是不可能的驱动大陆板块漂移的。因此大陆漂移学说被否定,形成了所谓的海底扩张说和板块构造说。

可以说现代的地质构造学说的发展历程经历了三部曲:“大陆漂移说——海底扩张说——板块构造说。”三个学说都是基于大陆漂移学说提出的“大陆板块漂浮在较重的粘性的大洋软流圈上”这一基本出发点。形象地比喻:“就好像很多的轮船(大陆板块)漂浮在大洋上(大洋软流圈)。”它们的关键不同点是:“大陆漂移假说”认为轮船能够自己行走,海水是不动的,而海底扩张说和板块构造说认为轮船是自己不会行走的,是依靠海水流动(动力源是地幔对流)带动轮船行走。”大陆漂移假说“之所以遭到后来者的抛弃就是因为其提出的驱动轮船行走的动力机制是错误的。

地球物理学家经过潜心研究,给出了与实际完全吻合的模型:简单地说就是板块运动漂移划开大洋地壳引起岩浆上涌,在陆地板块后面冒泡,巨大的岩浆热动力推着板块往前移动。该模型说明大陆板块在大洋中是通过热力驱动的,就好比大陆板块自带了一个螺旋桨,靠自身漂移过程产生的热力前后的不平衡而驱动前行。该研究支持了魏格纳大陆漂移学说的主要内容,补充了其中关于动力源的问题。

现在看来,由于我们亲眼目睹了这场革命的全过程,因而很容易发现,把理论革命与现行革命两个阶段区分开来的是两个根本性的突破。

第一个突破是,积累了大量新的、令人信服的表明大陆和海底确实存在着相对运动的证据。这些证据比海岸线的吻合,甚至比大西洋两岸地质学和生态学的符合,以及动植物化石的相似性要优越很多。

第二个突破是,理论的根本性的重构,致使基本观念发生了重大的变革,并由此产生了这样一个问题:这场最终完成了的革命是否可以公正地看作就是那场企求了近半个世纪而一直没有成功的革命?这一情形与所谓的哥白尼”日心说“革命有许多的相似之处。这场在伽利略和开普勒的推动下,最后由牛顿完成的革命,仅仅保留了哥白尼最一般的天文学观念,即地球运动而太阳静止的观念,而摒弃了哥白尼宇宙学的基本特征。

同样,地球科学革命仅仅保留了魏格纳的最一般的思想,即大陆之间可以有相互运动,而放弃了魏格纳理论的基本特征——由硅组成的大陆单独和分开在海洋地壳上运动,而海洋地壳密度更大的地壳层则固定不动。

目前的流行观点是这样的:覆盖在地球表面的巨大板块在运动着,其中有的板块会带动大陆或部分大陆和海底一道运动。因此整块大陆运动的理论被另一种不同的理论所取代。新的理论指出,陆地运动不过是地壳内部剧烈运动的表观现象。在这种因果连理过程中,魏格纳大陆漂移假说中列举的“极地漂移力(地球自转离心力)”和“潮汐力”变得毫无意义了。

上世纪50年代的新证据首先来自古磁学的研究。古磁学研究的是“残留固化岩石”中的磁性,即研究残留在固化的熔岩样品中的磁性。这种磁性由于地球磁场的影响而留在含有氧化铁的岩石中。英国伦敦的布莱克特和剑桥大学的郎肯以及其他人所作的研究表明,地球的磁场从来不是恒定的而是有变化的,甚至还经历过南北磁极的倒置逆转。其变化的方式与时间有密切的关系,而这种关系是可以确定的,这些研究因高灵敏度的地磁仪的出现而成为可能,因此布莱克特也就是这种地磁仪器的主要发明人。

当仔细描绘出磁极位置移动的路径后,会从中发现磁极的移动和变化情况各个地域彼此不同,这表明每块大陆的陆地都是各自在独立运动。相关证据还揭示出地球南部各个陆地聚集在南极地区形成了一个原始大陆——冈瓦纳大陆的时间。因此,这些组成部分说明了现在的各个大陆一定还存在着某种横向和斜向运动。

沿着这条研究线索所获得的第一批成果,地球科学界没有立即接受大陆移动的存在。无疑,关于地球磁场演化史的细节尚有太多的没有解决的难题。而关于磁场磁机制的见解过于复杂深奥,其中还存有许多未经检验的假说。上世界50年代,澳洲国立大学埃尔温写了一本以大陆漂移为主题的论文中,对过去几年的磁场磁机制研究作了回顾与评述,他最后总结道:“各种证据对此后的结果,倾向于对地球磁场磁轴相对于地球本身发生过位置变化的观念以及各个大陆相互之间有漂移运动的观念有利”。

同时推动魏格纳“大陆漂移假说”的基本思想复兴的第二条研究线索是关于海底山脉的研究。海洋和内陆湖泊大约覆盖了地球表面的70%。由于关于海底的特征与本质的知识在本世纪30~40年代还相当粗浅。因此,我们容易理解为什么战前关于大陆漂移的争论最终没有定论。然而,有关大西洋底的地形图早已存在,大西洋两边的陆地好像是从海底山脉两侧慢慢升起的,同时期,魏格纳本人也通过密度、磁场磁性、成分等方面的分析,指出海底是由玄武岩构成的,但是没有人对此予以重视。

我们关于大陆运动的直接线索来自对海底世界的研究,在上世纪50年代国际地球物理年期间,科学家在测量地球引力和相关地震与引力数据方面,已经有了全新的探测技术。地球物理学家们找到了测定通过海底的热流速率的方法,这些研究的一般结论是:巨大的海洋地壳壳层岩石块中确实能够显示“陆地相互之间明显地移动一大段距离”。这些研究成果与来自磁场磁机制研究的发现不谋而合,都强有力地支持大陆之间经历了相互运动的观点。到此时位置,“大陆漂移理论”才正式由于“板块构造说”的广泛被接受而得以完善。板块构造说是一个结构系统理论,按照这种学说,地壳像“大板块的拼图,用形象的比喻就如巨大的大块浮冰或铺路石”。这些板块独立的运动着,边缘与别的板块碰撞则会发生变形。曾有学者对此称:“运动的板块并不像魏格纳所设想的那样运动的大陆,海底也不是整块的海底地壳壳层。”

既然每一板块即包括陆地部分也包括海底部分,那么板块的运动和魏格纳大陆漂移的概念,便相去甚远了。因此,由于最初的“大陆漂移假说”术语,包含有整块大陆运动的意味,它不再是严格明确的概念了。上世纪60年代科学家们提出的六大板块和十二个小版块覆盖地球的观点,从那时起,有关“板块构造学说”的理论细节就越来越充实了。

为了完美的解释地球地壳的不稳定性和可变性,“板块构造理论学说”就与“海底扩张学说”相结合了起来。“海底扩张学说”是由上世纪60年代哈里.赫斯首次提出,他在该学说中首次描述的是纵贯主要大洋海底海丘两侧的海底部分持续受到挤压的过程,逐渐降到海底的巨大海丘是地壳下地幔内熔融物质上涌的出口。这种物质同样沿着海丘的两侧流淌、冷却、固化,最后变成了地壳的一部分覆盖在原来的地壳表面之上。当海丘两侧的地壳以这种方式积累增长时,这种物质(巨大的板块)就会横向离开海丘。既然地球不可能增大,这个板块在增长的过程中也不会简单的扩张,那么在远离海丘之外,必定会有一处板块发生分裂和分离。换言之,板块离海丘最远出的边界被挤到另一个板块之下,并最终进入地幔中。这时,板块边缘的水份全部被挤压出来,而板块进入地幔的部分又重新变成了熔融物质状。这个过程如同某种对流“传送带”联系在一起,即从海丘的地幔中带出物质,然后把它传送出去,这些熔融物质最终在远处的海沟腹肌又再次回到地幔中。

于是,大西洋海底便产生了一股巨大的、持续的压力,把载有南美洲和非洲的两大板块推离大西洋的海丘。大约在1.8亿年前,南美洲和非洲是连在一起的,这就是冈瓦纳古大陆。两块大陆的分裂线与导致海底扩张,并且仍活跃的大西洋海丘线十分吻合。每当发生地震时,这条海丘线便清楚的显现出来,它与南美洲和非洲的大西洋海岸线的距离大致上相等。

赫斯进而提出了“海底扩张”的推论。他认为,由于海底扩张的效应,海底地壳壳层不断的在大陆一边生长,而同时又在大陆的另一半消失。这个观点通常被看成板块构造说进步发展的主要内容,也是我们理解“大陆漂移理论”的主要基础。大西洋地壳壳层从海丘移动的速度大约是每年的四厘米。按照这个速度推算,大西洋海底地壳壳层从海丘全部移出,也就是移动整个大西洋宽度的距离所需的时间为两亿年(中生代前后)。而从陆地上挖掘出来的海生物化石研究表明,这些海生物都可追溯到20亿年前。再如,假设海床的年龄与大陆同样古老,那么按正常的沉积速度,海床上应当产生很厚的沉积层,但钻探分析表明,海床上的沉积物很少。

由此简而言之,在海洋存在的几十亿年中,海底并不是固定永恒的,而是无时无刻在不断的变化、不断的运动之中。

把上述的观点和“板块构造学说”中的一般思想结合起来,就可以满意的解释另一个现象或过程,板块边缘新物质的增加,并不会使板块的面积增大。由于压力作用,板块在不断的缩小。这点在两个板块的碰撞中山脉的形成和山脉的更替中,表现的非常明显。“海底扩张理论”也很清楚的解释了他与“大陆漂移假说”并不完全相同。

按照魏格纳“大陆漂移假说”的思想:“大陆受到某种未知力的驱动,在海底地壳壳层上漂移”,但是他的理论的基本思想是,'大陆被动的浮在地幔之上,当地幔物质从海底海丘上溢出时,大陆便开始横向移动开来。'

前面曾谈到,一般人都认为:最初的纯粹磁场古磁学证据并不能完全说服大多数地球科学家放弃的”大陆固定观“。决定性的证据来自新的磁场磁机制的研究,它戏剧性的证实了”海底扩张学说“。船载磁测仪器揭示出海底地壳壳层条状的磁化区域的存在。如果上述海底扩张的理论是正确的,那么在海丘的两侧就会应该有对称的条状磁化区域。这项验证性实验实地测量也证实了,条状磁化区域确有预期的那种对称性。

按照这一理论,当地壳炽热的熔融物质沿海底海丘流淌溢出并固化时,它便感应了当时的磁场。既然新的物质把它从海丘上推开,它仍将保持冷却时所感应的磁性。因此,每一条前后相继固化的熔融物质带应该有记录形成日期的磁性标志,而海丘两侧同时对称形成的熔融物质带也因此具有相同的磁性方向。上个世纪60年代,有科学家曾发表了这一重要的假说,这个假说翌年就通过了实验检验。事实上,地球磁场演化的历史不仅表现出一些微小的变化,而且在已知的年代中还经历过南北极磁场磁极逆转的现象。所有这些,都是在实测和研究海底海丘两侧的条状磁化带过程中发现的。

虽然这个假说今天听起来非常具有逻辑性,一点也不令人惊奇,但在当时看来却是异常激进而大胆的。由此不但能确定无疑的证实了'海底扩张学说',而且还能推算出扩张的速度。推算的方法是基于一种独立的、由地球磁场倒置所标定的精确的时间尺度。也触发了地球科学的'新革命'。创作出了'堪与本世纪地球科学中的任何成就相媲美的假说'。

在新突破的这些成就的基础上,科学家们下步首要做的事物便是:'建立健全全球海陆地质构造的新理论,重构地球地理科学知识的新体系'。

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