大陆漂移假说(大陆漂移假说的修正——从硅铝质大陆到岩石圈)

大陆漂移假说
大陆漂移假说的修正
——从硅铝质大陆到岩石圈
匡星涛
中国自然资源航空物探遥感中心

1910年的一天,年仅30岁的德国青年气象学家魏格纳躺在病床上,目光正好落在墙上的一幅世界地图上。“奇怪,大西洋两岸大陆轮廓的凹凸形态,为何竟如何吻合?”他的脑海再也无法平静。“非洲大陆和南美洲大陆很早以前会不会连在一起?只是后来因为受到某种外力的作用才破裂分离。大陆会不会发生漂移?”病愈后的魏格纳花了大量的时间和精力研究大陆漂移的可能性,最终提出了大陆漂移假说。他的学说思想主要体现在他的《大陆和海洋的起源》一书中。
魏格纳在凝视世界地图
大陆漂移假说核心观点是:在大陆上有一层比较轻但却比较硬的地壳,浮在比较重但却比较软的玄武质岩层上。大陆可以在玄武岩“海”中漂移;就像冰山在海水中漂移一样。按照魏格纳的意见,在2亿年或3亿年以前,地球上所有的大陆都是连在一起的。它们组成了一个他称之为“联合古陆”的超级大陆。后来,美洲大陆向西漂移,与欧亚大陆和非洲大陆分道扬镳,于是产生了大西洋。魏格纳收集了大量证据,包括地质学、古生物学、古气候学和大地测量学的证据。
大陆漂移认为2亿年前地球上
所有大陆连为一体
自从魏格纳提出大陆漂移假说,各方争议就从未停歇。首先,魏格纳作为一名年轻的气象学家,很容易引起地质学界的偏见,甚至在20世纪50年代,还有不少地质学家和地球物理学家斥责大陆漂移学说为异端邪说。其次,魏格纳本身的证据有些被证明是错的。例如,格陵兰岛曾以每年35米的速度向西漂移的说法先后被精确的无线电测距和GPS测距等测量手段所否定。另外一个重要问题是大陆漂移的驱动机制。魏格纳为此提出了潮汐牵引作用引起的极移力,即地球自转和月球潮汐会驱使大陆从高纬度地区向赤道方向移动(极移作用),并向西漂移(潮汐牵引),但后来通过地球物理学家的计算,证明了魏格纳设想的驱动力,要比推动大陆漂移所需要的驱动力小好几个数量级,根本无法引起他认为的大陆漂移。魏格纳本人在1930年冬天的格陵兰岛科学考察中遇难,直到第二年4月才发现他的尸体。
魏格纳在格陵兰岛科考与爱斯基摩人向导合影
魏格纳大陆漂移学说给后人最大的科学启发就是:地球表面的大规模岩石运动,有可能主要是横向运动,垂直运动是次要的。这一观点本来就是石破天惊的,这就像哥白尼提出日心说引发了天文学革命一样,魏格纳的大陆漂移学说引发了地学革命。虽然这个过程很曲折,但是科学本身就在于大胆假设、小心求证中不断进步。这一点在大陆漂移学说中的漂移模型中体现的淋漓尽致。
在魏格纳《大陆与海洋的起源》一书中,他认为漂浮体是轻而硬的大陆硅铝层,而大陆下是重而弱的硅镁层,夸张一点说就像木块浮在水银上一样。其实,魏格纳的这一思想与更早的地球重力均衡理论及地震学知识有关。
地壳结构:硅铝层与硅镁层
英国在印度建立殖民统治以后,英国政府和科学组织进行了大规模的大地测量和制图。测量仪器中一种重要的装置是挂在一根绳子末端的铅锤。地球的万有引力使它指向地心,构成一条铅垂线。在地球南北方向上两个点分别进行铅锤测量,两个铅垂线的夹角就是纬度差,用这种方法得到的印度卡里昂纳和卡里昂普之间的纬度差为5°23′42.29″。当时验证铅锤测量结果正确与否的方法是在两个观测站进行天文观察,由这种方法得到的纬度差为5°23′37.06″,两种方法的测量结果相差5.23″,也即150米的距离。有人意识到可能是卡里昂纳位于喜马拉雅山麓巨大的质量所造成的引力导致铅垂线向山脉方向偏斜。一名叫普拉特的英国传教士作为业余科学家对喜马拉雅山体对铅垂线的影响进行了复杂的计算,结果表明铅垂线的理论偏斜值为15.885″,是实测偏斜值5.23″的3倍。普拉特将这种理论值与实测值的差异解释为喜马拉雅山体的密度比印度平原下的岩石密度小。这符合人们的一般认知,山脉作为地球表面膨胀的部分其密度应该比作为收缩部分的平原小。普拉特的想法引起了英国皇家学会天文学家艾里的注意。艾里对普拉特的评议文章与普拉特的论文发表在1855年皇家学会会志的同一期。由于火山熔岩溢流对19世纪自然科学家有巨大影响,艾里设想,地球内部是高温液态的,外面只有一层薄薄的固体外壳。这个外壳在地球表面的厚度是不一样的,但是密度大体相同,就像附在海里的冰山,越厚的冰山露出水面的高度自然就高一些。
普拉特假说理论示意图
实际上艾里并不能证明普拉特的说法是错误的。艾里假说和普拉特假说的本质区别并不是地球外壳的密度问题,而是均衡界面问题。按照艾里的意见,均衡补偿面是一个高低起伏的面,而按照普拉特的意见,均衡补偿面是一个水平面。艾里假说和普拉特假说的共同点是他们都认为固体地球外壳是浮在液态熔岩上的,这是魏格纳大陆漂移的模型来源。
艾里假说理论示意图
20世纪初美国政府进行了一系列的重力调查发现,山脉下面物质的质量确实有所亏损。但是仅凭重力无法鉴别质量减少到底是由固体外壳的密度异常引起,还是由于固体外壳的厚度异常引起。这一问题进一步深化是由地震学知识完成的。
1909年,南斯拉夫地震学家、气象学家莫霍洛维奇在研究距克罗地亚境内萨格勒布约40千米的地震记录后,发现纵波和横波速度都有明显的跳跃,这个速度发生突变的界面后来被称为莫霍面,莫霍面以上是地壳,以下是地幔。根据时距曲线纵波波速度由7至6千米/秒激增到8.0至8.2千米/秒,横波速度由3.8千米/秒激增到4.4至4.6千米/秒。他认为是在地表下50千米深度处由于物质密度发生急剧增大,使下层纵波传播速度大于上层纵波传播速度所致。后来的研究还发现,山脉下面地壳较厚,莫霍面埋藏较深,而海洋下面的地壳较薄。艾里假说似乎是正确的,但问题还没有结束。
地震波发现莫霍面
按照艾里假说的模式解释地震资料时,必须假定莫霍面以下的地幔是无强度的。而事实并非如此。20世纪30年代,科学家做了大量岩石强度的实验研究。研究表明,地幔岩石主要由铁镁质硅酸盐组成,只有在温度接近其熔点时或及其缓慢的应力作用下,才会表现出流动性。而海洋的莫霍面很浅,那里的温度是较低的,一般情况下很难达到地幔岩的熔点,因此大陆漂移说难以成立。
20世纪50年代,美国进行了大量的地震-重力联合测量。诚如艾里所料,内华达山脉、落基山脉、大高原和阿帕拉契亚山脉下面,地壳都明显增厚;而在大陆边缘部分,地壳较薄;到大西洋和太平洋下面,地壳就更薄了。但有一个地方非常例外,那就是科罗拉多高原。它的海拔约2km,按照艾里假说的原理,地壳厚度应为40km左右,但实际上地震结果显示这里的莫霍面深度只有30km。这个巨大的理论与实测的偏差表明,莫霍面以上的地壳并不是浮在密度较大的液态地幔之上的。这时,普拉特假说又获得了新的生命。普拉特假说认为组成地球外壳的物质存在密度差,均衡补偿深度以上的地壳既不是艾里的地壳,也不是莫霍面之上的轻地壳,而是岩石圈,这个岩石圈厚度可达100km甚至更厚,整个岩石圈的物质密度存在横向和纵向的变化。岩石圈之下有软流圈,现代岩石学家研究表明,软流圈顶部与岩石圈底部的岩石存在相变,在长期的高温高压条件下是可以发生缓慢流动的。
地震学研究表明,天然地震是由于岩石变形积累的应变能在达到临界值后发生破裂并产生位移所引起的。这就有一个假设,即震源必然是有相当的弹性强度的。加州理工学院的贝尼奥夫发现,环太平洋地震带有超过700km深的震源存在,又发现地震带上的震源是沿着向大陆一侧倾斜的斜面分布的,后来这个倾斜的地震带被称为“贝尼奥夫带”。1967年,奥力文等人在研究汤加地区的震源地震时注意到,地幔里有一个100km厚的倾斜异常带。它的顶界是一个活跃的地震带,而且那里的地震波速衰减很小,说明它的岩石强度很大。奥力文将这个异常带称为岩石圈板块。普林斯顿大学的摩根和斯克列普斯的麦肯齐和帕克发现球面上的地体的变位是受欧拉定律控制的。球面上任何一点的运动皆可看作围绕一个轴的转动,可以用欧拉理论来计算岩石圈板块的运动。正式这样的背景下,板块构造理论诞生了。
贝尼奥夫带与板块俯冲现象
岩石圈板块的概念对于板块构造学说起到了重要推动作用,突破了魏格纳自己为“大陆漂移假说”设下的桎梏。大陆自身并不能漂移,但是确实能被动地移动。位于岩石圈板块顶部的大陆地壳,就像远洋轮船上的集装箱,它将随着板块的运动而运动,而板块就是那艘巨轮。
洋陆板块相互作用
目前,板块构造学说已经成为固体地球科学的主流思想,虽然在板块构造运动的驱动力以及大陆内部陆陆碰撞机制等方面还存在一些争议,但毫无疑问,这些争议本身将会促进板块构造理论的进一步发展和完善。如果有一天板块构造学说也如同大陆漂移学说一样被推翻了,那将意味着地球科学的巨大进步,因为支持板块构造理论的证据是如此之多,想要来一场如此天翻地覆的地学“地震”是不容易的。但我们依然期盼下一场地学革命的到来。
全球板块构造分布

END

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