2.3 塑造地球的表面

18世纪之前，人们普遍认为，地球只有几千年历史，而且一直没有什么变化。这是包括基督教在内的大多数宗教的观点。17世纪50年代，爱尔兰阿马（Armagh）大主教詹姆斯·厄谢尔（James Ussher,1581—1656）在《世界编年史》中宣称，地球是在公元前4004年10月23日（星期日）早上9点钟被创造出来的。厄谢尔是当时的一位重要学者和教会领袖：他给出的日期不完全是猜测，而是基于对伊斯兰、地中海以及《圣经》历史之间相互关系仔细而复杂的计算。1701年，这个日期被纳入权威版《圣经》中。

然而，不管厄谢尔的计算如何细致，公元前4004年这个日期很快就面临许多难题。造山运动之类进程极其缓慢，这意味着，地球必定非常古老。19世纪早期，攀登欧洲阿尔卑斯山的登山运动员开始在靠近高山顶峰处发现海洋生物化石，这表明，这些大山曾经位于海底。（晚近，海洋生物化石在喜马拉雅山5500米高处被发现，这证明即便地球上最高的山脉一度也是某个原始海洋的海底。）19世纪中期，查尔斯·赖尔（Charles Lyell，1797—1875）等科学家宣称，地球比以往认为的古老许多，它的表面也发生了巨变。

让早期观察家很着迷的是，各个大陆能够像拼图游戏的拼块那样拼在一起。早在1596年，荷兰绘图师亚伯拉罕·奥特柳斯（Abraham Ortelius,1527—1598）在地理学著作中指出，美洲大陆肯定由于地震和大洪水而被迫与欧洲和非洲大陆“分离”。1620年，英国哲学家弗朗西斯·培根（Francis Bacon,1561—1626）指出，大西洋两岸海岸线的完美契合绝对不是一种巧合，尽管他没有就此做出解释。1750年，法国博物学家乔治·德·布丰（George de Buffon,1707—1788）宣称，南美洲和非洲以前肯定是连在一起的；1858年，法国地理学家安东尼奥·斯奈德-佩莱格里尼（Antonio Snider-Pellegrini,1802—1885）绘制了首批“之前和之后”系列世界地图，表明美洲曾经与欧洲、非洲是一个整体。

其他一些证据也支持上述观点。19世纪早期，德国地理学家亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt,1769—1859）证明了巴西的岩石与刚果的非常类似，他认为，这些大陆曾经连在一起，直到一次巨大海啸开凿出大西洋。在同一个世纪（即19世纪），旅行到其他大陆的博物学家开始注意到，南美洲和非洲存在相同类型的海洋生物和爬行动物。化石发现揭示了欧洲和北美洲动植物化石的许多相似性，从而深化了上述联系。然而，博物学家也无法解释这种证据，他们甚至推测，以前可能存在把两个大陆联结在一起的巨大陆桥，后来沉入大西洋。

1885年，奥地利地质学家爱德华·瑟斯（Edward Seuss,1831—1914）公布了首次得到充分论证的大陆漂移理论。瑟斯在《地球面貌》一书中认为，在遥远的过去（他给定的日期是1.8亿年前），地球上所有大陆都被挤压成两个超级大陆。他把南面的超级大陆称为冈瓦纳古陆（它衍生出澳大利亚、南极洲、非洲和南美洲），把北面的称为劳亚古陆（它包含欧洲、亚洲和北美洲）。在20世纪第一个十年，美国地质学家弗兰克·泰勒（Frank Taylor）和霍华德·贝克（Howard Baker）分别指出大陆发生过移动。但是这些科学家无法提供任何证据来支持这个非凡的理论，他们的见解被地质学界拒绝了。德国一位气象学家的假说也遭受了同样的命运，这个人就是现在被视为大陆漂移说“奠基人”的阿尔弗雷德·韦格纳（Alfred Wegener,1880—1930），他的思想已经成为现代地球科学主要范式板块构造论（plate tectonics）的核心。

阿尔弗雷德·韦格纳与大陆漂移说

韦格纳是一位气象学家，他对气象科学做出了不少重要贡献，不过，他主要以大陆漂移（continental drift）学说而为人熟知，大陆漂移这个术语被用来描述大陆的运动、形成和再形成。1911年，韦格纳偶然发现一篇论文，它论述了大西洋两岸相同的动植物化石的发现。他对中龙（Mesosaurus）化石尤其感兴趣，中龙是一种古老的爬行动物，它们的遗迹只发现于南美东部和南非二叠纪黑色页岩中。韦格纳表示，如果这种爬行动物能够横穿海洋的话，它们的遗迹就会在更多地方被发现，然而事实并非如此，那么，这两个大陆以前肯定是结合在一起的。韦格纳拒绝流行的陆桥理论，转而关注南美和非洲海岸线拼图似的契合性，尽管他本人也意识到，这种契合是相当粗糙的（参见地图2.1）。

直到20世纪60年代，爱德华·布拉德（Edward Bullard,1907—1980）和他的助手才证明了这两个大陆之间明显的契合性：如果将每一块大陆真正的外部边界，也就是大陆架的海洋边缘结合在一起，那么，它们相当吻合。不过，这种观测精度韦格纳无法使用，于是，布拉德开始收集其他证据来“证明”这两个大陆曾经是一体的。布拉德注意到，巴西的古老火成岩与南非的古老岩石非常类似。他还指出，北美阿巴拉契亚山脉的年龄和结构类似于格陵兰岛山脉、苏格兰高地以及斯堪的纳维亚高海拔地区。他也表明，当这些大陆在一个金属模具中重组时，各个环节形成一个几乎连续的系列。

作为一名气象学家，韦格纳也能够使用古气候（paleoclimate）证据。通过梳理大量化石资料，他发现了地质历史上气候剧烈变化的证据。他指出北极斯匹次卑尔根群岛岩石中热带植物的化石，以及现今在热带澳大利亚和非洲发现的冰河时代冰碛物，这表明，这些大陆是从不同（更冷的！）纬度漂移到当前位置的。通过指出北半球同期存在的热带沼泽，韦格纳否决了全球气候变冷的观点。与全球变冷的观点相比，这种观点——认为南方的大陆曾经联结在一起并且位于南极附近——更合理地解释了此前冰川地区冰雪的扩大。

在掌握了这些很有说服力的证据之后，韦格纳在1915年的著作《大陆和海洋的起源》中，公布了激进的大陆漂移假说。他论证说，对这证据做出解释的唯一方式，就是假设地球上所有大陆在几亿年前结合成一个超级大陆，他称之为泛大陆（Pangaea，希腊语“整个地球”的意思，来自古希腊大地女神盖娅的名字）。在中生代（Mesozoic era，大约2亿年前），泛大陆逐渐分裂为较小的大陆，然后它们逐渐漂移到现在的位置。

韦格纳的观点一开始不受关注，1924年，他的著作被翻译成英文、法文、西班牙文和俄文，从1924年到1930年他去世为止，大陆漂移学说几乎受到普遍一致的敌视和反对。美国地质学家R. T．张伯伦（R. T. Chamberlain）大肆抨击这一理论，因为它“相当随意地对待我们的地球”，美国哲学学会前主席W. B．斯科特（W. B. Scott）宣称它“荒唐透顶”！

这种批评产生的原因，基本上在于韦格纳无法找出能够推动整块大陆在地球表面移动的力。韦格纳寻找这种机制的所有努力都遭遇挫败。他的一个设想，即或许潮汐力将大陆从内部分开，遭到物理学家哈罗德·杰弗里斯（Harold Jeffries）的反驳。杰弗里斯正确地指出，那种强度的潮汐力也会阻止地球转动！不过韦格纳并没有放弃自己的理论，他于1929年出版了那部著作的第四版，并且补充了一些新的支撑材料。

在最后一次考察格陵兰岛时，韦格纳试图以经度测量来证明格陵兰岛向西漂移，但是，荷兰工作人员在1927年、1936年、1938年和1948年进行的测量并没有发现这类证据，这进一步增强了反对大陆漂移说观点的力量。当然，今天所用的现代全球定位系统为大陆漂移提供了无可争议的证据，但是韦格纳不可能掌握这种技术，1930年11月，他因心脏衰竭死于格陵兰岛的冰川上。他的理论显然超越了时代，并没有随着他的死亡而消失。

并不是所有地质学家都拒绝韦格纳的理论。苏格兰地质学家亚瑟·霍姆斯（Arthur Holmes,1890—1965）在1928年出版的著作《漂移的大陆》中指出，大陆或许由于地幔中炽热的、半熔融的岩浆流动而发生移动，这非常接近当前解释大陆漂移的理论。20世纪30年代晚期，美国地质学家戴维·格里格斯（David Griggs,1911—1974）证明，在足够大的压力和极端高温下，固态岩石会流动。瑞士地质学家埃米尔·阿尔冈（Emile Argan,1879—1940）认为，我们或许可以用大陆之间的碰撞来解释瑞士阿尔卑斯山区的皱褶地层。韦格纳去世后30年时间里，这些科学家和南非地质学家亚历山大·杜托特（Alexander Du Toit, 1878—1948）形成了一个坚定地支持大陆漂移说的小圈子。然而，20世纪50年代和60年代的大量发现才最终促使大多数科学家承认，韦格纳一直是正确的。

现代板块构造论的故事

20世纪50年代中期，两条新的证据线索——古地磁学和海底考察——开始结出硕果。古地磁学（paleomagnetism）利用磁性矿物来研究地球磁场的历史，如前所述，磁场是地核液态铁流动的产物。16世纪，英国科学家威廉·吉尔伯特（William Gilbert,1544—1603）尝试解释磁罗盘的运作，他一度指出，地球就像一块巨大磁铁一样活动，尽管他没有说明地球如何以及为何这样。今天，我们都知道，无形的磁力线从地球一端穿到另一端，自由摆动的罗盘针（它本身就是小磁铁）与这些电磁力的方向保持一致，并且指向磁极。同样，一些含有矿物的熔岩会逐渐磁化，磁性与主要磁力线的方向一致，当熔岩固化时，磁性也固定下来，并且与它们形成时的磁极保持一致。因此，这些岩石记载了地球历史上不同时期磁极的方向。这些磁性记录也指出了岩石磁化时期岩石所处的纬度，从而也记载了它们在磁化时期离两极的距离。

在欧洲，S. K．朗科恩（S. K. Runcorn,1922—1995）20世纪50年代对岩石磁性的研究表明，在地球历史上，曾经存在许多不同的古地磁磁极。在过去5亿年，北磁极似乎慢慢从夏威夷“漂移”到西伯利亚，再到今天北极附近。这意味着，要么磁极发生了移动，要么大陆发生了某种漂移，这促使地质学家再次回到韦格纳的假说。到20世纪50年代末期，古地磁学家能够证明北美和欧洲曾经是连在一起的。当北美的磁极移动路线被绘制出来后，它与欧洲的移动路线非常相似，但是，这两个大陆在纬度上大约相差30度。如果这两个大陆一度结合在一起，作为同一个超级大陆的组成部分发生了与磁极相应的运动，那么，以上现象就得到了最好的解释。

第二条证据线索是海洋学家在二战结束后几十年里进行的探索，他们使用了新的航海技术，比如声呐技术。最初，美国海军研究署资助开发这种技术来探测敌人的潜舰，通过利用声呐和深海潜水艇，海底“地图”得到仔细绘制，这种地图揭示了横贯地球海底的巨大海岭火山体系。首先被发现的，是漫长的中央海岭，然后是其他海底山岭，最终，它们构成了一幅绵延58000千米的水下山脊体系。

海洋学家也发现了惊人的海底深沟，有一些深达9.6千米。最初是在大西洋中央发现了一条巨大裂谷，其长度与中央海岭的长度相当（平行）。随后，更多海沟在主要海洋——包括太平洋和印度洋——被发现。研究者认为，这些裂谷表明，地壳在很深的地方被有力地撕开，同时，海底深处存在强烈的热流和火山活动（就像它们在地球表面活动那样）。这些发现完全出乎人们意料，而且也很难被纳入现存的地球形成理论之中。1960年，普林斯顿大学地质学家哈里·赫斯（Harry Hess,1906—1969）尝试对这些迷人的现象做出统一叙述，他在当时提出一个假说，即后来的海底扩张理论，并且用它来描述新的海底形成的过程：来自地幔的熔岩从板块之间涌出来，然后四处铺开，从而形成新的海底。

赫斯认为，本质上而言，从地幔喷涌而出的熔岩向两边扩散，将巨大海岭上的矿物携带到更远处。这种相关的力撕裂了海洋地壳，允许岩浆涌出并且创造新的海洋地壳，而原来的海底远离了海岭，新的地壳取而代之。在其他区域，海洋地壳被吸入地球内部。这样，海洋地壳因来自地幔的熔岩而不断得以更新，这也解释了一件事情，即对海底的挖掘还从未发现任何海洋地壳的年龄超出1.8亿年。相反，大陆地壳——通常比海洋地壳轻——更古老，它几乎一直处于地球表面，其中一些有几十亿年古老。

赫斯提供了一种关键性要素，它正是韦格纳最初的假说所缺乏的，即合理地解释大陆是如何移动的。赫斯指出，各大陆就像消极的路人，随着地壳下面半熔融岩浆一起运动，他的观点比韦格纳的更有说服力——韦格纳认为，巨大的大陆以某种方式在海底费力地运动。尽管赫斯的假说富有逻辑，也可以得到检验，但是，海底扩张说还是引起大量争议。几年之后，剑桥大学学生弗雷德·瓦因（Fred Vine,1939—）与他的导师D. H．马修斯（D. H. Matthews,1931—1997）在古地磁学研究领域发现了确凿的证据。

到20世纪60年代早期，地球物理学者越来越确信，地球磁场曾屡次出现磁极颠倒的现象。通过测量世界不同地区不同时代的熔岩和沉积岩的磁性，研究者发现，相同时代的岩石（不管发现于何处）具有一致的磁性。不过，这种磁性通常会颠倒过来。积累得越来越多的数据建构了一张过去几百万年的磁性时间表。在每一百万年的时段（称为一个chron，即时代），会发生几次短暂的磁极颠倒，每一次的时间不超过20万年。因为海洋地壳的磁极与它被创造时主要的磁极相一致，因此，这些磁极颠倒的情况，在海底呈现为高强度和低强度的磁性交替带。

1963年，瓦因和马修斯尝试将这种证据与赫斯的海底扩张说结合在一起。他们指出，当海底扩张时，磁性颠倒现象就会建构一种关于正常磁性带和颠倒磁性带（从海底深沟体系两侧向远处辐射）的模式。如果事实如此，那么，山脊两侧的磁性带就会互为镜像。20世纪60年代中期，对冰岛南部大西洋中央山脊两侧的考察，确实揭示了非常对称的交替磁极带模式。1965年，加拿大物理学家和地质学家J．图佐·威尔逊（J. Tuzo Wilson,1908—1993）为板块构造游戏提供了最后一块拼图。威尔逊认为，地球表面被划分成几个刚性板块（根据不同类型的边缘来分割），他找出了其中三个。威尔逊的假说对来自海洋学、地球物理学、地质学和古生物学等领域貌似毫无关联的大量观察做出了统一解释，到1968年，他的假说成为今天著名的板块构造论（plate tectonics），它是地球科学的核心范式，也是理解绝大多数基本地质进程（从造山运动到板块漂移）的一把钥匙。

地球的构造板块

板块构造模型把岩石圈理解为一种由最上面的地壳组成的刚性层。就像鸡蛋壳一样，岩石圈是易碎的，已经分裂成为被称为板块的碎块，“漂浮”在地幔上部不太稳固的软流层上面。我们在前面已经了解到，上软流层的温度和压力使得岩石接近熔点，从而使得岩石圈可以与下面的地层分离，实际上漂浮在它们上面。

岩石圈碎裂的板块经常处于活动中，并且持续不断地改变它们的形状和尺寸（参见地图2.2）。岩石圈的七大板块为：南极洲板块、澳大利亚-印度板块、亚欧板块、非洲板块、太平洋板块、南美洲板块和北美洲板块。其中最大的是太平洋板块，它包括太平洋盆地的绝大部分。许多中等规模的板块也被标识出来了，包括胡安德富卡板块、斯科舍板块、科科斯板块、阿拉伯板块、菲律宾板块、纳斯卡板块和加勒比板块。岩石圈的这些板块平均以5厘米/年的速度相互靠近。

板块移动速度可以通过航天时代的技术得到非常精确的测量。当前使用两种方法来进行测量。其一是甚长基线干涉测量技术（VLBI），这种方法利用射电望远镜记录来自遥远类星体的信号（类星体是固定的参照点）。通过相距较远的两台射电望远镜来对十几个类星体分别进行5到10次观测，这两个天文台之间的距离就能够得到测定，精确度可达2厘米。此后多次重复这种测量，当天文台下面的板块运动时，天文台的相对速度以及直接运动就得到确定。

其二是全球定位系统（GPS），即以众多卫星精确测定地球上不同地点的位置。全球定位系统接收器尤其有助于测量发生于活跃断层带的微小地壳运动。使用这些方法获得的数据无可争辩地证明了板块正在运动。它们表明，夏威夷群岛正在以8.3厘米每年的速度向西北方向的日本移动。

地球内部热量的分布不平衡，推动了巨大板块的运动，尽管迄今为止还没有哪一个具体模型能够解释所有板块活动。现在的普遍看法是，来自地球核心的热能不断熔化2900千米厚地幔的某些部分，促使它通过内部对流活动向上运动。在其他一些地方，更冷、密度更大的岩石圈地层（位于海底）下沉到地幔。这些运动导致岩石圈大型地壳板块的运动，从而造成地震、火山爆发以及造山运动。

这种内部热能是多种因素带来的结果：早期地球所遭受的陨石撞击；放射现象；地球形成时期吸积和引力造成的压力。因此，恒星形成的方式、我们太阳系演化的方式以及引力的作用，导致了地球内部的热量，这种热量反过来成为板块运动的动力。由此可见，这种热量是整个宇宙诞生和演化过程中所产生能量的直接产物。

构造边缘（板块边界）

由于岩石圈的各板块是作为整体在运动，因此，板块构造引起的大多数活动和变形，都发生在板块边界。依照板块活动的类型和它们导致的地质现象，地质学家区分了三种不同的边界——分离型、聚合型和转换型。板块通常由好几种边界结合在一起（参见图2.8）。

分离型边界（divergent boundaries）处于两个板块彼此分离之处，地幔的矿物由此处涌出并创造新的海底。分离型边界也被称为扩张中心，因为海底扩张就发生在这些地方。当板块分离时，由此出现的裂缝由熔岩浆填补，熔岩浆冷却之后，新的海底就形成了。这个过程创造了浩渺的大西洋——它从今天欧亚大陆和美洲之间最初的狭小海湾变成现在的样子。事实上，在过去2亿年，分离型边界的海底扩张造就了地球上大多数海洋盆地，其中以太平洋盆地最为古老。分离型板块也可以在大陆内部形成。大陆会在被称为大陆裂谷的漫长凹陷带分裂，东非大裂谷就是很好的例子。这条裂谷有可能发展成为扩张中心，将非洲大陆一分为二。红海也是一条裂谷，大约2000万年前，它开始沿着阿拉伯半岛和非洲之间的分离型边界开裂（参见图2.9）。

聚合型边界（convergent boundaries）位于两个板块汇聚的地方，由此促使大洋岩石圈要么俯冲到一块上冲板块下部，从而重新回到地幔；要么抬升，然后创造新的山脉。这种碰撞非常缓慢，其结果取决于发生碰撞的板块的特性。高密度大洋地壳滑入较轻的大陆地壳下部形成的边界，被称为俯冲带（subduction zones）。南美安第斯山脉就是纳斯卡板块沿着秘鲁-智利海沟俯冲到南美大陆下部造就的。华盛顿、俄勒冈和加利福尼亚地区的火山也是大洋岩石圈俯冲导致的产物。

在两个大洋板块聚合处，一个板块通常俯冲到另一个板块之下。世界最深的海沟——太平洋马里亚纳海沟——是由移动速度较快的太平洋板块与移动速度较慢的菲律宾板块相互碰撞形成。如果俯冲持续发生，那么，就会形成一系列火山岛。阿留申群岛、马里亚纳群岛以及汤加岛就是这种火山弧结构，它们附近都有一条深海沟，距离它们96千米到290千米不等。

大陆板块的聚合会产生壮观的景象。每一块大陆板块的岩石圈都是漂浮的，这就防止了任何深度的俯冲，因此，两个板块的边缘就会隆起或弯曲，从而形成巨大的山脉。地球上最高的喜马拉雅山脉就是大约5000万年前印度次大陆板块与欧亚大陆板块碰撞造成的（参见图2.10）。其他由汇聚型板块边界创造的主要山脉还包括：阿尔卑斯山脉、阿巴拉契亚山脉以及乌拉尔山，这也解释了为何这些山脉的顶峰会发现海洋化石。

转换型板块边界（transform plate boundaries）位于两块板块发生摩擦同时又没有创造或毁坏岩石圈地壳的地方。大多数转换型边界形成了两块大洋地壳之间的断层，这些地方被称为断裂带（fracture zones）。当相邻板块发生摩擦时，位于这两块板块边界的海底就会向相反方向移动。在大陆地壳上面，我们可以发现一些重要的转换型板块边界。最著名的（可能也是最具破坏性的）是加利福尼亚的圣安德烈亚斯断层，它是太平洋板块向西北方向移动与北美板块边界发生摩擦形成的（参见图2.11）。这种活动持续了大约1000年，如果继续发生的话，这条断裂带以西的加利福尼亚地区最终会成为一座海岛。新西兰阿尔派恩断层（the Alpine Fault）是转换型板块边界的另一个生动事例。

板块构造论——地球科学的核心范式

板块构造论已经成为现代科学最重要的范式之一。就像大爆炸理论解释了宇宙的起源、自然选择的进化论解释了生命的变化和演进一样，板块构造论有助于我们理解地球发生的变化。它们解释了随着时间推移而发生的变化，因此，这三种重要的科学理论也是历史的范式，正因为如此，我们把它们纳入到这本论述大历史的教材之中。板块构造论解释了许多与人类息息相关的现象，并且把许多此前被认为毫无关联的地质进程结合在一起。板块构造论解释了造山运动、火山和地震现象、大陆的运动、海洋的形成、矿物的不同形成方式以及现代世界的面貌。像所有主要的科学范式一样，板块构造论也是一个不断发展的模型，尽管如此，它依旧是现代地球科学的核心范式。