科学技术史-5.4地学的重大突破(图文教程)

第四节 地学的重大突破

本世纪以来，地质科学活动的规模空前扩大，探测手段不断更新，人们认识到了更多、更丰富的地质现象，地质学的理论性更强，它在实践中的作用也更大了。

4.1大陆漂移说及其疑难

20世纪之前，人们普遍认为地壳虽然会有升降，但大陆在地球上的位置是固定的，大洋盆地也是如此，这就是“大陆固定说”。不过，也有学者注意到世界地图上非洲西海岸与南美洲东海岸的锯齿状拟合，由此而猜测这两块大陆原先可能连接在一起，后来才分离成为两块大陆，这就是说大陆曾经发生过横向的移动。到了20世纪，地球冷缩说的一些观点受到怀疑，以此为据的大陆固定说也随之动摇。德国气象学家和地球物理学家韦格纳(Alfred Lothar Wegener，1880～1930)也是受到非洲和南美洲海岸线的吻合这一事实的启发开始思考这个问题的。他还从这两个大陆的地质构造、古气候、古生物等方面寻找根据，终于1912～1915年间提出“大陆漂移说”。他的主要观点是：大陆为较轻的刚性硅铝质所组成，它漂浮在较重的硅镁质之上，距今大约2．5亿年前，大陆是一块完整的、单一的大陆，它的位置约在今天北极到非洲的周围。到了大约2～0．7亿年前，原始大陆分裂成若干块并且各自漂移，最后才成了今日各个大洲和大洋的面貌。韦格纳的学说比较圆满地解释了今日大西洋两岸的轮廓、地形、地质构造、古生物群落的相似性等一系列现象。然而他的学说存在着一大疑难，这就是巨大的大陆漂移机制的问题。韦格纳认为，使大陆产生漂移的力量来自两个方面：一是地球自转所产生的力；二是太阳和月亮的吸引所产生的自东向西推动的力。但是一些学者经过计算指出，这两种力都远不足以推动大陆的漂移，因而他的学说受到持大陆固定说的学者猛烈攻击。从那时候直至本世纪40年代的几十年内，大陆漂移说几乎销声匿迹。

不过此时仍有一些人在为寻找大陆漂移的驱动力而思考，苏格兰地质学家霍姆斯(Arthur Holmes，1890～1965)就是其中之一。1928年霍姆斯就此提出了“地幔对流说”。地幔是坚硬的地壳下面的厚约3000公里的层圈，他设想固体的地幔可以发生热对流，地幔流在上升的过程中遇到大陆屏障就向两边分流而去，巨大的力量将陆块扯开并使之分离而随地幔漂移。当两股地幔流相向流动而汇合时将向下流动，它的挤压力和向下运动的力量使陆块下沉而造成了海洋和地槽。这样，地幔就不是韦格纳所说的漂浮大陆的“海洋”而是带动大陆的“传送带”了。霍姆斯对他自己的想法没有信心，说这只是“纯属臆想的概念”。他的假说发表之后也曾被视为“异端邪说”，受到多人的指责。然而，他所“臆想”的一些证据后来竟然在海洋里找到了。

4.2 海洋地质三大发现

上个世纪人们就开始了海洋地质调查，1872～1876年英国调查船“挑战者号”环球航行12万公里，收集了海洋物理、海洋化学、海底地貌和海底沉积物等方面的大量资料，是为海洋综合调查的开端。本世纪30年代以后，出于军事上和渔业上的目的以及石油和其他矿产资源开发的需要，系统的海洋调查工作规模不断扩大。与此同时，观察和探测技术也有了飞速的进步。50年代以后更展开了大规模的国际合作，为海底地貌、海底地质和海底地磁提供了十分丰富的资料，被海水所深深覆盖着的洋底越来越清晰地展现在人们的眼前。洋底地质调查硕果累累，其中最重要的是全球裂谷系、洋底热流异常和洋底磁条带这三大发现。

1925～1927年德国调查船“流星号”的调查使人们知道，洋底并不像过去想象那样平坦，而是存在着一系列山脉。后来科学家们又弄清楚了大西洋上的冰岛以及由此向南断续分布的岛屿，其实都是海底山脉露出洋面的山顶。在1957～1958年的“国际地球物理年”活动中，各国调查船合作以声纳探测洋底，证实了存在着一个遍及全球，跨越各大洋盆地，延伸达65000公里的海底山脉。由于这条山脉的绝大部分都分布在大洋的中部，因此称为“大洋中脊”。大洋中脊突兀于海底，相对高差平均约为1～2公里，宽度在200～400公里左右。海底山脉不但比任何陆地山脉都大，而且它的物质组成和具体形态亦与陆地山脉不同。在海底山脉里找不到任何沉积岩的踪迹，它完全由火成岩组成，岩石的年龄比大陆上的岩石年轻得多，最老的也不超过l～2亿年。从形状上看，它的中轴线部位并非最高之处，有很多段落的中轴线竟然是深谷，谷底宽度约数十公里，这就是所谓“全球裂谷系”。按照原先的想象，远离大陆的大洋深处非常宁静，但人们发现洋底频繁发生地震，震中基本上都位于大洋中脊处。

从地球内部传向地表并散逸到空间中去的热量称为地热流。地球表面热流量的平均值约为1．25微卡／厘米2·秒，而洋底热流量的平均热流量约为1．30微卡／厘米2·秒，大洋中脊处的热流量一般达2.5～3微卡／厘米2·秒，少数地方更达10微卡／厘米2·秒。这种异常情况说明必定是有热物质从地幔流向洋底。

磁性岩石之所以具有磁性，是因为这些岩石形成时被地球磁场所磁化的缘故，它的磁场方向必定与当时地球磁场的方向一致。1909年科学家在法国发现不同时代所形成的磁性岩石的磁场方向严格相反，其后人们又相继在许多地方发现同样现象。这就表明地球磁极曾经发生过多次倒转。现在我们知道，在地球的整个历史上，它的磁场极性曾经发生过几百次逆转。50年代美国“先锋号”调查船在美国西部测量海底地磁，发现洋底岩石的磁场存在着有规律的变化，磁场的强度强弱相间并且磁场方向依次正逆变化。进一步的探测更发现，海底岩石磁场的这种变化以大洋中脊为中线呈东西对称状态。这就是“洋底磁条带”。洋底磁条带与大洋中脊平行的现象使地质学家们想到两者之间的关系。1963年英国剑桥大学博士研究生瓦因(Frederich John Vine，1939～ )和他年青的导师马修斯(Drummond Hoyle Matthews，1931～ )认为，洋底磁条带可能是沿大洋中脊喷发出的岩浆凝固时所打上的那时地球磁场的印记。

4.3 海底扩张说的建立

1960年美国地质学家赫斯(Harry Hammond Hess，1906～1969)提出了海底扩张说。他构想了这样一个图像：地幔对流的上升处位于大洋中脊，地幔向两侧分流时把地壳拉开，由此而产生了中央裂谷，地下的岩浆在中央裂谷处溢出，凝固形成新的洋底地壳，洋底地壳不断生成并且受到地幔流的拖曳，持续地向两侧扩张。地幔的下降处在海沟，老的洋底地壳在这里被带进地球内部重新参与循环。他推算每隔两三亿年全部洋底地壳就要更新一次。后来经过许多地质学家的探讨和更大规模的洋底地磁测量，海底扩张说的论据令人信服。岩浆自大洋中脊裂谷溢出后逐渐冷却，获得了与当时地球磁场方向相同的磁性，新的岩浆继续涌出，已凝固的岩石则被推离中脊的两边而去，在这个过程中地球磁场多次倒转，这样就形成了磁条带。经过推算，现在人们认为太平洋洋底每年扩张约5×2厘米，大西洋大约是每年1×2厘米。

4.4 板块构造说的诞生

海底扩张说表明，以大洋中脊为中心的海底扩张必然引起大陆的运动，大陆漂移的机制得到了说明。1968～1969年间，美国的摩根(William Jason Morgan，1935～ )、勒比雄(Xavier Lepichon，)和英国的麦肯齐(Dan Peter McKanzie，1942～ )等几位青年地质学家差不多同时形成了大陆板块运动的想法，他们联名撰写一系列论文阐述他们称之为“板块构造说”或“新全球构造理论”的学说，其基本内容如下：地球上的岩石圈存在着多条裂隙，板块就是四周为巨大的断裂带所割开的层状岩石圈块体。勒比雄把整个地球岩石圈划分为六大板块，即太平洋板块、欧亚板块、澳洲板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块。这六大板块还可以划分为若干个次一级的板块．如有人把以中国大陆为主的亚洲东部和东南部从欧亚板块分出，称为中国板块等等。板块的运动造成了大陆的漂移。一般来说，每一板块内部的地壳都比较稳定，而板块的边界处则是地质构造运动最活跃的区域，板块之间的相对运动是全球地质构造运动的基本原因。板块边界按其作用力的状态可以分为三种情况：挤压性状态，即两板块相对运动而相互挤压；引张性状态，即两板块相背离去而相互牵引；剪切性状态，即两板块之间有相对旋转运动。板块在运动过程中造成了裂谷、地槽、海盆和摺皱山脉，板块运动是造成地震的重要原因之一。

板块构造说能够说明许多地质现象，使人们大为振奋，但是它仍然留下不少疑问。板块构造的原始模式是以相对简单的海洋地质为基础的，它是否符合复杂得多的大陆地质状况?板块运动的机制是否能有足够的证据予以证实?尽管许多问题的研究尚在继续，但是大陆可以漂移，海底在不断地更新这些观念已成定论。不少地质学家认为这是地球科学史上的一次重大革命。