海陆的起源 学生版

魏格纳和大陆漂移学说 孙元林 北京大学地球与空间学院 教授 魏格纳是德国一位杰出的气象学家。1880 年出生于柏林,1905年在柏林洪堡大学获得了天文学方向的博士学位。但他对地质学和气象学更有兴趣,所以在获得博士学位以后就放弃了天文学方面的发展 ,专攻气象学方面的研究。作为当时一个年轻且有才华和抱负的科学工作者,他在毕业后短短的两年时间里,已经在气象学的研究方面开始崭露头角,并被马堡大学聘用,很快成为马堡大学非常受学生欢迎的年轻教师。1911年,他编写了一本《大气热动力学》教科书,成为当时德国大学通用的气象学教材。在1914 年和1915 年参加了**次世界大战,曾经两次负伤。战后又回到马堡大学任教。1924年以后,他受聘奥地利的格拉茨(Graz)大学教授职位。1930年11月初在格陵兰的考察途中魏格纳不幸遇难。魏格纳在他一生中除了在大气动力学方面做出一些贡献以外,在地质学方面也做出了重要的贡献。概括地说,他在地质学中的贡献主要有两个方面:一是他是*早提出月球上的环形山是由陨石撞击形成而非火山爆发形成。当时人们普遍接受的观点是月球上的环形山主要由于火山爆发而形成。直到20 世纪60年代末至70 年代初的“阿波罗”登月计划实施之后,他的这一观点得到了证实:月球表面的环形山绝大多数是由于陨石撞击形成的陨石坑,而非火山口。另一个,也可以说是魏格纳*大的贡献,就是他的“大陆漂移学说”。在科学史上,可以说,一些真正的具有革命性的科学理论提出以后往往需要经过很长的时间才能被人们接受。魏格纳在其《海陆的起源》中提出的“大陆漂移学说”就是这种情况,在经历了半个多世纪的争论之后才逐渐被人们接受。“大陆漂移学说”是现代地质学“板块构造理论”的核心组成部分。“板块构造理论”是地质学中一个非常重要的,涵盖面非常广泛的科学理论,是指导人类认识地球自然历史的一个非常重要的理论体系。在20世纪50年代以前,由于人们对地球的认识只限于陆地的范畴,在当时的地质学界盛行一种根深蒂固的观点,即地球从形成以来,陆地与海洋之间的相对位置一直保持恒定(后人称其为“固定论”)。由于魏格纳的“大陆漂移学说”宣扬的是完全与之对立的一种观点,即陆地与海洋之间的相对位置在地质历史中不是恒定不变的(后人称其为“活动论”)。 魏格纳首先从地图上大西洋两边南美洲和非洲之间海岸线的相似性中产生了“大陆漂移”的灵感,或者 用他的话来说是“大陆错位”。魏格纳并不是**个注意到大西洋两边海岸线的相似性,并产生“大陆错位”想法的人。早在16 世纪末,一位荷兰的学者就注意到了这个现象,并想象可能是地震或大洪水冲开了大西洋两边的大陆。19世纪中叶,一位意大利学者也提出了类似的观点,认为是大洪水冲开了大西洋两边的大陆。很显然,这些想法都是或多或少地受到《圣经》这样的宗教思想的影响,从表象的角度简单地解释这一现象,并没有从科学的角度去论证。对魏格纳来讲,自从产生了这么一个想法以后,这个观点就从来没有从他的脑海中消失过。1911年魏格纳在马堡大学的图书馆读到了一篇奥地利学者苏斯(E.Suess,1885)有关冈瓦纳大陆(Gond- wanaland)的文章。在这篇文章里面提及了当时被大西洋和印度洋所分割的几个大陆上(如非洲、南美、印度、澳大利亚和南极等),都存在一些相同的动物与植物的化石和相似的地层沉积序列,并认为这些大陆曾经通过 陆桥联结在一起形成一个统一的大陆,并用印度的一个地名———Gondwana命名了这个大陆,但现在联结这些大陆的陆桥都已经下沉到海底去了。出于 气象工作者对现代全球气候带分布控制因素的本能认识,魏格纳注意到了这篇文章中列举的一些反映古气候信息的沉积物的分布位置与现代全球气候带分布模式不符。如在 这些大陆上普遍分布有石炭—二叠纪时期的冰川沉积, 而这些大陆现在大多处于靠近赤道的中低纬度附近。魏格纳对传统固定论的解释产生了怀疑。从此,他开始收集和整理全球各地各种古生物化石、沉积和地层的 资料,并进行古气候的分析,从中得出了对大陆漂移的认识。1912年的1月,魏格纳在一次学术报告上首先提出了“大陆漂移”的观点。由于学术报告会影响范围有限,在当时并没有引起学术界的多大关注。1914—1915年,他在**次世界大战中两次负伤住院,使他有时间将 “大陆漂移学说”的思想和证据进行系统的汇总并整理成文,并于1915年正式出版,之后多次再版。这就是他的《海陆的起源》。1924年由斯克尔(J.G.A.Skerl)翻译的《海陆的起源》第三版英译本面世,魏格纳的“大陆漂移学说”观点才开始受到学术界的广泛关注。然而,由于魏格纳对大陆漂移动力机制解释上的瑕疵,使他的学 说一直没有得到科学界的普遍认可。在他去世后就逐 渐被人淡忘。第二次世界大战之后的20 世纪40—50 年代,由于古地磁测试技术的提高,人们能够从岩石中测定出岩石形成时地球磁场的一些磁性信息———岩石的剩余磁性,如磁倾角和磁倾向等,并且可以利用这些磁性信息推算古地理纬度和古地磁极的位置。通过研究,人们首先发现在世界许多地方的岩层的剩余磁性所反映的古地理纬度与这些岩层现今所处的地理纬度并不一致。依据同一个地区,不同时期形成的岩层剩余磁性恢复出来的地球磁场磁极位置不但与今天的磁极位置不重叠,而且彼此也不重叠。当时的科学家们就发现如果是从“固定论”的角度来解释这种现象,必然有两种可能:要么我们生活居住的地球曾经有过许多的磁极;要么地球的磁极在地质历史中发生过大规模的迁移。前一种解释显然是难以想象的。如果是后一种情况,那么依据世界各地 同一时期形成的岩石剩余磁性恢复的古磁极位置应该一致。但是,当科学家把依据欧洲和北美洲两个大陆上不同时期形成岩石剩余磁性计算出的古磁极位置分别依时间顺序用曲线连在一起对比时发现,两个大陆的极 移曲线并不重合,这时,科学家们突然明白了,不是磁极在迁移,而是两个大陆之间发生了相对的位移! 这使得人们重新想起了魏格纳的“大陆漂移学说”。 与此大体同时,人们对海洋区域的地质地貌特征也有了新的认识。科学家们利用第二次世界大战期间发明的声呐技术绘制出了全球的海底地貌。在浩瀚的深海大洋中,有绵延数千千米的山脉———大洋中脊或称中央海岭、也有岛弧海沟,还有像夏威夷群岛那样的火山岛链。在大洋海底,并不像人们以前想象的那样是大片的海底平原。航磁测量所发现的大洋中脊两侧平行排 列的条带状地磁场异常现象则使得科学家意识到这可能是海底沿大洋中脊扩张和地球磁场倒转共同作用的结果。这被深海沉积物的年龄分布模式所证实:在大洋中脊附近只有*年轻的沉积;大洋的边缘包含有*老的沉积物。当人们发现海底*老的沉积物都不老于侏罗纪以前,即2 亿年前的时候,也着实令科学家们大吃一惊。原来认为非常古老的海洋,其海底竟是这样的年轻! 这也使得科学家相信,海底在不断地扩张更新。依据海底磁异常条带的宽度和时限,科学家精确地计算出了2 亿年以来海底扩张的速率为1~10 厘米/年,并被现代的卫星观测结果所证实。 早在第二次世界大战前,地球物理学家们通过地震波技术的应用,已经知道了地球的内部具有地核、地幔、地壳、软流圈、岩石圈等这样的一些圈层结构 。从对海底扩张和地球内部圈层结构的认识中,科学家们赋予了“大陆漂移学说”新的内涵———板块构造运动,并为“大陆漂移学说”找到了新的动力学机制 ———板块构造机制:地球的岩石圈是由“漂浮”在软流圈之上的7 个大板块和若干个小板块构成;这些板块以大洋中脊和岛弧海沟为边界。在热对流的驱动下,地幔物质在大洋中脊附近上涌,使海底向两边不断扩张,驱动漂浮在软流圈上的岩石圈板块发生移动,使各个大陆之间发生相对的水平运动。在岛弧海沟附近,两个板块之间发生碰撞作用,洋壳型地壳俯冲到了陆壳型地壳之下,被不断消减。