被世人遗弃30 年后,每次世界大战都成为它的力量之源:板块构造理论的诞生

居住在这颗蓝色的星球这么久,身为人类的我们自然而然、习以为常地生活在陆地上。

然而,为什么世界分成七大洲?七大洲从哪里来?我们为何需要远渡重洋才能到达彼方呢?

这些问题的答案,直到近百年科技发达,使得地球科学有了很大的进展,科学家才逐渐了解在岩石与海水之下那个隐藏着支撑我们家园的秘密——板块。

图一:当世界各地亮起属于我们的灯火时,人类也不断询问大自然,为什么我在这里,这块土地又是从何而来?图/Pixabay。

国、高中时,我们都学过「板块构造学说」,主张地球最外层由十几个大小不一的板块拼凑而成,而身为台湾人的我们,也都知道台湾位处在欧亚板块与菲律宾海板块之间,岛上的陡峭山脉来自于板块的碰撞。

虽然如今板块构造学说人人都能琅琅上口,但自20 世纪初期以来,它可是历经了千辛万苦才得以引起近代科学家的注意,耗费三十年,才逐渐壮大为地球科学的知名理论。

在板块构造学说的诞生故事前,有一位至关重要的科学家——魏格纳。

魏格纳玩的拼图游戏,是一个整个地球

魏格纳(Alfred Lothar Wegener)是一位德国地球物理学家、气象学家和天文学家。1908年魏格纳被马尔堡大学聘为气象学、天文学和宇宙物理学应用讲师。

任教期间,魏格纳留意到世界地图上,非洲大陆西岸和南美洲东岸,也就是大西洋两侧的海岸线轮廓很相似,就像是两片可拼起的拼图边缘:一凹一凸,彼此密合。因此,魏格纳想像两边陆地原本可能相连,开启了关于大陆漂移的研究,也是往后地球物理学与地质学的重要基础。

图二:1912年左右的魏格纳。图/wikipedia

1911年,魏格纳在马尔堡大学图书馆,读到一篇奥地利地质学家修斯(Eduard Suess, 1885)有关冈瓦那大陆(Gondwanaland) 1的文章,内容提到根据南半球各大陆上有相似的地质沉积岩层和古代动植物化石,假设在南半球曾经存在过一个统一的大陆。

魏格纳是一位气象学家,利用影响全球气候带分布控制因素的专业知识,判断这些反应古气候的沉积物证据,与当时全球气候分布不相符。经过全球古生物化石和沉积地层的资料分析,获得不符合现今纬度的证据,于是魏格纳不仅可以支持修斯的假说,更进一步认知到大陆可能会漂移

我们曾经都黏在一起?大陆漂移学说

1915年魏格纳正式出版《大陆与海洋的起源》2一书,以多面向的证据解释「大陆漂移理论」。在这本书里,魏格纳主张大约在二亿年前,地表有一块「盘古大陆」称作「泛盖娅」 (Pangaea) 3,经过分裂变成两个陆块,再继续分裂与漂移,直到形成今日的样貌。

魏格纳以古生物的资料作为证据,将目前几个分离的大陆:南美洲、非洲、印度、南极洲、澳洲接合起来,如图三所示4。这四种古生物,皆不能跨越海洋,到其他陆地生存,所以能支持这些陆块曾经连在一起的理论,呈现带状且连续的动植物分布范围。

图三:古生物的分布色带。图/wikipedia

在二叠石炭纪时期冰川中,也可以找到关于古气候的证据。冰碛遗迹中的苔原植物很矮小、贴近地面生长,会利用阳光照射地表空气和土壤的温度存活,生长期更长,应该分布在高纬度、甚至极地地区。这些古苔原植物能在现今南半球各大陆发现,就可以作为这些板块,从原先高纬度环境,慢慢移动到现在中低纬度的证据。

虽然魏格纳提出了大陆漂移的种种证据,但因为没有办法解释移动的机制,加上他并非地理学或地质学出身的学者,使得当时学界对他的想法嗤之以鼻。

战争埋葬了生命,也催生了伟大的新科技

他的研究被世人遗忘了三十年,直到世界大战,人们发明许多新科技,地球科学的研究才再次崭露曙光。

第一次世界大战为了探测潜水艇而发明声纳观测,这项发明可以用来测绘海底地形。当探勘船发出声波、从海面向海底传播后,探测员就可以利用从海床反弹的声波的时间差来计算海底深度,借此测绘出海底地形,此时,人们也因此发现了大西洋中部的海底山脉——大西洋中洋脊。

到了第二次世界大战,磁力仪诞生了,磁力仪原先是运用于战争的利器,军方将其装置在飞机并侦查海底下的潜艇,而科学家综合以上两项技术、岩浆冷却成岩石的磁性特征5之后,他们发现:

以中洋脊为中心,两侧海底岩石的磁力分布对称,而且,磁极正反交错呈现条纹状分布,就像是超商每样商品上条码的样子,记录了过去地球磁场方向的每次反转。

以中洋脊为中心,左右对称的磁力分布!

为什么海底岩石的磁力会这样分布呢?科学家海斯(Harry H. Hess)与狄兹(Robert S. Dietz)在1960年代利用同位素定年法6推断:由中洋脊冒出的岩浆,生成出海洋地壳并不断扩张,到了海沟7再隐没到地球内部,像是输送带一样运转。海斯和狄兹顺利解释了海洋地壳的诞生与消逝,形成「海底扩张学说」。

直到此时,「海底扩张学说」配合魏格纳的「大陆漂移理论」,再配合许多研究资料(如海沟处地震定位资料)之后,才逐渐发展出你我熟知的「板块构造学说」。

这颗古老的地球,仍有无数难以参透的秘密

虽然当代地球科学界普遍认可板块构造学说的概念,但这个理论并非毫无疑点,尚有许多疑惑等待科学家一一挑战并且破解。

我们藉由魏格纳及近代地球科学家的研究成果,了解地球板块形成的原因。但是利用各种证据方法,推测陆地过去详细的模样,追溯到十八亿年前就算是极限了,更久以前的地球板块又是如何分布的呢?

从现实面来说,没有任何地质学家能亲眼观察地球内部的物质成分和构造。绝不可能像法国小说家凡尔纳的《地心历险记》8,主角李登布洛克和他的姪子进入火山,通过地心,看遍地下所有秘密,再从地球的另一端出现,却毫发无伤。

小说《地心历险记》在2008 年被翻拍为3D 电影《地心冒险》,在地球的地心展开奇幻冒险。

或许在未来,科技更加进步,研究仪器的功能更强大,地球科学家能找到更多关于地球板块变化的证据。到时候,或许能在板块构造学说的基础上,发展出合理解释地球诞生到现在完整演变的学说,更进一步结合其他领域的科学家,预测未来地球的陆地将如何变化。这些发展,我们都可能参与,也值得我们期待。

注释

  1. 「 Gondwana 」是印度的一个地名,在此地发现的岩石相似于南半球其他大陆,修斯以此称之。
  2. 原文「 Die Entstehung der Kontinente und Ozeane 」。
  3. 「Pangaea」原文为希腊语「Παγγαία」,是「πᾶν」(全部)和「γαῖα」(陆地)的合字,即「全陆地」。其中「Γαῖα」也是前面介绍过的大地之母神。
  4. 图三古生物分带说明:
    • 橙色:犬颌兽属(Cynognathus) 是种三叠纪中期的陆生肉食性犬齿兽类,在非洲、南美洲、南极洲可以发现化石。
    • 蓝色:中龙属(Mesosaurus) 是一种小型水生爬行动物,在二叠纪早期的南美洲和南非地层中可以被发现。
    • 棕色:水龙兽属(Lystrosaurus) 为陆生的中型脊椎动物,存活在二叠纪晚期到三叠纪早期,化石分布于南极洲、印度、南非。
    • 绿色:舌羊齿属(Glossop-teris) 是一属已灭绝的种子蕨类,生存于二叠纪至侏罗纪晚期,化石主要分布于南半球及印度。
  5. 岩石中的磁铁矿会记录当时地球磁场的磁性,与现今地磁场方向一致称为「正磁极性」,反之则为「反磁极性」。
  6. 利用岩石中的元素,其元素包含不稳定的放射性同位素,具有规律的衰变周期,可作为测量地质年代的方法。
  7. 简单来说,为一种海洋地壳与大陆地壳交界的构造,形成深且狭窄的峡谷。
  8. 书名原文「Voyage au centre de la Terre」,为法国小说家凡尔纳于1864 年出版的科幻小说。

Next Post

央视热评:“双11”促销应少一些套路 该让利的就大方让利

周二 11月 3 , 2020
作为年度消费大戏,今年“双11”购物热潮比往年来得早一些。据报道,在“买买买”途中,广大消费者遭遇了 […]
登录 注册

热门文章