腳下的大陸一直在遊走。你感覺到了么？

知識 07-13

腳下的大陸一直在遊走。你感覺到了么？

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被遺忘的大陸漂移

在德國地質學家阿爾弗雷德?魏格納發表《大陸的生成》和《海陸的起源》，提出大陸漂移學說的1910年代，幾乎沒有人相信地球堅硬的表面會發生大規模的水平運動，以垂直運動為主要主張的固定論佔據地學的主流。

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大陸漂移的一些化石證據以及模擬的超級古陸拼合圖

魏格納的理論有大量的地層、構造、化石以及古地貌遺迹等間接證據支持，但相信他的人仍然寥寥無幾，究其原因主要有二：

第一，「大陸漂移」缺乏具有說服力的直接證據。魏格納一生都在試圖用測量手段證明大陸漂移，但在精確的大地測量還屬於科幻小說的20世紀初期，要說服人們相信大陸每年都在漂移無異於痴人說夢。現在我們知道，板塊之間的移動每年以厘米計算，而魏格納給出的估算數值實在是太大了——他認為格陵蘭島每年漂移的速度在1米左右，這讓人們很難相信他的觀點。

第二，「大陸漂移」缺乏力學機制的支持。魏格納認為，較輕的硅鋁層漂浮在深部較重的熔融狀硅鎂層上運動。同樣的，這個理論也無法被證明真實。退一步說，即使這種運動真的發生，那麼導致它發生的原因是什麼，這也是一個無法回答的問題。

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硅鋁層與硅鎂層

魏格納窮盡畢生的精力也沒能說服人們相信他的觀點，最後在50歲時死在了格陵蘭的科學考察過程中。在他去世後，直至二戰結束前，大陸漂移理論再也沒有引起學術界的喧囂，完全沉寂了下來。

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魏格納和他的愛斯基摩嚮導羅姆斯·威廉。他們二人在1930年11月試圖穿越格陵蘭時失蹤，八個月後，人們找到了魏格納的屍體，羅姆斯·威廉則失蹤

煥發青春的海底擴張

如果魏格納能夠看到1960年代後的世界，他一定會感到驚異和欣慰。人們不僅不再用嘲諷的態度看待移動論，而且徹底相信地質體的水平運動是固體地球表層宏觀運動的基礎。從二十世紀初被冷落甚至奚落的「大陸漂移」，到二十世紀中後期成為地學主流的「板塊構造」，這幾十年來發生的翻天覆地的變化，被人們稱為「地學革命」。

究竟發生了什麼，讓我們看待地球運動的方式和過去如此不同？

二戰期間，由於反潛的需要，海洋探測技術突飛猛進。二戰後，這些技術被用作科研，給地球科學帶來了革命性的變化。

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執行深海鑽探計劃的「格羅瑪·挑戰者」號鑽探船

有幾個關於洋底的有趣發現——

第一個是海底岩石的磁異常平行於洋中脊，呈條帶狀，像斑馬線一樣分布。1963年，E.J.瓦因和D.馬修斯提出，由於在岩漿冷凝至居里溫度時能夠俘獲當時地球磁場的磁性，因此在洋底的磁異常條帶實際上是對地磁倒轉現象的記錄過程，只有在大洋地殼發生擴張時，這種現象才能夠出現。

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洋底的磁異常條帶，如同斑馬線一樣分布，反應了地質歷史上地球磁場的倒轉現象

第二個海底的岩漿岩具有越靠近洋中脊越新，越靠近大陸架越老的規律，並且最老不超過兩億年（與之相對應，大陸地殼年齡最老可達三十億年以上）。與之相應的，1968年開始的美國深海鑽探計劃數據顯示，洋底沉積物也具有越靠近洋中脊越新的特徵。

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洋底岩漿岩年齡，靠近大陸老，靠近洋中脊新

第三，1965年，J.T.威爾遜根據橫切洋中脊的斷裂帶，具有調節兩側洋中脊軸部向兩側擴張的特點，提出轉換斷層的概念，解釋了大洋中脊的擴張與伴隨其擴張出現的垂向差異運動。

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大西洋中脊及兩側的轉換斷層

這幾個發現徹底改變了人們對地殼的認知，由此得出了海底擴張的結論。

一統天下的板塊構造

海底擴張解釋了大陸漂移，使魏格納的學說再次引起了人們的重視。由於玄武質的大洋地殼較沉，在遇到花崗質的大陸地殼後，會產生碰撞與俯衝，這就為全球性的地殼運動提出了解釋。這種解釋，被人們稱為「板塊構造學說」。

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經典的板塊構造演示圖

經典的板塊構造現在已經成為地球科學教科書中必須要給予重點介紹的理論了。在入門級的書籍里，它甚至可能是關於大地構造學說的唯一觀點。

它的主要理論包括以下幾點：

一、固體地球的圈層垂向上分為彈黏性的岩石圈和黏性的軟流圈，岩石圈在軟流圈上做相對運動。由於有相應的地球物理（主要是地震波）證據存在，這種理論顯然比魏格納的硅鋁層在硅鎂層上部運動更能說服人。

二、岩石圈分為幾個剛性的板塊，板塊之間相互作用，這種作用決定了地球固體表層的基本構造格局。

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最初劃分出來的六大板塊，目前認為有上百個小板塊存在

三、板塊邊界分成離散型（增生）、匯聚型（俯衝、碰撞）和平移剪切型（轉換）幾種。

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經典板塊理論中的俯衝帶——貝尼奧夫帶

四、板塊在離散型邊界的擴張增生得到匯聚型邊界俯衝消亡的補償，因此地球體積保持不變。

板塊構造學說是如此的牛逼，以至於在它登場後的時間裡，之前所有的地質學理論都無法阻攔它攻城拔寨的步伐。第一次，全球範圍內的宏觀構造格架得到了有效的解釋，上至中生代的數億年地質歷史也融入到了它的懷抱之中。

光環背後的烏雲

19世紀的最後一天，歐洲著名的物理學家齊聚一堂辭舊迎新。在那個會議上，在那個時代，幾乎所有人都認為物理學的殿堂已近完美，開爾文男爵說道：「物理學的大廈已經落成，剩下的只是一些修飾工作了。」不過樂觀的情緒並沒有掩蓋住所有的問題，他又說：「動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方式，現在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏雲籠罩了……第一朵烏雲出現在光的波動理論上……第二朵烏雲出現在關於能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。」

最終，看似縹緲的兩朵烏雲撕裂了大廈的根基。在開爾文男爵發表這番講話後的第五個年頭，第一朵烏雲就導致了相對論的出現；隨後不久，第二多烏雲帶來了量子力學，頃刻間，大廈蕩然無存，經典物理學一統天下的局面徹底消失了。

地質學當然無法和理論物理學相提並論——還記得《生活大爆炸》里Sheldon Cooper的台詞么？「Geology is not a real science」他說。事實上，在板塊構造學說看似完美的理論體系中，還有許許多多的問題我們仍然無法回答。

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Geology is not a real science？

首先映入眼帘的，便是困擾了魏格納先生的大陸漂移兩大難題之一的力學機制問題。對此，板塊構造學給出的解釋簡單說來，就是冷的固體的板塊俯衝至熱的塑性態的地幔中，從而打破了地球內部的熱平衡，帶來了地幔對流。地幔對流帶動了板塊在其上的大規模運動。但是這一理論並沒有得到實驗室數據的有效支持，地幔徹底熔融的可能性基本不存在，因此地幔對流以及由此而來的「地幔熱柱」和「熱點」理論，都缺乏令人信服的直接證據。

另外，大陸軟流圈不具備全球性，也是困擾著地質學家的一個顯眼的問題。根據地球物理方法得出的克拉通（古老穩定的大陸地殼）速度結構的全球層析和區域模型表明，軟流圈在古老地塊下往往缺失。高地震波速可在全球克拉通下持續到超過200-300km，北美陸根更是厚達400km（大陸地殼一般厚度為30-40km，理論認為，軟流圈深度為140-220km）。軟流圈的非全球性讓板塊的運動失去了深部物質運動的依據。

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理想中的地幔對流、地幔熱柱、熱點理論

板內地質運動也是板塊構造學說無法有效說明的問題。近些年來的研究表明，造山作用的全過程和複雜性是板塊構造所無法解釋的。在地質學家對青藏高原的研究中發現，青藏高原新生代火成岩存在三種分布形式：與縫合帶平行的火成岩帶、局限於深大斷裂附近的火成岩帶和彌散性分布的火成岩區。因此，青藏高原新生代岩漿活動必然不都是直接與印度-亞洲大陸碰撞有關。再比如在阿爾卑斯山脈形成於300-400km深處的地幔物質在碰撞之後由於伸展作用上升至地表，表明造山帶在板塊碰撞後依然非常活躍。

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喜馬拉雅造山帶中，仍有諸多問題無法依靠板塊構造來解釋

新的研究成果，不斷對板塊構造提出新的挑戰。雖然在今天，還沒有一個成形的新理論能夠戰勝板塊構造學說，取代它在地球科學界的統治地位，但我們也能夠看出這個理論體系的先天不足和一些深層次問題。

最後的話

卡爾·波普爾通過證偽主義定義科學——

人不可能找到某種作為所有真正知識之母的最終和絕對來源，這是我們人類的認知局限導致的。不存在任何標準可以宣稱發現了最終的真理，唯有時間才能為認識論保留一個評判真理的最終和絕對的標準。在大多數情況下，我們唯一能做的，就是發現存在於我們所提出的命題中的一系列錯誤並清除它。於是，理性的任務與其說是肯定性的，不如說是否定性的。

雖然真理可能永遠無法被有缺陷的人類所完全掌握，但我們可以在不斷的嘗試中努力去接近它。地質學的根本問題，在於我們現在了解地球內部的手段太過於匱乏。地質學理論的提出，很多時候都是在現有觀察結論基礎上歸納出來的自圓其說的體系。從這個意義上說，地質學本身並沒有問題，這是我們認知世界的基本方式。Sheldon顯然誇大其詞了，地質學的確是一門科學，它的存在是具有可證偽性的，只是有些時候，我們要等等基礎學科的步伐，才能夠擁有證偽的手段。

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前蘇聯著名的科拉超深鑽，鑽進達12,262米

地球是一個半徑約為6400公里的巨大球體，今天，人類最直接地了解地球內部的手段——鑽探，普遍只能進行千米級別的鑽進。為了科研而打的超深鑽，也只能達到12000米左右，對地球來說，這連表皮都沒有穿透。即便如此，我們仍然從超深鑽里得到了對地球前所未有的了解。幾乎所有從地表的推測都不能夠清楚地預測地下的情況，那裡仍然是我們有待開發的財富源泉。

板塊構造學說本身可能並不完美，但是它是人類在二十世紀重新認識自己所居住的星球，並從內而外地理解它的一次大膽嘗試。也許又一天，一場新的地學革命將會徹底推翻它，但我們仍然無法否認它的價值。

我期待著新的革命的到來。

END

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