人人都该懂的地球科学

3 漂浮的大陆和延伸的海洋

地球上的生命被限制在一个狭窄的地带，像被一张紧实的皮肤包裹着。总的来说，这个范围向下延伸到海洋最深处，即海平面之下11千米，向上延伸到陆地最高点，即海拔9千米的高峰。这使得地球的生命活动范围只有20千米厚，但这包含了我们日常世界的所有方面。如果将地球比作一个苹果的话，生命的活动范围就像苹果皮一样薄，而且这层皮非常紧实。

这个生命范围受到地壳活动中的强大力量的支配，而地壳就是我们脚下看似坚固的岩石。正如我们将要看到的，这股力量是地球深层内部活动的结果。但是在挖掘地下深处之前，我们应该看看这个看似固体的表面，实际上是如何被不断地组合成新陆地格局的，包括大陆分裂，使它们互相挤压，由此打开、封闭海洋盆地，并在此过程中形成高耸的新的山脉。

变化的世界

对于那些留心观察的人而言，有各种证据可以证明：地球的表面曾经经历过戏剧性的巨变。其中最明显的例子就是，海洋生物的遗体化石出现在远高于海平面的岩石中。早在公元前5世纪，亚里士多德便已经在苦苦思索这个问题。15世纪时，达·芬奇曾经说道：“在群鸟飞过的意大利平原上，鱼群曾在那大浅滩中游弋。”在达·芬奇时代，大多数人的理解是，那些遗骸是《圣经》中大洪水的证据，但并不是每一个人都接受这样的说法。1665年，自然哲学家胡克对自己的猜测闪烁其词，不敢冒犯教会的权威，他在《显微图谱》中写道，“暴雨、洪水、地震或某种类似的方式”使曾经的海底升高到了海平面。而那时，地理学家们还有另外一个难题需要考虑。

17世纪初，欧洲的航海家们已经绘制出了较为详细的大陆地图。被誉为“经验主义之父”的弗朗西斯·培根在1620年发表了关于南美洲东海岸线和非洲西海岸线的评论：这种镜像一样的边界使它们看起来应该像七巧板一样拼到一起。在其著作《新工具论》（Novum Organum）中，培根说，这“不是偶然发生的”，尽管他无法解释这为什么发生或是如何发生的。再一次有许多人开始自然而然地认为，大西洋在现实中曾是一条大河谷，是《圣经》中的大洪水把这块陆地切割开来的。

这种想法致使人们始终无法科学地解释山脉耸起和海洋盆地形成的原理。一个主流的观点是，地球在演化的过程中冷却，然后收缩，就像一个干透了的苹果，而光滑的紧致的表皮也起皱了。这“解释”了山脉的成因。海洋盆地被“解释”为是一片片收缩的地壳塌陷到地表下的洞穴里所导致的——最初这些洞穴里都是水，后来喷发出来引发了《圣经》中的大洪水。与之相反的观点认为，整个地球最初完全被水覆盖，后来水逐渐退到了地表下的洞穴里。

但是，关于我们变化的世界，早期最好的一个假设是由博学的本杰明·富兰克林于1782年提出的。他认为，地球的固体表面是一层相对较薄的地壳，就像一层鸡蛋壳，漂浮在流动着的内芯上，“所以，全球地表下漂浮的液体产生的剧烈运动，使得地表因此破裂、被打乱”。简而言之，这就是现代的板块构造理论，而且现在我们有充足的证据支持富兰克林的理论。

大陆在漂移吗

第一位提出大陆在地表漂移的杰出科学家是安东尼奥·斯奈德－佩莱格里尼（Antonio Snider-Pellegrini），他是意大利裔美国人。19世纪50年代时，佩莱格里尼住在巴黎。他把自己的观点写在了1858年出版的一本书《创世记和它的神秘亮相》（La Création et ses mystères dévoilés）中。这本书夹杂了《圣经》的解释和科学假设，其中包括一个想法：地球上所有的大陆最初是一整块超级大陆，但是在一次与大洪水相关的灾难后，南美洲从现在的非洲分离出来，然后快速在地球上移动，最终到达今天的位置。尽管当时均变论的思想已经完整地建立起来，莱伊尔的伟大著作也已经出版了25年，但一小部分人还是接受了佩莱格里尼的理论，认为南美洲和非洲是从一整块大陆分裂出来的；然而他们漠然地忽略了佩莱格里尼的另一个猜测，即这一切都是在一个突如其来的大灾难下并在短时间内发生的。

南美洲和非洲曾经连接在一起的证据现在看来已经无可辩驳，而事实上早在19世纪时人们就已经接受了这一观点。南美洲延伸到大西洋的山脉与非洲延伸到大西洋的山脉吻合得很好，而且那些岩石中的地层也吻合得非常好；低洼的地区与接合处吻合，化石层也是如此；在大西洋两岸的动植物也相互匹配（尽管由于演化的作用，这一点已经不那么明显了）。总体而言，这就像你把一张报纸按照非洲和南美洲的形状剪开，分别放在两边。根据报纸上的单词和句子，你又可以很容易地把它们再拼回去。19世纪末的时候，真正需要解答的问题已经不是大陆是否在地表大范围移动，而是它们到底是如何移动的。

很长时间后，这个问题才有了科学的答案，但是一个重要线索早在1908年就被发现了。那一年，美国地质学家弗兰克·泰勒（Frank Taylor）在一次美国地质学会上提出了他的想法。他认为巨大的山脉实际上是地壳相互挤压变形的结果，这一发现与在美国地质调查局和斯坦福大学任职的贝利·威利斯（Bailey Willis）的研究结果一致。（具有讽刺意味的是，威利斯本人认为“海洋盆地是地球表面的永久性特征”。）泰勒认为，这些侧向力与整个地球上大陆的“强大的缓慢运动”有关。他极有先见之明地洞察到，有一条巨大的海底山脉，被称为大西洋洋中脊（Mid-Atlantic Ridge），它在南美洲和非洲中间的海底伸展开来，一直延伸到北大西洋。泰勒说这个位置最初是大陆之间的裂痕，这表明这条山脊“一直保持不动，而山脊两侧的大陆则向相反的方向缓缓移动”。没有人关注泰勒的论文，而他自己也懒得去推广它。但是几年后，德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）又捡起了“大陆漂移”的想法并发展出了一套自己的理论，他在一系列书籍里对之进行了大力宣传，终于引起了人们的注意。

虽然魏格纳不是地质学家，但在1911年，他无意中发现了一篇论文，论文讲述了这样一个观点：大西洋两岸之所以存在类似的地质层、化石和生物，是因为在很久以前，曾经有一片大陆连接它们，现在这片大陆已经沉到海底。魏格纳认为这个观点很可笑，尤其是因为在20世纪早期，人们已经知道海床的岩石比大陆地壳的岩石密度要大。大陆就像海上冰山一样漂浮在地壳下的致密物质之上。如果有某种神秘的力量使连接大陆的“桥梁”沉到下面的物质中，那么这些“桥梁”应该还会浮上来——就像一块冰被按到水下，它还会浮起来一样。魏格纳知道一两件关于浮冰的事，因为他在丹麦远征队去格陵兰考察时曾担任官方气象学家。浮冰不能沉到海浪之下——但是漂浮的大冰原会开裂，然后逐渐分开，而之间的裂缝会变得越来越宽。到1912年1月，魏格纳已经把这些概念发展成大陆漂移理论的第一个版本，并在法兰克福召开的德国地质协会的会议上进行了公布。

魏格纳没能说服几个人，同时他的工作进展也变得缓慢起来，因为他作为气象学家与大学老师还有本职工作要做。后来，关于大陆漂移理论的工作进展得更慢了，因为在第一次世界大战中，魏格纳要在德国*队军**服兵役。魏格纳的理论面临的一大障碍是该理论需要大陆在看似固体的海床岩石上漂移，就像冰山在海洋上漂移一样。运动的机制仍旧未知，这足以使大多数地质学家对这个理论的研究打消了念头。但是多年来，魏格纳汇集了越来越重要的证据来反对“大陆桥假说”（land bridge hypothesis）。对岩层的详细研究再加上其他的证据表明，“新闻纸上的句子”精确地排列在海洋的缺口，没有“漏字”消失在视线之外。（顺便说一句，魏格纳最先提出了新闻纸的比喻。）他还利用自己掌握的气象学知识，从不同年龄的地层发现的不同种类的岩石和化石研究入手，重建了过去的气候。这项分析表明，现今位于冰天雪地的北极圈的斯匹次卑尔根岛（the island of Spitsbergen）曾经一度被热带植物所覆盖。

在福尔摩斯的故事中，阿瑟·柯南·道尔让他的大侦探指出，一旦你排除了不可能，那么剩下的无论是什么以及无论多么不可思议，也一定是真相本身。魏格纳证明了大陆桥不可能存在；因此，大陆肯定是漂移的，虽然看上去不可能。他对“新闻纸上的句子”进行重构，结果表明所有的大陆曾一度组合在一起，形成了一个超级大陆，他称之为盘古大陆（Pangaea），意为“整个地球”。根据魏格纳的计算，在大约3亿年前，盘古大陆已经开始分裂。魏格纳最重要的见解之一是，山脉的形成与地球的收缩并无关系。他认为，山脉是在一块漂移大陆的前沿形成的，岩石由于阻挡了大陆的移动而被揉碎、抬高。这可以解释一些现存山脉的成因，例如北美西部的落基山脉。陆地之间的碰撞也可以使岩石粉碎、山脉耸起：印度大陆北移，猛烈地撞击亚洲大陆，形成了著名的喜马拉雅山脉。

尽管如此，魏格纳还只是说服了极少数地质学家相信大陆漂移的理论是正确的。1930年11月，魏格纳50岁生日后不久，他在最后一次去格陵兰探险的路上由于心脏病发作而去世。但是，他的讣告中几乎没有提及大陆漂移理论。

公平地讲，对他的同代人而言，大陆漂移理论缺乏一个根本机制，即使是在20世纪30年代，这看起来也像是一道不可逾越的鸿沟。大陆沉入海床下的图像就像冰山沉入大海一样，卡在了地质学家的喉咙里，他们知道海床的岩石是不可能像冰山下的海水一样分开一条路给大陆板块的。但是在魏格纳首次洞察大陆漂移的问题时，他已经发现解决问题的答案就摆在那里，只是其他人没有意识到而已。因为，正确的图像并不是冰山在水里移动，而是冰山在水上漂移。浮冰碎裂然后漂浮开，不是因为它们在水里运动，而是因为它们被洋流载着走。事实证明，大陆板块也是被洋流所驱动——但是，需要一项新技术来证明这一点。

向下深入

这项新技术便是声呐。声呐由于在第二次世界大战和其后的冷战期间被应用而得以发展。尽管在20世纪30年代，人们已经尝试绘制出大陆周围的海床，但声呐的出现还是显著地提高了深海探测的能力。这项技术最开始是用来探测敌方潜水艇、测量水深、寻找入侵登陆海滩附近的水下障碍物的。即使是最简单的声呐设备，也极大地优化了地质学家已有的海底地图。当回声探测仪向下发送一个脉冲时，脉冲到达海底后会发生反弹，并沿着一条精心绘制的轨道运行。通过测量脉冲返回船上的时间，科学家可以把海底的轮廓绘制出来，精度误差仅1米左右。海洋中或者海床上爆发的地震，其震动可以被记录下来，而这些勘测能提供更多的信息。声呐和地震勘测技术后来都得到了极大的发展。20世纪50年代，美国海军提供科研基金，使这两项技术在全球范围内应用，他们需要海底的详细地图来帮助寻找可能存在的敌方核潜艇，以及为自己的舰艇找到较好的藏身之处。

在声呐技术应用之前，地质学家曾预测海底是相对平坦、光滑的，其上覆盖着一层厚厚的沉积物，也许有5 000米厚，是从大陆上冲刷下来的，并积累了上万年。大陆本身其实并没有在水边结束，而是从海岸线向外又延伸了几百千米，形成大陆架，那里的海水较浅，不超过200米深。海洋盆地从大陆架的边缘开始倾斜到深海海底，平均而言，在海平面下接近4 000米深。今天，我们的星球表面29%是陆地，71%被海洋覆盖。如果海平面下降180米，海岸线将与大陆架的边缘重合。那么陆地与海洋的比例将变成35%和65%。这是大陆地壳和海底地壳之间平衡的一个真实反映。

新的调查显示，海底非常崎岖不平，那里的丘陵和峡谷覆盖着相对较薄的一层泥沙。还有明显的大西洋洋中脊——一条水下山脉在大西洋中路延伸开来，并与类似的山脉连接，形成了一个遍布全球的网络。在海底，地壳本身只有7 000米厚，相比之下，大陆地壳的厚度在3.5万～7万米之间。即使是在世界上最大的海洋太平洋的海底，沉积层竟然也只有几百米厚，相当于沉积物被水冲刷了2亿年的总量。放射性年龄测定技术表明，海洋岩石的年龄不会超过大约1.5亿岁。这意味着太平洋只有1.5亿～2亿年的历史。

最近，更多的调查加深了我们对海底的认识。越来越多的回声探测图像表明，在大西洋洋中脊的中部有一个很深的峡谷，像地球的裂缝一样。它正好位于大西洋海底地震发生最频繁的一带，证实了山脊上正发生的事情。类似的地震发生在全球洋中脊的网络带，占全世界地震总能量的大约1/20。有一些洋中脊甚至是从地震监测中发现的，而且是在使用回声探测或其他技术之前——这是一种多么惊人的相关性。

深入海底的探测器显示，在大西洋裂缝中，热量流出的速率是海底其他地方的8倍。科学家对此解释道，地壳在洋中脊中心的确有一个裂缝，裂缝的存在使来自地球内部的热量涌到表面，并向上推高了组成洋中脊的山脉。从新近形成的熔岩海床中，人们费力地挖掘出来的岩石样本已经证实了这一点。此外，大西洋洋中脊的形状恰好遵循南美东海岸和非洲西海岸的轮廓。有了这个证据，现在人们已经清楚这个洋中脊所在的位置，就在南美洲从非洲分离开的裂缝，而且这两个大洲从那时起便开始对称地相互分离。

但是这两个大洲到底是如何在裂缝的两侧分离的呢？一种观点认为，地球可能还在膨胀，但很快这种可能性就被进一步的证据和新的见解排除了。

这项证据其实相当古老，是在20世纪50年代由普林斯顿大学的一位地质学家哈里·赫斯（Harry Hess）发现的。当时还处于第二次世界大战期间，赫斯是一艘运输舰的指挥官。该船配备了当时最先进的回声探测仪，而他一直开着这些仪器，这样就得到了他们所到达地区的海底轮廓。他困惑地发现，海底散布着一些水下平顶山，他称之为“盖奥特”，以纪念19世纪的地质学家阿诺德·盖奥特（Arnold Guyot）。这些山脉类似平顶岛——一种冲出海浪的死火山，山顶因被风化和海浪冲刷而变平。它们常常形成珊瑚岛，那里有一圈珊瑚生长在腐蚀的山峦周边，包围着一个浅浅的潟湖。

赫斯注意到的这个神秘的谜团，正是19世纪30年代时在著名的“贝格尔号”上的达尔文苦苦思索的问题。让人感到不解的是，一般珊瑚只生长在浅水区，因为那里有充足的阳光，还有坚实的地基。人们很容易理解礁石是如何在一个小岛附近的浅水区里长大的。但是人们还发现，很多珊瑚礁离这些小岛的海岸很远，那里的死珊瑚都根植于海底，活珊瑚就生活在死珊瑚之上；一些珊瑚礁事实上存在于没有岛屿的封闭潟湖内。达尔文认为，这些有珊瑚礁生长的岛屿曾经沉没在海浪之下，随着珊瑚礁被淹没，新的珊瑚继续生长在死去的老珊瑚礁上。珊瑚并不像有些人认为的那样，生长在古老火山口的边缘，因为当海岛沉没到水下之后，这些特征都被茫茫的大海侵蚀殆尽。达尔文对此发表的观点值得一读，因为他的观点总是表达得很清楚，以至于再也没有更好的解释了。达尔文是这样写的：

让我们来看一个被岸礁环绕的小岛，它没有什么复杂的结构；然后，让这个小岛和它的珊瑚礁慢慢地沉没。现在这个岛沉了下去，一次一两米或者完全不知不觉。我们可以从已知的适宜珊瑚生长的条件来可靠地推断，在珊瑚礁边缘的大量活珊瑚沉没在海浪下，但很快会回到表面。然而，海水会一点点地侵蚀岸边，海岛会变得越来越矮、越来越小，然后珊瑚礁与海滩的距离变远了……这样我们立刻就明白了环岛的珊瑚礁为什么离它们对面的海岸线那么远了。

这个过程继续持续下去，最终你会发现它变成了一个被珊瑚礁环抱的潟湖，不再有什么海岛。这就是所谓的“环礁”，一个关于珊瑚礁的科学术语，这是达尔文在他1842年出版的书中普及的概念。在更长的时间之后，当珊瑚礁不能再支撑自己的重量时，一切都将消失在茫茫大海之上。

当然，达尔文不知道为什么海岛会下沉，更不知道赫斯发现的海底山峦。但是，他深刻地洞察到平顶海山是怎样被侵蚀的（尽管它们躺在深深的海底），还有当它们再次出现时，为什么其中的一些周围会围绕着死珊瑚。

后来的发现表明，平顶海山离洋中脊越远，它们距离水面就越深。当曾经的发现过去十多年之后，赫斯灵光一现，认识到了事情的原委：平顶海山在洋中脊附近形成，像普通的山一样涌出海面然后被腐蚀，后来又随着海床的移动被运走，到达更深的海底，就像在传送带上一样。这是最初的海底扩张的概念。赫斯意识到，大陆不是穿过海底的岩石运动，而是被岩石的“传送带”载着行进的。在洋中脊两侧，扩张的速度只要达到每年1厘米（大概等同于你指甲生长的速度），就足以解释2亿年（大约地球年龄的1/20）内世界所有的海洋盆地的生成。

赫斯在1960年提出这些想法，同时他还指出，因为新的海床持续不断地从洋中脊形成，再加上没有发现超过2亿年的海床，所以为了维持这一平衡，古老的海床一定是在某些地方被摧毁了。他的原话是这样说的：

海洋盆地具有非永久性的特性，而大陆则是永久性的，尽管它们可能会断裂或拼接到一起，而它们的边缘也会由此而变形。大陆是被地幔的对流被动地载着移动，而不是迎着海洋的地壳破浪而行。

这一组假说引起了人们的注意，但是在1960年的时候还不能说服大多数地质学家相信大陆真的经历过漂移。仅仅过了几年，进一步的证据出现了。

不断翻转的地球磁场

突破的关键来自磁学。许多岩石含有富含铁的矿物质，当含有磁性材料的火成岩形成的时候，这些铁元素的化合物会沿着地球的磁场排列，使这些岩石形成一个虽然弱但是永久存在的磁场。这就像一个化石磁场，记录了岩石完全形成时所在时间、地点的地球磁场方向。这种排列不仅在水平方向上对应着南北走向，在不同纬度的磁场下，方向倾角也不同——纬度越高倾角越大，纬度越低倾角越小。这种叫作倾角的角度对应岩石形成时的纬度。20世纪50年代，当足够灵敏的磁力仪被开发出来后，人们可以测量岩石中磁场的倾角，由此可以证明英国岩石中实际的磁倾角比英国所在位置应该有的磁倾角要小得多。这似乎表明，在过去的2亿年里，英国一直在向北移动。类似的研究显示，南半球的大陆（南极洲除外）也在向北漂移。然而，对这方面的证据，科学家最初谨慎以对，因为这些技术还很新，而且难以实施。针对海床的磁学研究改变了很多人的观点。

这完全是偶然发生的。1955年，美国海军出资对北美西海岸的部分海底进行了一项非常精确的调研，对一艘科学考察船投放了一系列在平行轨迹上的探测器，同时还在做回声探测。参与这项调研的科学家们被告知，在进行这项烦琐而重要的任务时，他们可以做其他任何实验，只要不影响这项调研本身。他们能想到的唯一符合该条件的实验就是磁力测量。科学家们使用了一种鱼雷里面的磁力仪，拖在船的后面。这个仪器实际上测量的是地球的磁场，非常精确；在一些地方，岩石的磁场和地球磁场是一致的，测量的结果就是磁场强度会大一点；在另一些地方，岩石的磁场和地球磁场相反，测量的结果就是磁场强度会小一点。科学家们并没有特意去寻找什么东西，只是其中的磁场异常表明，海底可能存在一些有趣的东西。

科学家们发现了一系列或多或少彼此平行的磁场带。沿着一条磁场带，岩石的磁场都排列成一个方向；下一个磁场带，岩石的磁场方向都是相反的；再下一个磁场带，又与第一条磁场带排列一样，以此类推。这些磁场带在洋中脊附近还都是平行排列的。这个研究结果于1958年公布，引发了更多关于海床磁场的研究，但是还没有人知道其中的缘由。

答案来自对陆地上岩石的研究。除了前面提到的磁倾角的微妙变化，还有其他一些现象表明英国所在的大陆在过去几亿年存在向北漂移的运动。地球上还有一些地方岩石中磁场的方向，与今天地球磁场下形成的岩石的磁场方向完全相反。最自然的解释就是，当地球磁场发生了反转时，两极交换了位置，从而形成了具有反磁性的地层。这种说法是合理的，因为地球磁场是由地核内旋转的液态铁产生的，所以液态铁流动方向的改变可以改变磁场的方向，而不需要地球在空间中真的上下反转。20世纪60年代，研究者把放射性测定年龄的技术应用到了全世界不同磁场的岩石上，于是这个想法被证实了。结果显示，整个地球的磁场的确每隔几百万年就会反转一次。具有决定意义的是，这是一个真正的全球现象，它适用于同一时间内全世界的任何一个地方。

剑桥大学的两位研究人员弗雷德·瓦因（Fred Vine）和德拉蒙德·马修斯（Drummond Matthews），结合哈里·赫斯的假说和新的关于磁场的证据，进一步提出了海底扩张的证据。他们认为，熔岩从位于海底洋中脊的裂缝里喷涌而出，从两侧均匀地扩散开来。当它们落下时，岩石获得了与地球磁场一致的微量磁性。一段时间之后，地球磁场反转，形成的新岩石磁场也跟着地球磁场一起反转，但这不会影响那些已经定型的岩石。如果这些想法是正确的，那么在洋中脊两侧的磁场带应该形成一致的模式，因为两侧相对应的磁场带和地球磁场的反转相匹配。20世纪60年代中期，美国科学考察船“天龙号”（Eltanin）进行了一项调研，完成了对太平洋洋中脊两侧直到复活节岛以南海底的磁场反转的测量。这次测量共包含4 000千米的范围——洋中脊两侧各2 000千米，结果呈现出了一个完全匹配的镜像。将“天龙号”调查的磁场带绘制在一张图表上后，我们可以把这张纸沿着洋中脊的位置折叠，之后会看到两边的图案恰好吻合。这已经没有什么怀疑的余地了，海底扩张是真实存在的，它也的确解释了大陆的漂移。

除此之外，还有一个额外收获。由于在陆地上磁场反转的图案被精确地测定了日期，所以海底的磁场带就像一个条形码一样，我们可以通过它知道每一个磁场带的岩石是在什么时候形成的，从最新的洋中脊上的岩石到大洋盆地边缘的海床上的岩石都可测量。这些图案比以往的估计都更加精确地证实，最古老的海床的历史也没有超过2亿年。

1964年，在剑桥大学工作的爱德华·“泰迪”·布拉德（Edward ‘Teddy’ Bullard）让这一理论锦上添花。布拉德使用计算机得出了如果将大西洋拿走，大西洋两岸的大陆的最佳契合度。这个像拼图游戏一样的拟合并没有使用今天的海岸线，因为那将取决于海平面的高度。布拉德使用了大陆架的边缘，这是大陆真实的轮廓。事实上，如果你按照大陆的形状做一些剪纸，然后在桌面上把它们拼起来，效果也并不比电脑拟合差多少。但是计算机在20世纪60年代中期对人们来说还是非常新鲜的事物（对科学家来说也是如此），这项模拟明显的客观性给人们留下了深刻的印象。此外，随着支持海底扩张的证据不断积累，布拉德的地图成了一个标志性的图像，证明了大陆漂移的真实性。

接下来，只需解释这个过程是如何发生的就可以了。而这些解释，正在以惊人的速度发展。