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110年前,準(zhǔn)確地說(shuō)是在1912年的1月6日,32歲的德國(guó)氣象學(xué)家、地球物理學(xué)家阿爾弗雷德·魏格納在德國(guó)法蘭克福的地質(zhì)學(xué)會(huì)上做了演講,題目是《從地球物理學(xué)的基礎(chǔ)上論地殼輪廓(大陸與海岸)的生成》,隨后的1月10日又在馬堡科學(xué)學(xué)會(huì)上做了第二次演講,題目是《大陸的水平位移》,并于同年發(fā)表了論文,這標(biāo)志著大陸漂移理論的正式提出。
大陸漂移學(xué)說(shuō)發(fā)展到今天,更準(zhǔn)確的說(shuō)法叫作板塊構(gòu)造理論,已經(jīng)深刻地影響了我們今天對(duì)世界的認(rèn)識(shí)。那么110年前,魏格納是怎樣提出大陸漂移學(xué)說(shuō)的?這個(gè)理論后來(lái)又經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展?
5億年前的地球
2.5億年前的地球
1億年前的地球
現(xiàn)在的地球
山是怎么生成的?
舊理論稱是原地升降
綿延的山脈是地球表面最具特征的景色之一,高聳入云的山峰,或讓人崇敬,或讓人神往。在中國(guó)的神話中,山是神仙住的地方,而且中國(guó)在很早以前就建立了對(duì)山的崇拜,三山五岳是皇帝祭祀的對(duì)象。傳說(shuō)在盤古開天辟地之后,終因過(guò)度勞累而倒下,他的手足身軀就變成了大山。北宋的科學(xué)家沈括,通過(guò)考察太行山上的化石,認(rèn)為太行山原本是波濤洶涌的大海,后來(lái)才變成了高山。
文藝復(fù)興之后的歐洲,科學(xué)風(fēng)靡一時(shí),廣受各大富豪的追捧,或資助他人或親自下場(chǎng)進(jìn)行各方面的研究,畢竟掌握知識(shí)在當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)是一件非常時(shí)髦的事情,地質(zhì)學(xué)就在這種氛圍中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。最初地質(zhì)學(xué)是一門觀察學(xué)科,其觀察的對(duì)象基本都在遙遠(yuǎn)的野外,要研究就需要大量的旅行。幾百年前的長(zhǎng)途旅行是非常不容易的,危險(xiǎn)不說(shuō),還需要大量資金維持旅行中的花銷。因此,最初開展地質(zhì)學(xué)研究的科學(xué)家,都是比較富有的,衣食無(wú)憂而且有閑錢長(zhǎng)途旅行,地質(zhì)學(xué)又被稱為“富人的學(xué)科”。
那時(shí)候歐洲的富人科學(xué)家們經(jīng)常四處游玩,其中阿爾卑斯山給他們留下了深刻的印象。在這里,他們看到高聳的山峰上常年頂著皚皚白雪,堅(jiān)硬的石頭似乎曾經(jīng)被某種力量像揉面團(tuán)一樣揉捏過(guò),而阿爾卑斯山中發(fā)現(xiàn)了很多大型的斷層,似乎表明大地發(fā)生過(guò)大規(guī)模的運(yùn)動(dòng)。所以,到了19世紀(jì)的時(shí)候,山是怎么來(lái)的,是什么力量讓大地發(fā)生大規(guī)模的運(yùn)動(dòng)成了地質(zhì)學(xué)的核心問(wèn)題。
在當(dāng)時(shí),科學(xué)家普遍認(rèn)為地球起源于宇宙間塵埃物質(zhì)的匯聚,匯聚碰撞的時(shí)候動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,導(dǎo)致地球的溫度非常高,甚至變成一個(gè)完全熔融的火球。隨著時(shí)間的推移,這個(gè)火球慢慢降溫,逐漸凝固就變成了固體,固體再逐漸冷卻。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了熱脹冷縮的現(xiàn)象,因此奧地利地質(zhì)學(xué)家修斯(1831-1914年)就認(rèn)為,地球其實(shí)就像一個(gè)慢慢風(fēng)干的蘋果,在冷卻收縮的過(guò)程中,表面就會(huì)起褶皺,隆起來(lái)的部分就是山脈,而凹進(jìn)去的地方就成了洋盆,聚水而成海。而隨著冷卻的繼續(xù),新的褶皺會(huì)繼續(xù)發(fā)展,這樣就發(fā)生了海陸的交替,原來(lái)的山脈可以下沉變成海洋,而海洋則可以隆盛變成陸地或山脈。海陸只在原地升降,并不會(huì)發(fā)生大規(guī)模水平方向上的移動(dòng),這在地質(zhì)學(xué)史上被稱為“固定論”。
修斯的理論一經(jīng)提出,就受到了廣泛的歡迎,尤其是歐洲科學(xué)家,因?yàn)檫@一理論解釋了當(dāng)時(shí)長(zhǎng)久困擾地質(zhì)學(xué)家的問(wèn)題。比如解決了山脈的成因問(wèn)題,回答了高山上為什么會(huì)有海洋中才會(huì)出現(xiàn)的動(dòng)物化石;還解釋了為什么明明相距很遠(yuǎn)的大陸,比如非洲和南美洲,卻會(huì)有相同的地層和化石,就是因?yàn)樗鼈冊(cè)瓉?lái)是連在一起的,后來(lái)由于收縮導(dǎo)致中間分開了。
“固定論”曾經(jīng)非常流行,然而,在20世紀(jì)初,地質(zhì)學(xué)家對(duì)歐洲的阿爾卑斯山和北美的阿巴拉契亞山進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)填圖,發(fā)現(xiàn)了大量的巨型褶皺,如果把這些褶皺展開,那么將會(huì)有數(shù)千公里長(zhǎng),也就是說(shuō)地層被壓縮了數(shù)千公里。根據(jù)收縮理論的計(jì)算,地球冷卻帶來(lái)的皺縮量不會(huì)有這么大,這顯然是不可能的。
就在這個(gè)時(shí)候,阿爾弗雷德·魏格納出場(chǎng)了。
魏格納提出漂移學(xué)說(shuō)
動(dòng)力何來(lái)成了難解的死結(jié)
說(shuō)起魏格納,很多人都熟悉一個(gè)故事,說(shuō)魏格納躺在病床上看到一張世界地圖,發(fā)現(xiàn)大西洋兩岸的大陸幾乎可以很好地拼合在一起,就萌發(fā)了兩岸是不是曾經(jīng)連在一起的猜想。實(shí)際情況并非如此。
魏格納1924年再版的著作《海陸的起源》一書中談到了大陸漂移學(xué)說(shuō)的醞釀過(guò)程。作為科班出身的氣象學(xué)家,魏格納在1910年讀到一張世界地圖后,就察覺到了大西洋兩岸海岸線相似性,但也只是像普通人一樣隨后丟開,并不覺得有什么重要意義。但在1911年,他在一本論文集中偶然看到一段話,說(shuō)是根據(jù)古生物的證據(jù),巴西和非洲曾經(jīng)是連在一起的,這才促使他嚴(yán)肅地對(duì)待這個(gè)問(wèn)題。
從魏格納的自述中就發(fā)現(xiàn),在他之前,已經(jīng)有很多人注意到了大西洋兩岸海岸線的相似性,甚至早在1596年,荷蘭的地理學(xué)家奧特柳斯就首先用陸地的“漂移”解釋了這種相似性。在魏格納的著作中,特別提到了美國(guó)地質(zhì)學(xué)家泰勒,他在1908年就獨(dú)立提出了大陸漂移學(xué)說(shuō)。泰勒認(rèn)為地球上一些連綿數(shù)千千米的山脈,如亞洲的喜馬拉雅山脈、歐洲的阿爾卑斯山脈、北美洲的落基山脈和南美洲的安第斯山脈,其實(shí)是地球水平方向的巨大壓力擠壓地表導(dǎo)致隆盛而形成的,他甚至進(jìn)一步解釋這種水平方向上的力來(lái)源于潮汐引力。
1912年1月6日,魏格納在德國(guó)法蘭克福的地質(zhì)學(xué)會(huì)上做了演講,題目是《從地球物理學(xué)的基礎(chǔ)上論地殼輪廓(大陸與海岸)的生成》,隨后的1月10日又在馬堡科學(xué)學(xué)會(huì)上做了第二次演講,題目是《大陸的水平位移》,并于同年發(fā)表了論文,這標(biāo)志著的大陸漂移理論的正式提出。相對(duì)于傳統(tǒng)的“固定論”,魏格納的學(xué)說(shuō)被稱為“活動(dòng)論”。
魏格納提出大陸漂移的假說(shuō)后,馬上著手收集證據(jù),但遺憾的是1914年第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā),魏格納不得不參軍。不知道是幸運(yùn)還是不幸,他在戰(zhàn)爭(zhēng)中兩次負(fù)傷,于養(yǎng)傷期間,他終于完成了《海陸的起源》一書,1915年出版,并在后來(lái)的幾年中多次修訂再版。在書中,他詳細(xì)闡述了關(guān)于大陸漂移的設(shè)想,并從地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、古生物和古氣候?qū)W、大地測(cè)量學(xué)等方面列出了大陸漂移的證據(jù),同時(shí)駁斥了舊理論。
其實(shí)在很早以前地質(zhì)學(xué)家就認(rèn)識(shí)到印度、南美、非洲、澳大利亞和南極洲等,存在一些相同的動(dòng)植物化石和相似的沉積地層,因此奧地利地質(zhì)學(xué)家修斯就認(rèn)為這些大陸曾經(jīng)是連接在一起的統(tǒng)一超大陸,并用印度的一個(gè)地名“岡瓦納”命名。但是,后來(lái)岡瓦納的大部分下沉到了海底,這幾塊大陸也就分開了。但是,擅長(zhǎng)現(xiàn)代地球氣候分帶的魏格納意識(shí)到,這些大陸上的很多化石或地層根本與實(shí)際不符,如現(xiàn)在位于中低緯度的印度、非洲和澳大利亞都發(fā)現(xiàn)了冰川沉積物,這顯然是不可能的,唯一的解釋只能是它們?cè)?jīng)都聚集在極地地區(qū),后來(lái)才漂移到了現(xiàn)在的位置。
當(dāng)魏格納的著作在1924年翻譯成英文以后,在科學(xué)界掀起了一陣狂風(fēng),但批評(píng)遠(yuǎn)多于支持。很多人指責(zé)魏格納離經(jīng)叛道,他的學(xué)說(shuō)只是外行人的囈語(yǔ)。
大陸漂移假說(shuō)關(guān)鍵的弱點(diǎn)在于缺乏對(duì)漂移機(jī)制的合理解釋。魏格納認(rèn)為,大陸漂移的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于地球的自轉(zhuǎn),但實(shí)際計(jì)算后卻發(fā)現(xiàn)自轉(zhuǎn)的力量遠(yuǎn)不足以推動(dòng)大陸移動(dòng)。同樣,泰勒猜測(cè)的潮汐引力也被計(jì)算證明根本不足以推動(dòng)廣袤的大陸。
另一方面,當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)認(rèn)為地球內(nèi)部已經(jīng)完全凝固了,“像鐵一樣堅(jiān)硬”,很難想象大陸在堅(jiān)硬的地球上漂移,地球物理學(xué)家的計(jì)算也證明了這一點(diǎn)。
因此,在1930年魏格納意外去世之后,大陸漂移學(xué)說(shuō)逐漸沉寂了。
英國(guó)多塞特侏羅紀(jì)海岸線上的褶皺地層。
古地磁研究提供關(guān)鍵證據(jù)
原來(lái)海底是擴(kuò)張的!
但是,魏格納的學(xué)說(shuō)并未完全消失,甚至他關(guān)于大陸漂移驅(qū)動(dòng)力的理論也很快有了新的觀點(diǎn)。愛爾蘭地質(zhì)學(xué)家喬利認(rèn)識(shí)到,地球內(nèi)部的放射性元素衰變產(chǎn)生的熱可以讓地球內(nèi)部的溫度很高,表現(xiàn)為塑性,甚至發(fā)生熔融。因此,喬利認(rèn)為當(dāng)?shù)蒯０l(fā)生熔融的時(shí)候,地殼在非常微小的力量作用下就可以發(fā)生橫向移動(dòng),并形成山脈。這其實(shí)可以解決魏格納大陸漂移學(xué)說(shuō)的機(jī)制問(wèn)題。
隨后,英國(guó)地質(zhì)學(xué)家霍爾姆斯進(jìn)一步發(fā)展了喬利的理論,認(rèn)為隨著地球內(nèi)部熱量的積累,會(huì)導(dǎo)致地幔發(fā)生對(duì)流,即內(nèi)部熱的物質(zhì)上升,然后發(fā)生橫向的流動(dòng),冷卻以后再下沉,加熱以后再上升,完成一個(gè)循環(huán),深部地幔的對(duì)流就驅(qū)動(dòng)了地球表層的地殼的運(yùn)動(dòng),這也是我們目前認(rèn)為的板塊運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿υ?。但此時(shí)魏格納已經(jīng)長(zhǎng)眠于格陵蘭的冰雪之中了。
一個(gè)新理論的確立,需要過(guò)硬的證據(jù)。就大陸漂移學(xué)說(shuō)的最終創(chuàng)立而言,最堅(jiān)實(shí)的證據(jù)來(lái)自于對(duì)古地磁的研究,而對(duì)古地磁的深入研究則得益于第二次世界大戰(zhàn)的軍事投資。
在二戰(zhàn)之前,政府對(duì)科學(xué)研究的直接投資是非常有限的,研究所需的經(jīng)費(fèi)往往都來(lái)自于科學(xué)家自己的收入或者社會(huì)的贊助,因?yàn)槟菚r(shí)候科學(xué)并未表現(xiàn)出特別的生產(chǎn)力。但這種情況隨著第二次世界大戰(zhàn)的到來(lái)出現(xiàn)了改變。當(dāng)時(shí)的美國(guó)和英國(guó)海軍遭到了德國(guó)潛艇的猛烈攻擊,損失慘重。海軍意識(shí)到,地球物理學(xué)或海洋學(xué)的研究成果可能有助于降低損失,尤其是躲避或隱藏潛艇。當(dāng)時(shí)海軍主要資助了兩個(gè)方向的研究,一個(gè)是地磁學(xué),這有助于海下的導(dǎo)航,另一個(gè)是海底地形,這有助于隱蔽。海軍對(duì)這兩方面研究的投入極大地提高了我們對(duì)海洋的認(rèn)識(shí),探測(cè)技術(shù)更是飛速發(fā)展。
另外,當(dāng)時(shí)的英國(guó)和美國(guó)海軍召集了大量的科學(xué)家入伍,如后來(lái)的板塊理論之父赫斯就是美國(guó)一艘運(yùn)輸船的船長(zhǎng),這艘船的一個(gè)任務(wù)是運(yùn)輸物資,另一個(gè)任務(wù)則是進(jìn)行海底地形的勘探。
英國(guó)的古地磁學(xué)家朗科恩、布萊克特也是在海軍服役期間才開始了對(duì)古地磁的研究,其中布萊克特的經(jīng)歷更具戲劇性。布萊克特原本學(xué)的是物理,導(dǎo)師是著名物理學(xué)家盧瑟福。當(dāng)布萊克特畢業(yè)要找工作的時(shí)候,卻遇上了1931年的經(jīng)濟(jì)大蕭條,盧瑟福就建議他能找到工作就不錯(cuò)了,別挑了,于是他就在新成立的劍橋大學(xué)大地測(cè)量系找到了一個(gè)教授大地測(cè)量的工作,而當(dāng)時(shí)這個(gè)系僅有兩個(gè)人。二戰(zhàn)開始以后,他又轉(zhuǎn)向了古地磁的研究。
朗科恩、布萊克特相繼組建自己的團(tuán)隊(duì)。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們兵分兩路,一路在海洋上,利用船只拖拽的探測(cè)儀器測(cè)量記錄洋底的古地磁方向,另一路在陸地上,收集不同大陸上不同時(shí)期的巖石樣品,測(cè)定它們的古地磁方向。剛開始,研究大陸古地磁的科學(xué)家目標(biāo)比較明確,就是要驗(yàn)證大陸漂移理論是否正確。如果大陸發(fā)生過(guò)漂移,那它們上面巖石記錄的古地磁方向應(yīng)該是變化的,否則是固定的。
研究結(jié)果令他們驚訝,古地磁方向是變化的。那么就有兩種可能性,一個(gè)是地磁極的方向是變化的,另一個(gè)是大陸是漂移的。如果是地磁極發(fā)生了變化,那么各大陸記載的磁極變化應(yīng)該是相同的。但是,布萊克特的研究結(jié)果則顯示不同大陸的地磁極軌跡是完全不同的,那么可能性只有一個(gè),大陸是漂移的!
這種觀點(diǎn)很快得到了赫斯等人的認(rèn)同。受此成果的激發(fā),赫斯在1960年寫了《洋盆的歷史》一文,并正式發(fā)表于1962年。在這篇文章中,赫斯提出,大洋中綿綿幾千公里的海洋山脈(即大洋中脊)處的熱流值比地球上其他地方都要高,因此認(rèn)為這里是地幔對(duì)流上升的地方,然后隨著地幔的對(duì)流傳送到海溝處俯沖進(jìn)入地幔。隨后,迪茨進(jìn)一步修改了赫斯的模型,提出在大洋中脊處噴發(fā)的玄武巖凝固形成了大洋地殼,并把這種洋殼生長(zhǎng)的模式命名為海底擴(kuò)張,這個(gè)說(shuō)法沿用至今。
當(dāng)然,到此時(shí)為止,赫斯關(guān)于海底擴(kuò)張的論述仍舊只是猜想,驗(yàn)證就落到了另一支探測(cè)海洋古地磁隊(duì)伍的肩上。戰(zhàn)爭(zhēng)期間的研究讓美國(guó)政府嘗到甜頭,戰(zhàn)后一口氣建立好幾個(gè)海洋研究所,并投入許多的資金支持開展基礎(chǔ)研究,獲得了許多有關(guān)海洋的資料,其中就包括大西洋、太平洋洋底的古地磁數(shù)據(jù)。
假如洋底的產(chǎn)生真如赫斯預(yù)測(cè)的那樣是沿大洋中脊擴(kuò)張的,那么地磁極條帶沿大洋中脊是應(yīng)該對(duì)稱的,這是英國(guó)科學(xué)家瓦因和馬修斯在1963年進(jìn)行的一個(gè)預(yù)測(cè),具體的原理我們這里就不展開講了。起初他們的預(yù)測(cè)也被斥為無(wú)稽之談,但后面越來(lái)越多的海洋古地磁證據(jù)證明了他們理論的正確性,大西洋、太平洋的古地磁條帶確實(shí)如預(yù)測(cè)所言,是沿大洋中脊平行且對(duì)稱的!
至此,堅(jiān)實(shí)的證據(jù)無(wú)可辯駁地證明了魏格納大陸漂移學(xué)說(shuō)的正確性。隨后,從大陸漂移和洋底擴(kuò)張發(fā)展出來(lái)的板塊構(gòu)造理論學(xué)說(shuō)成為了現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)理論。從1960年赫斯正式提出海底擴(kuò)張理論到1970年進(jìn)一步發(fā)展成板塊構(gòu)造理論,絕大部分的地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家在極短時(shí)間內(nèi)都接受了新理論。僅10年時(shí)間里,新理論顯示出巨大的威力,摧枯拉朽般摧毀舊世界,建立了一個(gè)全新的秩序。在上世紀(jì)70年代后,雖然細(xì)節(jié)有補(bǔ)充,但板塊構(gòu)造理論的框架再未發(fā)生實(shí)質(zhì)的改變。
延伸閱讀
魏格納之死 為科學(xué)冒險(xiǎn)而獻(xiàn)身
魏格納
魏格納提出大陸漂移學(xué)說(shuō),更多是一種大膽猜想,也可以說(shuō)是一種精神的冒險(xiǎn)。事實(shí)上,魏格納不僅喜歡精神冒險(xiǎn),身體上也是一個(gè)喜歡冒險(xiǎn)的人。
從1906年起,魏格納就加入了著名的丹麥探險(xiǎn)隊(duì),來(lái)到格陵蘭島從事氣象和冰川調(diào)查。魏格納一生共有四次去格陵蘭島考察冒險(xiǎn),認(rèn)為這里隱藏著大陸漂移的許多證據(jù)。他標(biāo)志性的著作《海陸的起源》一書中也記錄了他在格陵蘭的許多地質(zhì)發(fā)現(xiàn)。魏格納發(fā)現(xiàn),格陵蘭島相對(duì)于歐洲大陸是有漂移運(yùn)動(dòng)的,甚至測(cè)量了漂移的速度。
1930年10月,魏格納率領(lǐng)一支探險(xiǎn)隊(duì)伍,迎著北極寒冷的暴風(fēng)雪,第四次登上格陵蘭島考察研究。在零下65℃的酷寒下,大多數(shù)人失去了勇氣,只有他和另外兩個(gè)追隨者繼續(xù)前進(jìn),終于勝利到達(dá)了中部的愛斯密特基地。在慶祝完自己50歲的生日后,魏格納和同行人冒險(xiǎn)返回西海岸基地。然而,就在白茫茫的冰天雪地里,他們和外界失去了聯(lián)系。
經(jīng)過(guò)幾番努力,惡劣的氣候條件迫使人們放棄對(duì)魏格納一行的搜救工作。直到1931年4月下旬,搜救行動(dòng)才得以繼續(xù)開展。狗糧箱、雪橇、滑雪板……找到的東西越來(lái)越多,人們最終發(fā)現(xiàn)了魏格納的遺體,他已經(jīng)凍得像石頭一樣與冰河渾然一體了。(北京日?qǐng)?bào) 作者劉漢永)
