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大陸漂移 從大膽假設(shè)到科學(xué)求證北京日報 | 2022年01月07日
劉漢永
110年前，準(zhǔn)確地說是在1912年的1月6日，32歲的德國氣象學(xué)家、地球物理學(xué)家阿爾弗雷德·魏格納在德國法蘭克福的地質(zhì)學(xué)會上做了演講，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)說發(fā)展到今天，更準(zhǔn)確的說法叫作板塊構(gòu)造理論，已經(jīng)深刻地影響了我們今天對世界的認識。那么110年前，魏格納是怎樣提出大陸漂移學(xué)說的？這個理論后來又經(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。在中國的神話中，山是神仙住的地方，而且中國在很早以前就建立了對山的崇拜，三山五岳是皇帝祭祀的對象。傳說在盤古開天辟地之后，終因過度勞累而倒下，他的手足身軀就變成了大山。北宋的科學(xué)家沈括，通過考察太行山上的化石，認為太行山原本是波濤洶涌的大海，后來才變成了高山。
文藝復(fù)興之后的歐洲，科學(xué)風(fēng)靡一時，廣受各大富豪的追捧，或資助他人或親自下場進行各方面的研究，畢竟掌握知識在當(dāng)時來說是一件非常時髦的事情，地質(zhì)學(xué)就在這種氛圍中得到了長足的發(fā)展。最初地質(zhì)學(xué)是一門觀察學(xué)科，其觀察的對象基本都在遙遠的野外，要研究就需要大量的旅行。幾百年前的長途旅行是非常不容易的，危險不說，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，衣食無憂而且有閑錢長途旅行，地質(zhì)學(xué)又被稱為“富人的學(xué)科”。
那時候歐洲的富人科學(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，堅硬的石頭似乎曾經(jīng)被某種力量像揉面團一樣揉捏過，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)生過大規(guī)模的運動。所以，到了19世紀(jì)的時候，山是怎么來的，是什么力量讓大地發(fā)生大規(guī)模的運動成了地質(zhì)學(xué)的核心問題。
在當(dāng)時，科學(xué)家普遍認為地球起源于宇宙間塵埃物質(zhì)的匯聚，匯聚碰撞的時候動能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致地球的溫度非常高，甚至變成一個完全熔融的火球。隨著時間的推移，這個火球慢慢降溫，逐漸凝固就變成了固體，固體再逐漸冷卻。當(dāng)時的科學(xué)家已經(jīng)認識到了熱脹冷縮的現(xiàn)象，因此奧地利地質(zhì)學(xué)家修斯（1831-1914年）就認為，地球其實就像一個慢慢風(fēng)干的蘋果，在冷卻收縮的過程中，表面就會起褶皺，隆起來的部分就是山脈，而凹進去的地方就成了洋盆，聚水而成海。而隨著冷卻的繼續(xù)，新的褶皺會繼續(xù)發(fā)展，這樣就發(fā)生了海陸的交替，原來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，并不會發(fā)生大規(guī)模水平方向上的移動，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，因為這一理論解釋了當(dāng)時長久困擾地質(zhì)學(xué)家的問題。比如解決了山脈的成因問題，回答了高山上為什么會有海洋中才會出現(xiàn)的動物化石；還解釋了為什么明明相距很遠的大陸，比如非洲和南美洲，卻會有相同的地層和化石，就是因為它們原來是連在一起的，后來由于收縮導(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)家對歐洲的阿爾卑斯山和北美的阿巴拉契亞山進行了詳細的地質(zhì)填圖，發(fā)現(xiàn)了大量的巨型褶皺，如果把這些褶皺展開，那么將會有數(shù)千公里長，也就是說地層被壓縮了數(shù)千公里。根據(jù)收縮理論的計算，地球冷卻帶來的皺縮量不會有這么大，這顯然是不可能的。
就在這個時候，阿爾弗雷德·魏格納出場了。
魏格納提出漂移學(xué)說
動力何來成了難解的死結(jié)
說起魏格納，很多人都熟悉一個故事，說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)說的醞釀過程。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)肅地對待這個問題。
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，特別提到了美國地質(zhì)學(xué)家泰勒，他在1908年就獨立提出了大陸漂移學(xué)說。泰勒認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，他甚至進一步解釋這種水平方向上的力來源于潮汐引力。
1912年1月6日，魏格納在德國法蘭克福的地質(zhì)學(xué)會上做了演講，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。相對于傳統(tǒng)的“固定論”，魏格納的學(xué)說被稱為“活動論”。
魏格納提出大陸漂移的假說后，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。不知道是幸運還是不幸，他在戰(zhàn)爭中兩次負傷，于養(yǎng)傷期間，他終于完成了《海陸的起源》一書，1915年出版，并在后來的幾年中多次修訂再版。在書中，他詳細闡述了關(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、大地測量學(xué)等方面列出了大陸漂移的證據(jù)，同時駁斥了舊理論。
其實在很早以前地質(zhì)學(xué)家就認識到印度、南美、非洲、澳大利亞和南極洲等，存在一些相同的動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，并用印度的一個地名“岡瓦納”命名。但是，后來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，擅長現(xiàn)代地球氣候分帶的魏格納意識到，這些大陸上的很多化石或地層根本與實際不符，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曾經(jīng)都聚集在極地地區(qū)，后來才漂移到了現(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)，但批評遠多于支持。很多人指責(zé)魏格納離經(jīng)叛道，他的學(xué)說只是外行人的囈語。
大陸漂移假說關(guān)鍵的弱點在于缺乏對漂移機制的合理解釋。魏格納認為，大陸漂移的驅(qū)動力來自于地球的自轉(zhuǎn)，但實際計算后卻發(fā)現(xiàn)自轉(zhuǎn)的力量遠不足以推動大陸移動。同樣，泰勒猜測的潮汐引力也被計算證明根本不足以推動廣袤的大陸。
另一方面，當(dāng)時的主流觀點認為地球內(nèi)部已經(jīng)完全凝固了，“像鐵一樣堅硬”，很難想象大陸在堅硬的地球上漂移，地球物理學(xué)家的計算也證明了這一點。
因此，在1930年魏格納意外去世之后，大陸漂移學(xué)說逐漸沉寂了。
英國多塞特侏羅紀(jì)海岸線上的褶皺地層。
古地磁研究提供關(guān)鍵證據(jù)
原來海底是擴張的！
但是，魏格納的學(xué)說并未完全消失，甚至他關(guān)于大陸漂移驅(qū)動力的理論也很快有了新的觀點。愛爾蘭地質(zhì)學(xué)家喬利認識到，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，喬利認為當(dāng)?shù)蒯０l(fā)生熔融的時候，地殼在非常微小的力量作用下就可以發(fā)生橫向移動，并形成山脈。這其實可以解決魏格納大陸漂移學(xué)說的機制問題。
隨后，英國地質(zhì)學(xué)家霍爾姆斯進一步發(fā)展了喬利的理論，認為隨著地球內(nèi)部熱量的積累，會導(dǎo)致地幔發(fā)生對流，即內(nèi)部熱的物質(zhì)上升，然后發(fā)生橫向的流動，冷卻以后再下沉，加熱以后再上升，完成一個循環(huán)，深部地幔的對流就驅(qū)動了地球表層的地殼的運動，這也是我們目前認為的板塊運動的主要動力源。但此時魏格納已經(jīng)長眠于格陵蘭的冰雪之中了。
一個新理論的確立，需要過硬的證據(jù)。就大陸漂移學(xué)說的最終創(chuàng)立而言，最堅實的證據(jù)來自于對古地磁的研究，而對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，政府對科學(xué)研究的直接投資是非常有限的，研究所需的經(jīng)費往往都來自于科學(xué)家自己的收入或者社會的贊助，因為那時候科學(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)的到來出現(xiàn)了改變。當(dāng)時的美國和英國海軍遭到了德國潛艇的猛烈攻擊，損失慘重。海軍意識到，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)時海軍主要資助了兩個方向的研究，一個是地磁學(xué)，這有助于海下的導(dǎo)航，另一個是海底地形，這有助于隱蔽。海軍對這兩方面研究的投入極大地提高了我們對海洋的認識，探測技術(shù)更是飛速發(fā)展。
另外，當(dāng)時的英國和美國海軍召集了大量的科學(xué)家入伍，如后來的板塊理論之父赫斯就是美國一艘運輸船的船長，這艘船的一個任務(wù)是運輸物資，另一個任務(wù)則是進行海底地形的勘探。
英國的古地磁學(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)要找工作的時候，卻遇上了1931年的經(jīng)濟大蕭條，盧瑟福就建議他能找到工作就不錯了，別挑了，于是他就在新成立的劍橋大學(xué)大地測量系找到了一個教授大地測量的工作，而當(dāng)時這個系僅有兩個人。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隊。當(dāng)時的科學(xué)家們兵分兩路，一路在海洋上，利用船只拖拽的探測儀器測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期的巖石樣品，測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，就是要驗證大陸漂移理論是否正確。如果大陸發(fā)生過漂移，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，一個是地磁極的方向是變化的，另一個是大陸是漂移的。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，大陸是漂移的！
這種觀點很快得到了赫斯等人的認同。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，因此認為這里是地幔對流上升的地方，然后隨著地幔的對流傳送到海溝處俯沖進入地幔。隨后，迪茨進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，并把這種洋殼生長的模式命名為海底擴張，這個說法沿用至今。
當(dāng)然，到此時為止，赫斯關(guān)于海底擴張的論述仍舊只是猜想，驗證就落到了另一支探測海洋古地磁隊伍的肩上。戰(zhàn)爭期間的研究讓美國政府嘗到甜頭，戰(zhàn)后一口氣建立好幾個海洋研究所，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)測的那樣是沿大洋中脊擴張的，那么地磁極條帶沿大洋中脊是應(yīng)該對稱的，這是英國科學(xué)家瓦因和馬修斯在1963年進行的一個預(yù)測，具體的原理我們這里就不展開講了。起初他們的預(yù)測也被斥為無稽之談，但后面越來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如預(yù)測所言，是沿大洋中脊平行且對稱的！
至此，堅實的證據(jù)無可辯駁地證明了魏格納大陸漂移學(xué)說的正確性。隨后，從大陸漂移和洋底擴張發(fā)展出來的板塊構(gòu)造理論學(xué)說成為了現(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張理論到1970年進一步發(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)家在極短時間內(nèi)都接受了新理論。僅10年時間里，新理論顯示出巨大的威力，摧枯拉朽般摧毀舊世界，建立了一個全新的秩序。在上世紀(jì)70年代后，雖然細節(jié)有補充，但板塊構(gòu)造理論的框架再未發(fā)生實質(zhì)的改變。
延伸閱讀
魏格納之死 為科學(xué)冒險而獻身
魏格納
魏格納提出大陸漂移學(xué)說，更多是一種大膽猜想，也可以說是一種精神的冒險。事實上，魏格納不僅喜歡精神冒險，身體上也是一個喜歡冒險的人。
從1906年起，魏格納就加入了著名的丹麥探險隊，來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，認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)，格陵蘭島相對于歐洲大陸是有漂移運動的，甚至測量了漂移的速度。
1930年10月，魏格納率領(lǐng)一支探險隊伍，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，只有他和另外兩個追隨者繼續(xù)前進，終于勝利到達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)過幾番努力，惡劣的氣候條件迫使人們放棄對魏格納一行的搜救工作。直到1931年4月下旬，搜救行動才得以繼續(xù)開展。狗糧箱、雪橇、滑雪板……找到的東西越來越多，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。
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