第2章 《海陆的起源》导读
孙元林
“大陆漂移学说”是现代地质学“板块构造理论”的核心组成部分。“板块构造理论”是地质学中一个非常重要,涵盖面非常广泛的科学理论,是指导人类认识地球自然历史的一个非常重要的理论体系。
第一部分 关于魏格纳和大陆漂移学说
魏格纳(Alfred Lothar Wegener)是德国一位杰出的气象学家。1880年出生于柏林,1905年在柏林洪堡大学获得了天文学方向的博士学位。但他对地球物理学和气象学更有兴趣,所以在获得博士学位以后就放弃了天文学方面的发展,专攻气象学方面的研究。作为当时一个年轻而有才华和抱负的科学工作者,他在毕业后短短的两年时间里,已经在气象学的研究方面开始崭露头角,并被马堡大学聘用,很快成为马堡大学非常受学生欢迎的年轻教师。1911年,他编写了一本《大气热动力学》教科书,成为当时德国大学通用的气象学教材。在1914和1915年参加了第一次世界大战,曾经两次负伤。战后又回到马堡大学任教。1924年以后,他受聘奥地利的格拉茨(Graz)大学教授职位。1930年11月初在格陵兰的考察中魏格纳遭遇暴风雪的突然袭击而不幸遇难。
魏格纳在他一生中除了在大气动力学方面作出一些贡献以外,在地质学方面也作出了重要的贡献。概括地说,他在地质学中的贡献主要有两个方面:
一是他是最早提出月球上的环形山是由陨石撞击形成而非火山爆发形成。当时人们普遍接受的观点是月球上的环形山主要由于火山爆发而形成。直到20世纪60年代末至70年代初的“阿波罗”登月计划实施之后,他的这一观点得到了证实:月球表面的环形山绝大多数是由于陨石撞击形成的陨石坑,而非火山口。
另一个,也可以说是魏格纳最大的贡献就是他的“大陆漂移学说”。在科学发展史上,可以说,一些真正的具有革命性的科学理论提出以后往往需要经过很长的时间才能被人们接受。魏格纳在其《海陆的起源》中提出的“大陆漂移学说”就是这种情况,在经历了半个多世纪的争论之后才逐渐被人们接受。
“大陆漂移学说”是现代地质学“板块构造理论”的核心组成部分。“板块构造理论”是地质学中一个非常重要的,涵盖面非常广泛的科学理论,是指导人类认识地球自然历史的一个非常重要的理论体系。
在20世纪50年代以前,由于人们对地球的认识只限于陆地的范畴,在当时的地质学界盛行一种根深蒂固的观点,即地球从形成以来,陆地与海洋之间的相对位置一直保持恒定(后人称其为“固定论”)。由于魏格纳的“大陆漂移学说”宣扬的是完全与之对立的一种观点,即陆地与海洋之间的相对位置在地质历史中不是恒定不变的(后人称其为“活动论”)。
魏格纳首先从地图上大西洋两边南美洲和非洲之间海岸线的相似性中产生了“大陆漂移”的灵感,或者用他的话来说是“大陆错位”。魏格纳并不是第一个注意到大西洋两边海岸线的相似性,并产生“大陆错位”想法的人。早在16世纪末,一位荷兰的学者就注意到了这个现象,并想象可能是地震或大洪水冲开了大西洋两边的大陆。19世纪中叶,一位意大利学者也提出了类似的观点,认为是大洪水冲开了大西洋两边的大陆。很显然,这些想法都是或多或少地受到《圣经》这样的宗教思想的影响,从表象的角度简单地解释这一现象,并没有从科学的角度去论证。对魏格纳来讲,他产生了这么一个想法以后,这个观点就从来没有从他的脑海中消失过。1911年魏格纳在马堡大学的图书馆读到了一篇奥地利学者E。Suess(1885)有关冈瓦纳大陆(Gondwanaland)的文章。在这篇文章里面提及了当时被大西洋和印度洋所分割的几个大陆上(如非洲、南美、印度、澳大利亚和南极等),都存在一些相同的动物与植物的化石和相似的地层沉积序列,并认为这些大陆曾经通过陆桥连接在一起形成一个统一的大陆,并用印度的一个地名——Gondwana命名了这个大陆,但现在连接这些大陆的陆桥都已经下沉到海底去了。出于气象工作者对现代全球气候带分布控制因素的本能认识,魏格纳注意到了这篇文章中列举的一些反映古气候信息的沉积物的分布位置与现代全球气候带分布模式不符。如在这些大陆上普遍分布有石炭—二叠纪时期的冰川沉积,而这些大陆现在大多处于靠近赤道的中低纬度附近。魏格纳对传统固定论的解释产生了怀疑。从此开始,他开始收集和整理全球各地各种古生物化石、沉积和地层的资料,并进行古气候的分析,从中得出了对大陆漂移的认识。1912年的1月,魏格纳在一次学术报告上首先提出了“大陆漂移”的观点。由于学术报告会影响范围有限,在当时并没有引起学术界的多大关注。1914-1915年,他在第一次世界大战中两次负伤住院,使他有时间将“大陆漂移学说”的思想和证据进行系统的汇总并整理成文,并于1915年正式出版,之后多次再版。这就是他的《海陆的起源》。1924年由斯克尔(J。G。A。Skerl)翻译的《海陆的起源》第三版英译本面世,魏氏的“大陆漂移学说”观点才开始受到学术界的广泛关注。然而,由于魏格纳对大陆漂移动力机制解释上的瑕疵,使他的学说一直没有得到科学界的普遍认可。在他去世后就逐渐被人所淡忘。
第二次世界大战之后的20世纪40-50年代,由于古地磁测试技术的提高,人们能够从岩石中测定出岩石形成时地球磁场的一些磁性信息——岩石的剩余磁性,如磁倾角和磁倾向等,并且可以利用这些磁性信息推算古地理纬度和古地磁极的位置。通过研究,人们首先发现在世界许多地方的岩层的剩余磁性所反映的古地理纬度与这些岩层现今所处的地理纬度并不一致。依据同一个地区,不同时期形成的岩层剩余磁性恢复出来的地球磁场磁极位置不但与今天的磁极位置不重叠,而且彼此也不重叠。当时的科学家们就发现如果是从“固定论”的角度来解释这种现象,必然有两种可能:要么我们生活居住的地球曾经有过许多的磁极;要么地球的磁极在地质历史中发生过大规模的迁移。前一种解释显然是难以想象的。如果是后一种情况,那么依据世界各地同一时期形成的岩石剩余磁性恢复的古磁极位置应该一致。但是,当科学家把依据欧洲和北美洲两个大陆上不同时期形成岩石剩余磁性计算出的古磁极位置分别依时间顺序用曲线连在一起对比时发现,两个大陆的极移曲线并不重合,这时,科学家们突然明白了,不是磁极在迁移,而是两个大陆之间发生了相对的位移!这使得人们重新想起了魏格纳的“大陆漂移学说”。
与此大体同时,人们对海洋区域的地质地貌特征也有了新的认识。科学家们利用第二次世界大战期间发明的声呐技术绘制出了全球的海底地貌。在浩瀚的深海大洋中,有绵延数千千米的山脉——洋中脊或称中央海岭、也有岛弧海沟,还有像夏威夷群岛那样的火山岛链。在大洋海底,并不像人们以前想象的那样是大片的海底平原。航磁测量所发现的大洋中脊两侧平行排列的条带状地磁场异常现象则使得科学家意识到这可能是海底沿大洋中脊扩张和地球磁场倒转共同作用的结果。这被深海沉积物的年龄分布模式所证实:在大洋中脊附近只有最年轻的沉积;大洋的边缘包含有最老的沉积物。当人们发现海底最老的沉积物都不老于侏罗纪以前,即2亿年前的时候,也着实令科学家们大吃一惊。原来认为非常古老的海洋,其海底竟是这样的年轻!这也使得科学家相信,海底在不断地扩张更新。依据海底磁异常条带的宽度和时限,科学家精确地计算出了2亿年以来海底扩张的速率为1-10cm/年,并被现代的卫星观测结果所证实。
早在第二次世界大战前,地球物理学家们通过地震波技术的应用,已经知道了地球的内部具有地核、地幔、地壳、软流圈、岩石圈等这样的一些圈层结构。
从对海底扩张和地球内部圈层结构的认识中,科学家们赋予了“大陆漂移学说”新的内涵——板块构造运动,并为“大陆漂移学说”找到了新的动力学机制——板块构造机制:
地球的岩石圈是由“漂浮”在软流圈之上的7个大板块和若干个小板块构成;这些板块以大洋中脊和岛弧海沟为边界。在热对流的驱动下,地幔物质在大洋中脊附近上涌,使海底向两边不断扩张,驱动漂浮在软流圈上的岩石圈板块发生移动,使各个大陆之间发生相对的水平运动。在岛弧海沟附近,两个板块之间发生碰撞作用,洋壳型地壳俯冲到了陆壳型地壳之下,被不断消减。
第二部分 《海陆的起源》各章导读
第一篇(第1章至第2章) 大陆飘移说的基本内容
第1章
作者开宗明义地提出了大陆块体在地质历史中发生过巨大的水平运动。并以具体的实例阐述了他的“大陆漂移学说”思想,认为:
1.在古生代石炭纪之前,现在地球上的各个大陆块体曾经联结为一体,构成了一个统一的大陆,称为“泛大陆”。泛大陆周围被一个超级大洋所包围。
2.从中生代开始,这个超级大陆逐步解体(断裂)成几大块,彼此在大洋海底上漂移分离;随着大陆的分裂,大西洋和印度洋开始形成,并一直演化到今天这样的海陆分布地理格局。
3.陆地上的高大褶皱山系的形成则与大陆块体的移动有着直接的因果联系。在大陆块体漂移的过程中,其前缘受到冷却洋底的阻力并遭受挤压而褶皱成山。
4.大陆系由较轻的刚性硅铝质岩石构成,漂浮在由较重的黏性硅镁质岩浆构成的大洋海底之上。可能由于潮汐力和地球自转时离心力的影响,使大陆断裂成几大块体而分离漂移。
前三点与地质学的事实相吻合。而第4点关于大洋海底的性质则建立在错误的假设基础之上。事实上在当时,地球物理学的研究已经证实大洋海底是由刚性硅镁质岩石构成,而非黏性的岩浆。潮汐力和地球自转时产生的离心力是不足以使大陆地壳在刚性的硅镁质洋壳上滑动的。因此,魏氏关于大陆漂移动力机制的解释成为其学说遭受攻击的软肋。现在的观点认为软流圈之下的地幔对流才是驱动大陆漂移的主要力量。
第2章
冷缩说、陆桥说和大洋永存说是当时地质学界几种比较流行的、基于“固定论”解释地壳构造运动、生物地理分布和海陆分布的观点。
冷缩说认为地球通过冷却而收缩,在它表面形成了褶皱山脉;使深海底隆升成陆,大陆块沉降为海底。
现在被大洋所分隔的一些大陆上的动植物具有密切的亲缘关系,说明这些大陆之间在过去曾经有过宽阔的陆地连接。陆桥说认为连接这些大陆的陆桥后来深深沉没,成为今日的洋底。
大洋永存说以地壳均衡理论为基础,从大陆自古迄今一直未曾变动的假设出发,认为大洋盆地是地球表面的永存现象,位置一直保持不变。
作者主要从三个方面驳斥了冷缩说的观点:
1.通过引证前人关于阿尔卑斯山脉褶皱收缩量的研究成果,认为现在阿尔卑斯山脉的宽度只有收缩前的1/4或1/8.若假定其是由于地球冷却收缩而形成,那么,从理论物理学的角度看,仅形成阿尔卑斯山脉第三纪时期的褶皱就需要降温2400℃之多。按照克尔文的计算,就目前从地球内部向地表流失的热量来看,过去的地球绝不可能有如此高的温度。
2.如果冷缩说成立,由冷却产生的皱缩作用应该作用于地球的整个表面,而不应该只作用于地球表面的某一点。地质学的事实表明,地球表面的褶皱山系并不是均匀地分布在地球表面。
3.冷缩说回避了大陆块体和大洋底的性质差别。其关于深海底隆升成陆和大陆块沉降为海底的观点与地壳均衡理论相矛盾。按照地壳均衡理论,较轻的地壳表层是漂浮在较重的下层岩浆之上,就像漂浮在水中的木头一样,只有在负重后,才可能下沉。因此,较轻的硅铝质大陆块体不可能沉降为深海底。冷缩说所宣扬的海陆变化,从地质学的角度看,其实只是海水淹没或退出大陆的变化。大陆从来没有陷落为深海底。
而关于陆桥说和大洋永存说之争,作者认为这两种观点是各持偏见,都只抓住了有利于自己一方的部分事实,而在另一部分事实面前就受到了驳斥,从正确的前提下得出了错误的结论。大陆漂移学说能够合理解释它们争论的全部事实:
1.陆地的连接是有过的,但不是后来沉没的陆桥,而是大陆之间的直接连合;它们今天的分离状态是由于它们之间发生了大陆漂移。
2.永存的不是个别的海和陆,而是整个海陆的面积。海陆的相互位置由于大陆漂移会改变,但全球总的海陆面积是不变的。
第二篇(第3章至第7章) 证明
作者以大量的篇幅,从地球物理学、地质学、古生物学和生物学、古气候学和大地测量学的角度论证大陆漂移学说的正确性。可以说,本篇中所引用的地质学、古生物学和生物学、古气候学证据,尽管其文笔不是很流畅,论述也不是很严谨,前后缺乏连贯性,但在论证大陆发生过漂移的事实上还是非常有说服力的。
第3章
作者从地球物理学不同的角度论证大陆和洋底地壳的性质不同。大陆由较轻的岩石构成,而海底由较重的物质组成。证据包括:(1)大地测量统计结果显示地球表面存在两个最大频率的高程:大陆基台(海面之上100 m)和深海底(海面之下4700 m);(2)地震波在通过洋底的传播速度大约比通过大陆的速度要大0.1 km/秒;(3)与大陆相比,大洋底十分平坦,缺乏褶皱山脉。
需要说明的是作者把大洋底的平坦性和缺乏褶皱山脉解释为是洋底硅镁层具有较大的可塑性和流动性的表现,这一认识是错误的。根据现代的板块构造理论,洋底缺乏褶皱山脉是由于洋壳板块在海沟附近俯冲到了地下的深部。
第4章
作者从地质学角度论证今天被大西洋分隔的大陆曾经联合在一起和大陆发生过大规模的水平运动。
如果说大洋两边的大陆过去曾经直接联合,在它们分离以前所形成的大陆上的褶皱山脉和其他地质构造应该是相互连续的。大洋两侧大陆上的地质构造末端必然会位于同一位置,相互拼合时就可以直接连续起来。也就是说,在它们分离以后两侧残留的岩层在岩性变化序列和性状,所含的生物化石内容,以及褶皱的方向应该是高度一致,可以拼合。而过去不曾直接连接的大陆,则不会具有相同的地质构造。而原来分离的大陆由于大陆漂移会相互靠近,形成新的褶皱山系。
作者引证了大量这类地质学证据说明今天被大洋分隔的一些大陆曾经直接连接在一起,后来发生了大陆的漂移:
1.大西洋两侧的非洲和南美洲、欧洲和北美洲曾在晚古生代时期直接连接在一起,中生代时期首先从非洲的最南端开始分裂,逐渐分离形成了大西洋。北美洲大陆在向西漂移的过程中还发生了顺时针的旋转。
2.非洲大陆在向北漂移的过程中于第三纪时期在其北缘形成了阿特拉斯山脉,晚于大西洋的开裂,因此在美洲就找不到它的延伸。
3.印度在中生代晚期与非洲大陆断裂开来,向东北方向漂移,在新生代早期与亚洲联合,形成了巨大的喜马拉雅褶皱山系,影响范围波及到北亚的兴都库什山一带。作者根据喜马拉雅山的皱缩量计算,印度次大陆的移动距离为3000 km。马达加斯加岛在第三纪时期与非洲大陆脱离。
4.印度东岸与澳洲西岸曾经连接在一起。
5.沿澳洲东海岸呈南北走向分布的石炭纪褶皱山系是从阿拉斯加穿越三大洲(北美洲、南美洲和南极洲)的巨大安第斯褶皱山系的延续和终点。中生代时期澳洲向东漂移而断开。在澳洲东南面的新西兰和北面的新几内亚地区可以见到澳洲后期运动所形成的褶皱山系。需要说明的是,美洲西海岸的安第斯褶皱山系是美洲与非洲分离后才形成的新的褶皱带,与澳洲东海岸的褶皱山系没有关系。澳洲东海岸的褶皱山系应是南美南部和非洲南部晚古生代褶皱带经南极洲的延续和终点。
6.南极洲可能在西部的格雷厄姆地与南美洲的巴塔哥尼亚曾经相连。
第5章
大洋是阻隔不同大陆上陆生动植物相互交流的天然屏障。因此,不同大陆上各个地质时期的动植物的相似程度高低或亲缘关系远近是反映大陆曾经连接或分离的很好指标。相似程度越高,说明两个大陆直接相连;反之,说明两个大陆相互被大洋阻隔。两个大陆分离的时间越久,则其动植物的相似程度就越低,亲缘关系也越远。
被大西洋和印度洋所分隔的一些主要大陆之间在地质历史中曾具有高度一致的动植物化石群被陆桥说的支持者作为说明这些大陆之间曾有陆地连接的重要论据。按照陆桥说的观点,今天这些大陆彼此被大洋所分隔,是由于连接它们之间的陆地已经沉入海底。
在本章中作者接受陆桥说的支持者作为说明这些大陆之间曾有陆地连接的论据,并用他的大陆漂移学说比较合理地解释了若干个重要的、陆桥说不能合理解释的古生物学和生物学事实,特别是涉及陆地之间存在距离上的变化:
1.北美东南的格临内耳地区、格陵兰岛和北大西洋中的斯匹次卑尔根岛上的第三纪—第四纪植物地理区系的变化。根据森帕尔(M。Semper)的研究,格临内耳地区第三纪时期的植物群与斯匹次卑尔根岛的亲缘关系(63%),要比与格陵兰的关系(30%)更为密切。而今天,它们的关系完全相反(分别为64%和96%)。按陆桥说的观点,只能解释今天的情况,因为格陵兰比斯匹次卑尔根岛更靠近北美大陆。但第三纪时的情况就无法解释了。而用大陆漂移学说就可以很好地解释这种差异:在第三纪早期,格临内耳与斯匹次卑尔根之间的距离要比格临内耳与格陵兰的化石点之间的距离短。而现在格陵兰比斯匹次卑尔根岛更靠近北美大陆。
2.据高次伯格的研究,南太平洋中胡安·斐南德斯群岛(Juan Fernandez Islands)的植物与邻近的智利西海岸并没有任何亲缘关系,但与火地岛、南极洲、新西兰及太平洋诸岛之间存在亲缘关系。陆桥说无法解释这种差异,但大陆漂移学说可以给出合理的解释:南美洲向西漂移,最近才接近该岛,所以植物区系才有如此显著的差别。
3.虽然夏威夷群岛在距离上与北美最近,海风和洋流也是从北美吹向夏威夷,但该群岛上的植物区系与北美洲很少有关系,而与其西边的旧大陆(亚洲大陆)关系密切。按照大陆漂移学说的观点,在第三纪中期(中新世),夏威夷群岛所处的纬度是40-45°,属于盛行的西风带,风从西边的日本和中国吹来,而且,当时的美洲海岸离夏威夷群岛的距离也比现在远。
4.在解释印度德干高原与马达加斯加岛之间的生物关系问题上,大陆漂移学说相比陆桥说也体现出了明显的优越性:因两个陆块现在处于赤道的两侧,所以具有相似的气候和生物特征。但两地相距如此之远,但若用陆桥说解释两地,以及非洲和南美洲等地石炭纪至二叠纪时期的舌羊齿植物(Glossoperis)分布时,就无法在生物学问题上给予合理的解释。而用大陆漂移学说则不成问题。
澳洲现代动物区系的分布也为作者提供了用大陆漂移学说解释其形成机制的很好例证。根据现代哺乳动物,全世界可以区分出6大动物区系,澳洲动物区系是其中之一。位于印度尼西亚南部的巴厘岛(Bali)和龙目岛(Lombok)之间的直线距离虽然只有20多千米,却是两大动物区系(东方动物区系和澳洲动物区系)的分界线,即著名的“华莱士线”(Wallaces line)。在此线以西,完全缺失有袋类哺乳动物。
根据华莱士(A。R。Wallace),澳洲的动物界可以分出三个古老的系统(或分区)。
(1)第一个分区见于澳洲的西南部,以喜温动物为代表。它与印度、斯里兰卡,以及马达加斯加和南非具有亲缘关系。这个亲缘关系起源于当澳洲还与印度相连的时期。但到侏罗纪早期,这种联系就中断了。
(2)第二个分区是以澳洲特有的哺乳动物——有袋类和单孔类(如鸭嘴兽和针鼹)为代表。有袋类的化石在北美洲和欧洲曾有发现,但未在亚洲发现。从现代有袋类动物的分布和动物体内寄生虫,可以推知这一动物分区的动物成分与南美洲存在血缘关系。关于澳洲和南美洲的血缘关系,若从喜热的爬行类动物来看,很难显示出两地有什么密切的联系,但从耐寒的两栖动物类和淡水鱼类来看,则有大量证据显示两地之间存在密切的血缘关系。华莱士确信,澳洲与南美洲之间即使有陆地相连,也必然是位于靠近大陆寒冷的一端。因此,魏格纳认为,澳洲和南美洲的动物血缘关系发生在澳洲与南极洲和南美洲还相连的时期,即澳洲与印度分离之后(侏罗纪早期),澳洲与南极洲分离之前(始新世)的这段时期内。由于澳洲今日靠近了印度尼西亚群岛(即原文中的巽他群岛),这些动物又逐渐侵入到印度尼西亚群岛的东部。
(3)澳洲第三个动物分区位于澳洲东北部和新几内亚。动物成分系以从印度尼西亚群岛移居而来东方动物区系分子与澳洲动物区系分子混生为特点。澳洲的野狗、啮齿类(老鼠)、蝙蝠等是第四纪以后才迁入的。因此,该动物分区是在最近的地质时期才形成的。
在说明澳洲动物地理区系的形成机制上,作者对陆桥说给予了有力的批驳:南美洲与澳洲之间最短的距离几乎与从德国到日本的距离相当。如果说这两个大陆之间在地质历史时期可以靠一个陆桥进行物种的交换,那么,为何澳洲与近在咫尺的印度尼西亚群岛之间却没有发生过物种的交换?
按照大陆漂移学说的假说,澳洲与南美洲之间曾经非常靠近,而与印度尼西亚群岛之间则曾有宽阔的大洋相隔。
第6章
作为一位气象学家作者对现代地球表面主要气候带的控制因素非常敏感,而且也非常清楚。像我们所知道的热带、温带、寒带这样的气候带主要是由地理纬度来控制的,沿纬度呈带状分布。地球的过去,也应该存在类似的气候分带现象。在不同的气候带内都会有其特征的生物和沉积。如寒冷北极圈内的冻土苔原植被和温带的泰加林植被有显著的差异;而温带的森林植物在树干年轮上与热带雨林植物不同。今日的棕榈树分布仅见于最冷月平均温度超过6℃的地方。现代的珊瑚仅见于水温超过20℃的海洋中。冰川作用只发生在极地区域或不同纬度上的寒冷高山地区。干燥的气候带内由于降水量小于蒸发量,十分容易形成蒸发盐类的沉积(如石膏、石盐等)。反过来,我们可以从化石和沉积岩中,获得很多有关这些化石生物生活时期、或沉积岩形成时期的古气候信息。世界各地地质历史时期的气候变化应该与气候带相适应。
作者通过对当时来自世界各地的大量古生物学和沉积学资料所反映的各个大陆不同地质时期的古气候信息的分析整理和归纳,发现世界上许多地区过去具有与今天完全不同的气候,以实例充分论证了用传统固定论观点无法合理解释古代气候的变化问题。即按照今天大陆的配置,无论怎样安放地极和气候带,都不可能与当时的气候相适应;而“大陆漂移学说”可以给予非常合理的解释。
今日的斯匹次卑尔根岛位于北极圈内,为大陆冰川所覆盖,气候十分寒冷。但在第三纪时期的植物化石中存在许多温带地区的种类,显示出与今日法国相同的气候。在白垩纪甚至存在只在热带才有的西米椰子等。石炭纪时期则存在像芦木、鳞木、树蕨等形成欧洲大煤系的植物。位于斯匹次卑尔根岛以南、纬度相差90°的非洲中部在同一时期经历了完全相反的气候变化。这种从热带到极地,或从极地到热带的巨大气候变化使人很容易联想到地极和赤道移动而引起的气候带的系统移动。但是非洲中部以东,经度相差90°的印度尼西亚群岛却没有发生过气候的变化,至少从第三纪以来,一直是热带的气候。从固定论的角度出发,必然会得出当时的赤道不是一条与两极垂直的直线,而是曲线。
一些学者研究发现,在第三纪初期,北极曾位于现在的阿留申群岛附近,之后向格陵兰方向移动,第四纪时到达格陵兰。似乎地极移动假说可以解释这样的气候变动。然而,地极移动假说在涉及到确定更早地质时期的地极位置时,就遇到了不可克服的障碍。南半球大陆上广泛分布的石炭纪—二叠纪冰川作用痕迹是其最大的障碍。
如果把当时的南极位置确定在这些冰川遗迹最适中的南纬50°东经45°处,那么最远的冰川分布区,如巴西、印度和澳洲东部都将位于离赤道10°以内。那么,就必须假定当时的整个南半球都属于极地气候。而北半球石炭纪—二叠纪时期的沉积层中不但找不到任何冰川的痕迹,相反,在许多地方发现了热带植物的化石。这显然不符合地球的气候分带模式。
而如果如允许大陆之间可以发生水平方向的位移(既大陆漂移),则上述的石炭纪—二叠纪冰期之迷就十分容易解释了。作者把南半球的这几个分离的大陆拼在了一起,把有冰川分布的地方放在当时南极的附近;把北美和欧亚这些有热带沉积物的大陆恢复到相当于赤道周围,或者中低纬度的位置,容许这些大陆在后来的地质时期相互漂移分离,这样就非常好地解释了沉积与气候带不相符合的现象。
第7章
在本章中作者首先根据前人有关地质时期绝对年龄的资料估算了一些大陆块体之间的分离速度。需要说明的是,当时对地质时期绝对年龄的估算很不准确,与今天的结果相差很远。
之后,作者引用了一些大地测量的数据试图说明一些大陆块体之间在短时期存在纬度和经度上的距离变化(位移)。但当时测量技术误差较大,其观测数据并不能令人信服地说明大陆之间存在位移变化。20世纪60年代以后,在更精确的绝对年龄测定基础上,科学家依据海底磁异常条带的宽度和时限,估算出了2亿年以来海底扩张的速率为1-10cm/年,并被现代的卫星对地观测结果所证实。
第三篇(第8章至第13章) 解释和结论
本篇中的内容是当时学术界对作者的学说质疑的症结所在。这些解释和结论大多是建立在“较轻的刚性硅铝层(大陆)在较重的黏性硅镁质(大洋底)上滑动”的错误假设前提之上。
第8章
在本章中作者从地壳均衡作用产生的垂直补偿运动、地极移动和地球扁平度的角度,论证和强调地球是一具有黏性的球体,为其之后的大陆漂移动力机制讨论做铺垫。尽管当时的一些地球物理学者已经证实,在室温条件下,地球比钢还坚硬2-3倍,但作者认为地球在巨大的重力和漫长的时间(数千年至数百万年)作用下,会具有像黏性流体一样的性质。现代地球物理学研究表明,地球的表层(岩石圈)是刚性的,而其之下的下地幔部分,由于由熔融岩浆构成,才具有黏性流体的性质。
第9章
1.关于太平洋、大西洋和印度洋的深度差异,作者正确地指出了它们与大西洋型海岸和太平洋型海岸(见第11章)有连带关系,但错误地把深度差异的原因归结为它们洋底的年龄差异,认为老洋底经历了更长时间的冷却,因而比新形成的洋底密度高,所以更深。在同一大洋内,确实存在由于冷却所造成的新老洋底的深度差异:如大洋中脊两侧附近的洋底由于是最新形成的,所以比周围的洋底都高。根据20世纪50年代以后的海底调查,现今所有大洋中存在的最古老洋底,其年龄都不超过2亿年(侏罗纪),都位于靠近大陆的部分。按照现代板块构造理论,具有太平洋型海岸的大洋(太平洋和东印度洋)有较大的深度主要是由于其受到了来自大陆板块的挤压。
2.作者以塞舌尔群岛和斐济群岛为例试图说明由于硅镁质洋底的流动所产生的牵引,使原来平直的列岛变成弧形。或许塞舌尔群岛的弧形变形可能是洋底扩张时不同部位扩张速率差异产生的牵引所致,但斐济群岛的变形系三个板块(欧亚板块、印度板块和太平洋板块)相互挤压作用的结果。
3.关于深海沟的性质,作者把新不列颠岛南面和东南面的直角形弯曲的深海沟(可称为岛弧型海沟)成因归结于由于新几内亚岛在硅镁质洋底上掘沟推进,向西北方向运动的牵引,而使陆块后方流出的硅镁质没有来得及充填;而将南美智利附近的阿塔卡马海沟(可称为安第斯型海沟)归因于山体对硅镁质洋底的高压。这种认识显然是错误的。按照板块构造理论,无论是岛弧型海沟和安第斯型海沟,都是由于板块之间发生相互碰撞,洋壳俯冲到陆壳板块之下所成。
第10章
1.在本章中作者认为硅铝质的岩层可能曾包围过整个地球,那时的硅铝圈厚度只有30 km,而不是现在的100 km。地球具有移动性和可塑性的外壳,一面被撕裂开来,一面又被褶曲拢来。撕裂开来时就形成了深海盆地,褶曲拢来时就形成褶皱山脉。硅铝圈的最早裂隙可能和今天的东非裂谷成因相似。在挤压力和拉张力的相互作用下,产生单向的演变,即皱合与肢解。因此,硅铝壳在地质历史中不断缩小其面积,并增加其厚度,也愈益破裂。这显然是一种想当然的想法。生物的演化和大陆的构造结构并不能说明硅铝圈曾经包围过整个地球。相反,大陆的结构构造说明硅铝圈的面积在地质历史中是不断增加的。
硅铝质地壳是在地球的内外动力的共同作用下,从原始的硅镁质地壳中分异而来:
(1)从部分熔融的上地幔物质中分离出来的上涌岩浆形成了最初的地壳,其物质组成与今天的洋壳接近。
(2)固结地壳的出现,使板块构造运动的机制开始发挥作用,原始地壳相互碰撞俯冲,发生重熔,使较轻组分不断被分离出来而带到表层,形成了原始的高地——火山岛弧。而高地出现则使固结的熔岩开始遭受物理和化学的风化作用。其产物沉积在高地周边低洼的地方和海底,构成了地球上最早的沉积物。这些沉积物在板块构造的作用下,发生强烈的褶皱变质作用和经历高温重熔的改造,最终在岛弧地区形成“花岗质”(即硅铝质)的岩石。
(3)循环往复的板块俯冲使零散分布的岛弧逐渐汇聚拼合成较大的硅铝质块体,构成了大陆的核心。
(4)新陆地的出现,为其边缘的沉积提供了新的物质来源;在后续的褶皱造山事件中,这些沉积物发生变质和熔融作用而被焊接或“增生”到原始的陆核之上,使大陆不断“增生”。
地质学证据表明,现代大陆的基本轮廓或基地,在元古宙的早期就已经成型。
2.作者对硅铝质地壳内部结构的假设也是明显错误的。确实在大陆上很多地方有火山活动,喷出硅镁质的岩浆(所形成的火山岩称玄武岩)。但其来源并不是作者所称的包裹在硅铝质地壳中的液态硅镁质岩浆池。根据现代的认识,它们应该直接来自地幔。有两种可能性:一是大陆上存在深达地幔的巨大断裂,如东非大裂谷;二是地幔中的异常高温点(地幔柱)烧透了覆盖其上的大陆地壳。岛弧地区的火山作用系由洋壳俯冲造成的地下岩石的重熔所成,故其岩浆成分与硅铝质相近。
第11章
1.作者从地壳均衡的角度解释了构成喜马拉雅山脉、阿尔卑斯山脉和挪威山脉的岩层的差别。当形成褶皱山脉的沉积岩层被剥蚀以后,由于地壳的均衡补偿,原来深埋地下的火成岩就会随之抬升,成为山脉的主体。因此,作者认为山脉的褶皱是在保持均衡下的一种压缩。
2.关于褶皱山脉的不对称性,作者认为是在大陆漂移的过程中,硅铝质总在褶皱中向下方伸沉,后来向外扩展,在一定程度上渗入到未褶皱的地壳的下方中,就把那部分地壳抬举上来。由于硅铝质地壳总是在硅镁层上整块地流动,所以硅铝层势必发生偏向一边的扩展。这样的认识是建立在其假象的大陆漂移动力机制之上。按照现代的认识,山脉的不对称性是由于大陆板块前进的边缘受到了来自另外一个板块的挤压而褶皱。
3.关于褶皱山脉地区沉积岩层厚度巨大的问题,诚如作者所说,这里原来是大陆棚或大陆斜坡,并非豪格所称的地槽。但作者认为边缘大陆棚硅铝质壳较薄、抵抗力可能较弱,并包含有更多更大的硅镁质馅,因此具有可塑性,所以容易发生褶皱。这种说法是不正确的。
4.作者以两个陆块间的相对运动关系对不同类型褶皱和断裂给予了正确的解释,认为褶皱和断裂是同一过程(陆块各部分彼此推动)的不同效果。并以东非大裂谷为例,对大陆块体的破裂给予了简单的说明,认为如果断裂继续扩大,硅镁质必然会最终浮露到自由表面,从陆块边缘掉下的碎片也将成为浮在硅镁质上的岛屿。就目前的认识而言,科学家们对大陆为什么会破裂还没有取得共识。
第12章
1.作者认为,海陆的重力压差会在垂直的大陆边缘产生一种力场,使大陆台地的物质向大洋方向挤压。由于硅铝层具有足够的可塑性,在一定程度上可以抵御这种强大的压力,所以在大陆边缘形成阶梯状的断裂。当大陆块被大陆冰川所压覆时,在其边缘必然产生一种特殊的力,使大陆块向水平方向扩展,在其边缘产生坼裂,形成峡湾。
2.关于花彩岛(即在大陆边缘分布的链状群岛,在地质学上,通常称为岛弧),作者从亚洲东海岸的形状和弧形分布的花彩岛(阿留申群岛—日本列岛—印度尼西亚群岛—新西兰岛)推测,这些花彩岛是欧亚大陆在向西北方向漂移的过程中,从大陆边缘脱落下来的硅铝质碎片,原来属于大陆边缘的海岸山脉。并以加利福尼亚半岛为例予以说明。但按现代的板块构造理论,这样的说法是站不住脚的:
(1)这些花彩岛,有些是从大陆边缘脱落的碎片,但并不是由于欧亚大陆在向西北方向漂移的过程中形成,而是欧亚大陆与太平洋板块和印度板块相互碰撞过程中,由于不同部位的应力差异造成了局部地区的拉张,而使这些花彩岛与大陆有不同程度的分离。
(2)岛弧内侧的火山活动和外侧的抬升以及深海沟系由洋壳向下俯冲所成。因此,这些地方也是地震频繁发生的地方。
(3)大洋中的岛链(如夏威夷群岛)与太平洋西岸的岛弧有不同的成因。它们是在海底扩张的过程中,由地幔柱不断烧穿洋壳所形成的火山岛链。
(4)加利福尼亚半岛坐落在太平洋洋中脊附近的转换断层(只发生水平滑动的板块边界类型)之上。旧金山大地震与此转换断层有关。
3.关于大西洋型海岸和太平洋型海岸的差异成因,作者只说对了一点,即大西洋海岸形成时间较晚。按照现代地质学观点,这两种海岸代表了两种不同类型的大陆边缘:被动大陆边缘(大西洋型)和活动大陆边缘(太平洋型)。前者所在的硅铝质地壳和硅镁质地壳属于同一个板块,因此该类型大陆边缘不具有褶皱的海岸山脉、火山活动和地震。后者所在的硅铝质地壳和硅镁质地壳分属两个不同的构造板块,彼此间存在相对的挤压作用,因此该类型大陆边缘常常具有褶皱的海岸山脉、强烈的火山活动和地震。
第13章
作者认为大陆块的漂移遵循一大原则:向赤道和向西漂移。也就是说大陆在离极运动和向西漂移运动的两种分力的作用下漂移。
位于不同纬度(地极和赤道除外)的大陆块体的重力和其受到下伏硅镁质岩浆的浮力,受地球旋转的离心影响,均略向赤道方向倾斜,形成一个从地极指向赤道的合力,这就是离极的作用力。在45°纬度处最大,大约相当于重力的二三万分之一。
向西漂移的作用力:地球自西向东旋转的过程中,受日月引力所产生的潮汐摩擦力。
根据地球物理学家的计算,这些力是根本不足以推动大陆的漂移。虽然作者对这些力的大小是否足以驱动大陆移动存有一定的疑问,但作者仍然认为,在这些力的作用下,大陆在硅镁质层上缓慢滑动,在数百万年的过程中,日积月累,仍可引起显著的移动。
2006年8月于
北京大学地球与空间科学学院史前生命与环境科学研究所