地球的这个秘密,你一定要知道!

2018-12-06 00:19:05来源:石头科普工作室

摘要:你可曾想过,就像人类的新陈代谢,地球也有自己的生命循环。地球的生命循环,是通过板块的形成与消亡实现的。

你可曾想过:

为何地球可以孕育生命?

为何中东地区战事不断?

世界之最喜马拉雅山如何形成?

地球为何不像月球那样陨石坑遍布?

地壳含量只有0.0068%的铜元素,为何可以大规模富集成矿?

……

想要解释以上的问题,笔者接下来要谈论的这个话题,或许能给你一些启迪。

我们知道,世界上有诸多国家、种族、文化等等,尽管这些不同群体之间有种种差异,但是最根本的一点不会改变,那就是——我们居住在同一个地球。

可是,你真正了解地球吗?你认为,地球是活的吗?你脚下站立的坚实土地,一直都在那里吗?

由生物课的学习,我们知道地球上有四个圈层——水圈、生物圈、大气圈和岩石圈,地球上有丰富多彩的生命形式。其实,地球不但是生命的载体,地球本身也生机勃勃。

你可曾想过,就像人类的新陈代谢,地球也有自己的生命循环。地球的生命循环,是通过板块的形成与消亡实现的。

首先,什么是板块?

我们一般认为全球现在共有12个板块,其中以大陆为主,涉及少量海洋的版块有欧亚板块、北美版块、南美板块、非洲板块、阿拉伯板块以及南极洲板块;以海洋为主的板块有太平洋板块、菲律宾海板块、印度-澳大利亚板块、加勒比板块以及在东太平洋地区的纳兹卡板块和可可斯板块等。

全球的板块划分

有了板块的概念,下面我们来穿越时空,看看地球上的板块活动是如何逐渐被人类认识的。

古人是怎么认识世界的呢?

其实啊,古人对于世界版图的认识与现今相差甚远。从古早的地图中我们也可以看到这一点。最早航海时代的地图上,充满未知的区域和怪异的生物。除了描绘出的海岸线,还会有一些图腾。分别表示着西风、东风、海怪等。

古人的奇怪地图

比如,亚里士多德的时代,埃及往南,就是世界的尽头。在他们看来,印度是最东方的国度。

古希腊人眼中的世界

后来呢,人们从海岸线的吻合性上,可以隐约认识到南美和非洲可能原先是一个整体。在这个认识上面,我们熟悉的魏格纳并不是第一人。

看,新证据的发现带来了什么?

在19世纪晚期,澳大利亚地质学家Edward Suess注意到在印度、澳大利亚、南非和南美发现的古生代晚期的植物化石有相似之处,同时,他还在这些南部大陆岩石上发现了冰川的痕迹。这些植物化石在煤层中形成一个独特的植物群,而在地质记录中,这层煤层正好位于冰川沉积物的上方。这个植物群被称为舌羊齿属植物群,与同一块大陆北部同时代煤层中的植物群有显著不同。

煤层当中的植物化石证据

由此发现,Suess提出了关于超级大陆的理论。他认为这些南部陆块最早是由大陆架连接起来的,曾经,植物和动物可以通过大陆架进行迁移。

在1910年,美国地质学家Frank Taylor也发表了一个小册子,他在里面对大陆漂移提出了自己的看法。他认为大陆的横向移动导致了山脉的形成;他还认为大陆是在巨大的潮汐力下分裂开来的。这么大的潮汐力从哪来呢?Frank认为:这巨大的潮汐力,是由于地球在100个百万年前捕获了月球而产生的。当然,他的解释在现在看来并不正确。但是他对洋中脊形成的假说给后人很多启发。【大西洋的洋中脊于1872-1876年间被英国科学考察发现,Frank认为是由于古大陆的分开形成现在的大西洋。】

新的假说出现了!

现在我们要谈到的这个人大家都很熟悉。阿尔弗雷德魏格纳,一位德国气象学家,因为大陆漂移学说的贡献被世人铭记。在他有划时代意义的著作《The Origin of Continents and Oceans(大陆与海洋的起源)》(于1915年出版)当中,魏格纳提出:现在我们看到的所有的大陆最早都是结合在一起的,成为一个超级大陆。他把这个超级大陆命名为泛大陆(Pangaea)。【古希腊语意思为“all land”】

大陆最早是结合在一起的

魏格纳找到了大量地质学的、古生物学的和气象学的证据来证明大陆漂移假说。然而,魏格纳的假说遭到很多质疑,主要因为他无法提出一个令人信服的机制来支持大陆漂移假说。

大陆漂移的动力来自哪里呢?

1928年之后,不幸的是,反对魏格纳的学说在北美成为了主流。为什么呢?因为在1928年,美国石油地质学家协会 (AAPG) 召开了一次国际研讨会,来讨论大陆漂移学说的正确性。尽管有种种证据支持大陆漂移学说的正确性,反对者还是占了多数。主要原因还是在于这个假说无法说明板块漂移的动力——主体由花岗岩形成的陆壳是如何能在更加致密的玄武岩组成的洋壳之上滑动的呢?

“可能”的动力机制(开个玩笑)

尽管如此,魏格纳的支持者之一,南非的一位地质学家Alexander du Toit,继续着魏格纳的工作。他又为大陆漂移学说提供了更多的证据。

大陆漂移说到底有哪些证据呢?

最初,地质学家注意到大西洋两岸的海岸线有着惊人的吻合度。之后,地质研究表明这些南方大陆在侏罗纪的石序及其相似,同时,山脉的契合度也被发现了。在海岸线处突然断裂的山脉可以在另一个大陆继续延伸。

海岸线惊人的吻合

关于冰川移动的痕迹也被发现了。通过植物化石和岩床上的痕迹,地质学家可以研究冰川的移动。如果假设大陆未曾移动过,我们就需要解释冰川是如何从海洋移到大陆,以及赤道上为何会有冰川的痕迹。

比较有说服力的证据来自化石,舌羊齿属植物的种子并不能传播很远,它的化石却在不同大陆同时期的地层都被发现。中龙属,一种二叠纪的淡水爬行动物(不能游过大海),它的化石在巴西和南美都有发现。证明这两块大陆在古生代末期是连接在一起的。

动物与植物化石证据

大陆确实移动了!

20世纪50年代开始兴起的地球磁极研究给了大陆漂移假说最令人信服的证据。那时,很多地质学家为了更好理解现今地球的磁场,正在研究古地磁的变化。这些研究导致了其他的发现。地质学家发现海底岩石非常年轻。正如魏格纳及其支持者说得那样,大陆确实移动了。

洋壳板块的年龄(红色最年轻,蓝色最老)

如何通过岩石研究地磁场呢?

我们知道岩浆冷却会形成岩石:当岩浆冷却达到居里温度,其中含有铁元素的矿物会顺着地磁场方向排列,就像岩石中有一个个小小的指南针一样,这里面就记载了当时地磁场的方向和强度。利用这一点,根据岩石的年龄,就可以确定当时地球的磁极的方向和岩石形成时的纬度。

地质学家经过研究年轻的和古老的岩石,发现岩石中记载的磁场显示了不同的取向。这有三种可能的解释:

一, 大陆没有移动,磁极移动了;

二, 磁极没有移动,大陆移动了;

三, 磁极和大陆都移动了。

最有可能的解释是磁极没有发生移动,大陆移动了。

虽然有着种种证据,大部分地质学家仍拒绝相信大陆移动过。直到20世纪50年代,由于美苏冷战的爆发,双方都开始了大规模海底探测工作。美国展开的海底探测工作得到了意想不到的科学发现。正是由于海底探测工作给出的关于大陆移动的明确证据,大陆漂移假说才得以被广泛接受。

海底探测得到的地磁条带变化

20世纪50到60年代,地质学家开始了海底测绘活动。结果是惊人的。测绘结果显示出一条长达65,000公里的海底山脉系统。这条海底山脉最知名一段的便是大西洋中脊(Mid-Atlantic Ridge),它把大西洋海床一分为二。

大洋中脊是海底雄伟的山脉

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1962年,普林斯顿大学的Harry Hess提出了海床扩张理论。海床扩张理论指向了一个新的假说:大陆并没有在海床上移动,实际上大陆和海床是一起移动的。大洋中脊处岩浆上涌,不断形成新的海床,海床不断由洋脊向两边移动。

板块运动就像“传送带”一样

海底探测的结果支持了他的观点。最古老的海床只有180个百万年的历史,然而最古老的大陆的年龄可达39.6亿年。

对很多地质学家来说,这个结果是非常具有说服力的。海底钻探计划的结果又进一步证明了这个假说。由此,板块构造学说形成了。

什么是板块构造假说?

为何板块构造学说可以解释板块运动的机制?

板块构造学说是一个统一的学说,将地球看做一个活动的整体。

板块构造学说将地球看成这样一个模型:在固体地球上层,存在较刚性的岩石圈及其下较塑性的软流圈,并将地表附近较刚性的岩石圈划分为若干大小、厚度不一的板块,它们可以在塑性铰强的软流圈上进行大规模运移。

其中,海洋板块在洋脊处不断增生,在与大陆板块交界处不断俯冲到大陆板块之下。因此,板块内部相对稳定,板块边缘则由于相邻板块的相互作用构造活动较强烈。板块之间的相互作用控制了岩石圈表层和内部的各种地质作用过程,同时决定全球岩石圈运动和演化的基本格局。

这个机制就像一个传送带一样,我们来看图示:

较刚性的岩石圈及其下较塑性的软流圈

海洋板块在洋脊处不断增生

在与大陆板块交界处不断俯冲到大陆板块之下

不同板块之间什么关系呢?

根据板块之间相对运动方式的不同,可以将板块边界分为三种类型:

离散性板块边界:大洋脊轴部两侧板块相背运动,板块边界受到拉张而分离,软流圈物质上涌,冷凝形成新的洋底岩石圈。

汇聚型板块边界:即海沟附近的板块俯冲带或大陆板块之间的碰撞带。当大洋与大陆板块汇聚时,由于大洋板块密度较大,位置较低,故大洋板块总是俯冲到大陆板块之下,在地表形成海沟。当大洋板块不断俯冲到大陆板块之下,并在地表逐渐消失时,其后部的大陆板块就有可能与其他密度相近的大陆板块发生碰撞,从而产生强烈的构造变形、岩浆与变质作用,并形成山脉。强烈构造变形带就称为板块碰撞带。

转换型板块边界:即转换断层,其两侧板块发生水平剪切滑移。

不同板块边界如图示

地球板块经历了怎样的变化呢?

地球板块的变迁如下图

以上便是板块构造学说诞生的历史。我们可以看到,这样一个统一学说的诞生,经历了很长时间。其中,非常多的地质学家都做出了贡献。学习板块构造学说,就是学习人类了解地球的历史。

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