| 地球科學(xué)原理之五 左右地球科學(xué)發(fā)展的重要假說(shuō) |
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作者：廖永巖 編輯：探礦者
就地球演化、大地構造及地球動(dòng)力學(xué)方面，目前提出的對地學(xué)界影響較大的假說(shuō)，主要有地球膨脹說(shuō)、地球收縮說(shuō)、地球脈動(dòng)說(shuō)、地槽與地臺說(shuō)、海底擴張說(shuō)、地幔對流說(shuō)、地幔柱假說(shuō)、板塊構造說(shuō)、潮汐說(shuō)、地球自轉說(shuō)、地洼說(shuō)、涌流構造說(shuō)等。下面，我們對其進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 1.1 地球收縮說(shuō) 地球收縮說(shuō)是最早的一種地球動(dòng)力學(xué)假說(shuō)，源于皺縮蘋(píng)果與冷卻地球的直觀(guān)對比。這一假說(shuō)通常按Jeffreys（1929）的提法表述。假定地球起初是一個(gè)熾熱的天體，在其發(fā)展的早期，分異為一個(gè)鐵質(zhì)的核部和一個(gè)基本上是硅質(zhì)的幔部。幔部從液態(tài)鐵核處的基底開(kāi)始向外凝固，通過(guò)傳導而不是對流逐漸冷。從地心到地表700km以下的范圍內，從地球開(kāi)始凝固以來(lái)還沒(méi)有來(lái)得及發(fā)生任何顯著(zhù)的冷卻或體積變化。在700-70km的深度區間內，傳導所引起的冷卻正在發(fā)生，致使這一層收縮，并因圍繞內核受到拉張而處于內部拉伸狀態(tài)。在靠近地表處，巖石早已冷卻，靠太陽(yáng)輻射維持熱平衡，不會(huì )有大的溫度變化。在淺于70km的范圍內，處于一種內部壓縮狀態(tài)。70km深處為無(wú)應變面。 收縮假說(shuō)基本上是一種固定論，無(wú)法解釋板塊運動(dòng)或大陸位移。更有甚者，收縮說(shuō)認為全球的應力場(chǎng)是同樣的，無(wú)應變面以上是壓縮，無(wú)應變面以下是拉伸。這和地球的實(shí)際應力狀態(tài)大相徑庭。 有人詳細考察全球大陸和大洋的分布，發(fā)現大部分大陸和大洋是正相對應的。還提出過(guò)四面體收縮來(lái)解釋這種分布。它所依據的假說(shuō)是，一個(gè)收縮的球體趨向于縮成具有最小體積的四面體形。四面體的四角將與大陸相對應，它的面則與大洋盆相對應。調整四面體的尺寸，還可以解釋大陸和大洋面積的比值為1：2。Davison （1888）提出過(guò)類(lèi)似設想：地球只在上層中發(fā)生收縮（由冷卻引起），這些層處于內部引張的狀態(tài)。由于大陸壓力的影響，大陸之下的引張量必將遠小于大洋區下的引張量。這種狀況趨于使大洋盆地更進(jìn)一步沉降，而且也是導致大洋盆地成為永久性的一條物理上的原因。任何造山效應都是在大洋與大陸交接的地方表現得最為突出，這就使人們提出了大地生長(cháng)的思想。 對四面體收縮說(shuō)的主要批評意見(jiàn)是，從性能上看，地球最上層的皮無(wú)法阻止其本身的面積因切向力的作用而發(fā)生改變。此外，這樣一個(gè)外殼的變形理論似乎表明，這種變形應該是屈曲，而屈曲球殼的變形是對稱(chēng)于一條直徑的，其形狀的偏離由一系列沿著(zhù)以對稱(chēng)直徑為軸的平行緯圈的球調和函數給出。這就反把四面體收縮的設想給排除了。 早期的收縮說(shuō)一直流行至20世紀50年代。由于地球在地質(zhì)歷史進(jìn)程中很可能發(fā)生過(guò)某種收縮，因此，對收縮說(shuō)的研究并沒(méi)有因它有上述明顯不足而終止。后來(lái)還發(fā)展過(guò)兩種收縮假說(shuō)。第一種是彈性不穩定說(shuō)。按這種假說(shuō)，當地球變冷時(shí)，巖石圈因褶皺作用而變彎（皺縮的蘋(píng)果）。Jeffreys （1962）認為，這種皺縮幅度極大，以致它們在彈性上可能不穩定，即斷裂-收縮假說(shuō)（Jeffreys， 1962； Meyerhoff et al.， 1972）。MacDonald（1963）論證，由于放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量，地球并不是一開(kāi)始就產(chǎn)生收縮，而是一直到最后的11億年前左右才有收縮發(fā)生。他主張的收縮模式也是斷裂-收縮模式。最近Meyerhoff et al.（1992）等提出了一種全球構造的新概念-涌流構造，把地球的收縮作用作為構造運動(dòng)的觸發(fā)器?？梢?jiàn)，雖然單獨的收縮作用不能解釋所有構造運動(dòng)的成因，但地球的收縮作用在地球動(dòng)力學(xué)中的影響仍是需要考慮的。 1.2 地球膨脹學(xué)說(shuō) 地球膨脹說(shuō)認為地球一直在不斷膨張。從1620年培根（F. Bacon）提出地球膨脹的觀(guān)點(diǎn)以來(lái)，曾經(jīng)提出過(guò)好幾個(gè)地球膨脹的假說(shuō)，來(lái)解釋造山運動(dòng)和大陸及大洋的形成等。膨脹說(shuō)假定地球是由若干層組成的，最頂上一層代表地殼，其下相鄰的一層代表膨脹層。造山效應就發(fā)源于這個(gè)膨脹層，所產(chǎn)生的應力又轉而使地殼屈服。這一假說(shuō)可以島弧和海溝的形成以及造山要素之間的聯(lián)系做出解釋?zhuān)貏e是能解釋海洋造山運動(dòng)。也有人用地球膨脹作為大陸的成因。例如Hilgenberg（1933）根據大陸可以拼合為一個(gè)球面的實(shí)況，認為初期的地球比現在小得多，并被硅鋁殼所覆蓋，后因地球膨脹，體積增大，硅鋁殼因受拉張而破裂，其碎塊逐漸分離形成大陸。與此同時(shí)，地球的大洋也隨表層的崩解而形成和發(fā)展。 地球的洋脊、裂谷系統理所當然地被地球膨脹論者作為支持其據說(shuō)的重要證據。據推測，膨脹是從像大西洋中脊那樣的大破裂口開(kāi)始的。隨著(zhù)對洋脊、裂谷系探測研究的深入開(kāi)展，20世紀50-60年代以來(lái)，地球膨脹說(shuō)一度又顯得十分活躍。Carey（1976）把大陸漂移、海底擴張和地球上各級規模的構造都歸因于地球的膨脹。他提出，地球的膨脹是非對稱(chēng)的，南半球比北半球膨脹得更顯著(zhù)，因此所有大陸皆向北移動(dòng)，而所有環(huán)繞太平洋的大陸看來(lái)正向著(zhù)太平洋運動(dòng)。 地球膨脹說(shuō)的主要問(wèn)題是其難以解釋地球膨脹所引起的巨大密度變化。例如，如果地球的直徑以因數2增加，將引起面積以因數4增加，體積以因數8增加，密度以因數8減小?，F代地球的平均密度為5.5g/cm3，地球開(kāi)始膨脹前的平均密度就必然達到大約44g/cm3。這樣大的密度變化帶來(lái)的結果是，地球表面相應的重力加速度將是現代的4倍，地球的慣性矩將是現代的1/4，地球的自轉將比現代快得多。古生物鐘和天文觀(guān)測證實(shí)，一天的長(cháng)度（日長(cháng)）只比現代的少約10%，遠不是地球膨脹說(shuō)所期望的值。 引起地球膨脹的可能機制據認為主要有：1、熱效應；2、地球內部物質(zhì)的化學(xué)變化或相變；3、萬(wàn)有引力常數的緩慢減小。雖然在地球歷史中，特別是在地球的早期，有可能存在著(zhù)熱的純增長(cháng)，因而有地球整體的輕微膨脹，但是，其效應看來(lái)只不過(guò)能造成一些深海溝等，不可能有更大的影響。將引起膨脹所要求的能量和在化學(xué)鍵中的可用能量進(jìn)行對比，來(lái)估計地球內部的化學(xué)變化或相變能否導致地球大規模的膨脹，發(fā)現地球半徑均勻地膨脹20%所要求的能量，要等于打破組成地球的分子的幾乎全部化學(xué)鍵所需的能量。因此，地球內部物質(zhì)的化學(xué)變化這種機制產(chǎn)生的能量也不足以造成大陸的大規模膨脹。估算由引力常數的減小所能得到的能量，同樣無(wú)法說(shuō)明大于100km的地球半徑增長(cháng)存在可能性?？傊?，地球膨脹說(shuō)在機制問(wèn)題上也遇到不可克服的困難，很難找到引起膨脹的機制。 雖然地球膨脹說(shuō)存在種種問(wèn)題，這些問(wèn)題目前仍未能得到合理解決，但仍有一些支持者在繼續探索。 ΚРОПОТΚИЙ（1989）得出伴有質(zhì)量增大的地球膨脹會(huì )使自由落體加速度（g）的值大增。古地球的g僅為現今地球g值的40%。G的增大伴隨著(zhù)地殼下物質(zhì)密度增大，最終將導致較老地殼相對于年輕地殼不斷上浮。地殼的這一性狀正好被地質(zhì)資料所證實(shí)。例如，在大西洋型和太平洋型洋殼與陸殼的相連地區，老地殼逐步占據了較高位置。所以，相對于更年輕地殼發(fā)生了老地殼的不斷出露。他還作了地球質(zhì)量和體積隨時(shí)間呈指數增長(cháng)來(lái)探討地球發(fā)展歷史的8項推斷。由它們引伸的主要論點(diǎn)，與實(shí)際資料不相矛盾，又可詳細說(shuō)明地質(zhì)現象的物理化學(xué)原理，一些重要的大地構造作用得到合乎邏輯的闡明，同時(shí)許多大地構造概念得到了運用。他還推斷，由于膨脹，地球族行星的爆炸是不可避免的。 Owen（1992）認為，Carey的地球膨脹說(shuō)正處于大陸漂移說(shuō)早期被否定的那種狀況；Carey對地球動(dòng)力學(xué)的貢獻未受到應有的重視。Owen根據大量海洋地殼擴張數據和地質(zhì)及古生物資料，論證了地球在過(guò)去200Ma期間不僅發(fā)生過(guò)大陸漂移，還發(fā)生過(guò)膨脹，從今天直徑的80%膨脹到今天的值。他還用橫貫太平洋的衛星激光測距結果來(lái)證明其論斷。衛星激光測距結果表明，太平洋中大陸的收斂明顯小于為了平衡擴張所需要的值。他指出，從地核是穩態(tài)和均變論的思想出發(fā)無(wú)法理解地球膨脹的概念。Kremp（1992）依據核-幔邊界處的外核溫度比地幔底部D’’層的溫度至少高200℃的地震學(xué)新探測結果，討論了地球在過(guò)去200Ma期間快速膨脹的可能性。他的結論是地球的大小在過(guò)去200Ma時(shí)為現在的60%。 1.3 地球脈動(dòng)說(shuō) 地球收縮說(shuō)和地球膨脹說(shuō)都包含一定合理性，又都存在一定問(wèn)題。在這兩種假說(shuō)基礎上很自然地便產(chǎn)生了地球一段時(shí)期膨脹，另一段時(shí)間收縮，膨脹和收縮交替發(fā)生的地球脈動(dòng)說(shuō)。在地球膨脹期，地殼受到引張作用，產(chǎn)生出大規模的隆起與拗陷，大型裂谷和巖漿噴發(fā)；在地球收縮期，地殼受到擠壓作用，產(chǎn)生出褶皺山系，并伴有巖漿活動(dòng)。 脈動(dòng)學(xué)說(shuō)雖然較好地解釋了構造運動(dòng)的周期性，但卻不能解釋地殼構造的方向性，并且對脹、縮的原因有不同看法，因此，自1933年布契爾（W. N. Bucher）提出這一學(xué)說(shuō)以來(lái)，一些研究者曾試圖將此學(xué)說(shuō)加以改進(jìn)。 ΚРОПОТΚИЙ（1989）提出了一個(gè)將脈動(dòng)說(shuō)與殼下流和大陸活動(dòng)論結合起來(lái)的地球動(dòng)力學(xué)新模式。他認為，地球動(dòng)力學(xué)模式既要考慮地球的收縮，也要考慮它的膨脹，即建立在脈動(dòng)假說(shuō)的原則上。按此觀(guān)點(diǎn)，當地球收縮和膨脹交替時(shí)，收縮效應集中在一些帶上，而膨脹效應集中在另一些帶上，在此種情況下，處于中間的斷塊應該從拉張帶移向擠壓帶，所以在脈動(dòng)的地球動(dòng)力學(xué)模式中自然包括大陸活動(dòng)論原則。這一模式還考慮了在地球半徑增減交變作用下地幔內物質(zhì)的移動(dòng)，認為地球擠壓力可促使殼下流觀(guān)點(diǎn)主張的物質(zhì)分離和移動(dòng)。該模式的提出者認為，體現脈動(dòng)假說(shuō)和解釋巖石圈移動(dòng)的假說(shuō)相結合的地球動(dòng)力學(xué)模式是目前最有前景的模式。 1.4 涌流構造（Surge Tectonic）說(shuō) 涌流構造是邁耶霍夫等（Meyerhoff et al. 1992）提出的一個(gè)新全球構造和地球動(dòng)力學(xué)模型。他們認為，大多數地表構造，包括板塊構造不能解釋的一些構造現象，可用軟流圈的涌動(dòng)來(lái)解釋。軟流圈涌動(dòng)的驅動(dòng)機制是地球收縮引起的巖石圈塌陷。當冷卻凝固了的巖石圈塊段塌陷到軟流圈中時(shí)，部分巖漿按重力法則上涌，一直達到巖漿密度與周?chē)鷰r石密度基本平衡的位置上，才會(huì )穩定下來(lái)。這一過(guò)程像巨型液壓機一樣，遵循帕斯卡定律，能將所受壓力通過(guò)巖漿的涌動(dòng)傳遞到各個(gè)方向。強的巖漿涌動(dòng)對構造運動(dòng)起決定作用。 巖漿涌動(dòng)的通道，邁耶霍夫等（Meyerhoff et al. 1992）稱(chēng)為涌流通道，是巖石圈中最基本的構造單元，可以通過(guò)近40種物性標志加以鑒別。涌流通道暫分為洋盆涌流通道、大陸邊緣涌流通道和大陸涌流通道三大類(lèi)。大洋中脊及其主要分支下的通道，是洋盆涌流通道中的主干通道，其長(cháng)度可達幾百萬(wàn)米，寬度可以從1000km到大于3000km。這些通道可為構造運動(dòng)提供淺層作用機制。它們的存在可以用全球地熱圖來(lái)證實(shí)。 邁耶霍夫等（Meyerhoff et al. 1992）認為，全球高熱流帶（>55mW/m2）相互連通的網(wǎng)狀分布形式，用現有的地球動(dòng)力學(xué)假說(shuō)無(wú)法解釋?zhuān)梢哉J為這些高熱流帶是由下伏的淺層巖漿通道-涌流通道形成的。如果涌流通道被強烈壓縮，它們應該變成裂谷帶或褶皺帶。每個(gè)通道的變形形式是它上面的巖石圈厚度的函數。 據說(shuō)，在由從事板塊構造研究的科學(xué)家自1965年以來(lái)匯集的36個(gè)數據集中，用板塊構造學(xué)說(shuō)只能解釋13個(gè)。它們是洋中脊、大陸裂谷、走滑帶、巖漿弧、大洋和大陸山區、深海溝、貝尼奧夫帶、地槽、造山巖體、蛇綠巖套、混雜巖、變質(zhì)核雜巖體和拆離斷層帶。其余23種構造現象的時(shí)代都為侏羅紀或更新一些，它們僅出現在高熱流帶之下，都和淺部的巖漿運動(dòng)，因而和涌流通道有關(guān)。這23種現象包括高熱流帶、微地震帶、長(cháng)的線(xiàn)性斷裂和裂隙帶、構造帶分段性、兩側對稱(chēng)的雙向褶皺帶、地幔底辟、構造地層地體、與褶皺帶平行的拉抻線(xiàn)理、反向變質(zhì)梯度、地幔片麻巖穹隆、熱泉鏈、成行的熔巖區、巖墻群、非造山巖體鏈、金伯利巖筒、長(cháng)條狀蒸發(fā)巖盆地、巖石圈低速帶、異常上地幔透鏡體、高導層、向東遷移的構造帶、彌散板塊邊界、大地電磁復合體和旋卷構造等。 聲譜儀顯示洋中脊被成千上萬(wàn)條平行洋中脊的裂隙切割，證實(shí)洋中脊下面軟流圈流動(dòng)并不與洋中中脊垂直，而是與洋中脊平行。邁耶霍夫等（1992）把這作為批判海底擴張和證實(shí)巖漿通道存在的證據。 涌流構造假說(shuō)的提出者認為，這一假說(shuō)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，它不僅提供了一個(gè)將巖漿活動(dòng)和構造作用的各個(gè)方面統一起來(lái)的機制，而且還在解釋所觀(guān)測到的所有構造現象上具有內在的協(xié)調一致性。不過(guò)應該看到，他們對許多構造現象的解釋還是很初步的。例如，前已提及，邁耶霍夫等列出了54種向東遷移的構造現象，籠統地指出這與地球自轉有關(guān)，但未作深入的機制分析。涌流構造的觸發(fā)機制是地球收縮引起的巖石圈塌陷。地球收縮引起巖石圈塌陷的可能性和強度以及地球收縮與地質(zhì)旋回的相關(guān)性等也是涌流構造假說(shuō)還須深入解決的問(wèn)題。雖然還不能說(shuō)涌流構造假說(shuō)已很完善，但它對板塊構造假說(shuō)的批判和所提出的許多問(wèn)題對地球動(dòng)力學(xué)研究確實(shí)是有啟發(fā)性的。 1.5 大陸漂移說(shuō) 大陸漂移的思想由來(lái)已久。英國哲學(xué)家培根（Bacon, 1620）指出，大西洋兩岸海岸線(xiàn)的吻合并不是一種偶然的巧合。地理學(xué)家斯奈德（Snider, 1858）在《地球形成及其奧秘》一書(shū)中，用歐、美兩洲古生代煤層中化石的相似性作為依據，首次把大西洋兩側大陸加以拼合。美國學(xué)者泰勒（Taylor, 1910）指出，歐亞、北美和澳大利亞大陸的移動(dòng)，是形成環(huán)太平洋島弧和褶皺山系的原因。 德國氣象學(xué)家和地球物理學(xué)家魏格納（Wegener）將這些簡(jiǎn)樸、零散的大陸漂移思想加以發(fā)展，在其1912年的“大陸的生成”和1915年的《海陸的起源》一書(shū)中，系統地論述大陸漂移問(wèn)題，創(chuàng )建了大陸漂移說(shuō)（Wegener, 1929; Wegener, 1966; Wegener, 2001）。 魏格納認為，大陸由較輕的剛性硅鋁層組成，它漂浮在較重的粘性硅鎂質(zhì)洋底上。在中生代以前，地球上所有大陸曾經(jīng)結合成統一的巨大陸塊，稱(chēng)之為聯(lián)合古陸或泛大陸（Pangaea）；圍繞泛大陸的廣闊海洋，叫做泛大洋。中生代開(kāi)始，聯(lián)合古陸裂解、分離，產(chǎn)生了大西洋和印度洋，分離出的碎塊逐漸漂移到目前所在的位置，而泛大洋則收縮為現在的太平洋。魏格納用圖解表示的過(guò)去大陸的位置與20世紀50年代以后根據嶄新的資料得出的模式異常類(lèi)似。為發(fā)展大陸漂移說(shuō)，魏格納利用了現代植物和化石的分布；古代冰川作用在現代熱帶地區的一些地質(zhì)證據；尤其是海洋對面兩岸海岸線(xiàn)的對稱(chēng)相配，如南大西洋兩側的非洲和南美洲的海岸線(xiàn)就是相配的。魏格納還認為，年輕的海床比老海床淺；大陸漂過(guò)海盆猶如木筏漂過(guò)大海。這些都可與現代板塊構造學(xué)說(shuō)對照。 魏格納的觀(guān)點(diǎn)與現代板塊構造學(xué)說(shuō)的區別，可用加里福尼亞地區的運動(dòng)加以說(shuō)明。魏格納（1924）把加里福尼亞看成一塊薄的裂片，離開(kāi)它的母體向北美東南方向漂移，它犁過(guò)下地殼，使下加里福尼亞變得彎曲，并沿著(zhù)加里福尼亞海岸基底凸起。板塊構造學(xué)說(shuō)則認為，是兩個(gè)厚板塊彼此在圣安德烈斯斷裂和加里福尼亞灣作剪切運動(dòng)，下加里福尼亞是沿著(zhù)位于主要板塊邊界鄰近的次級斷裂的延伸，不是受到擠壓。 移動(dòng)大陸的原動(dòng)力是什么？根據大陸漂移的方向主要有兩種趨勢，一是自地球的兩極向赤道的離極運動(dòng)，如原來(lái)聚在南極的岡瓦納古陸分離后逐漸北漂；另一趨勢西漂，如美洲大陸向西漂移，在其西緣形成科迪勒拉和安第斯山系，在其東緣形成一系列群島（如亞洲、澳大利亞?wèn)|緣的群島）。魏格納認為，大陸漂移的驅動(dòng)力主要是向西漂移的力和指向赤道的離極力；西漂的力源于日、月引力所產(chǎn)生的潮汐摩擦力；離極力則來(lái)自地球自轉的離心力。計算表明，這些力的數據確實(shí)太小。雖然魏格納強調，小的力如果長(cháng)期作用也可能移動(dòng)大陸，但大多數人認為，這些力都不足以克服對大陸運動(dòng)的摩擦阻力。因此，杰弗里斯（Jeffreys, 1929）在其《地球》一書(shū)中有力地指出，大陸漂移說(shuō)在理論上根本是不可能的。 在有關(guān)大陸漂移機制的討論中，霍姆斯（Holmes, 1931）首先提出了地幔對流模式。他認為，大陸由有上覆硅鋁層的厚玄武巖質(zhì)地殼組成，地球內部的重力能和熱能可以引起地幔對流，如果地幔內的流體上升到大陸中央并向兩側散開(kāi)時(shí)，大陸就會(huì )從這里向兩側裂開(kāi)，大陸塊體被地幔對流攜運，留下了大陸之間的破裂和延伸區，成為新的大洋，隨著(zhù)玄武巖漿在對流上升流之上噴出，大洋的面積增大，在對流下降處，玄武巖被轉換為榴輝巖并下沉入地幔，為前進(jìn)的大陸讓出位置，并在深處熔融而成玄武巖質(zhì)巖漿，重新在對流上升處升起，完成對流循環(huán)。 魏格納等將大陸看成是主動(dòng)的因素，認為“大陸本身是把堅硬的地幔推開(kāi)而前進(jìn)”的；霍姆斯則引入了像在傳送帶上那樣被攜運的被動(dòng)大陸的概念?；裟匪沟募僬f(shuō)后來(lái)發(fā)展成海底擴張假說(shuō)和地幔對流說(shuō)。 1.6 海底擴張說(shuō)： 19世紀70年代，通過(guò)英國“挑戰者”號調查船的環(huán)球考察，已知道北大西洋中部有一條海底山系。1925-1927年間，通過(guò)德國“流星號”的回聲探測，確定了整個(gè)大西洋縱列著(zhù)一條長(cháng)達17000km的大洋脊，由于它正好綿延于大西洋的中部，因而，常稱(chēng)之為大洋中脊。20世紀50年代，通過(guò)對洋底的勘測進(jìn)一步發(fā)現：世界各大洋都有大洋脊存在，一般都位于大洋中部，并比以前設想的更接近于連續，洋中脊下面曾發(fā)生過(guò)某種上涌；大洋盆的年齡比較年輕，大洋盆中的沉積也比以前所假定的少得多。原有的大地構造學(xué)說(shuō)未能對大洋底的這些構造現象做出預測，也不能給出確切解釋。 20世紀60年代初，一些學(xué)者提出，大洋中脊的高熱流有可能用地幔中的上升對流來(lái)說(shuō)明，這樣也可解釋大洋脊的拉張性質(zhì)。其中，美國地質(zhì)學(xué)家赫斯（Hess, 1962）和迪茨（Dietz, 1961）把對流方案發(fā)展，提出了海底擴張的概念。迪茨1961年的論文首先提出了洋底擴張這一名詞，但是，首創(chuàng )海底擴張說(shuō)的還是赫斯（就連迪茨本人也承認這一點(diǎn)），雖然赫斯的論文“大洋盆的歷史”1962年才發(fā)表。 海底擴張說(shuō)圓滿(mǎn)地解釋了大洋的主要地殼層（大洋層3）的厚度均一性、洋底年齡及洋脊上沉積物超復等當時(shí)難以理解的地質(zhì)問(wèn)題。赫斯認為，“大洋層3”底部代表現代的或過(guò)去的500℃等溫面。在洋中脊處，隨地幔對流涌出的橄欖巖和水通過(guò)這個(gè)等溫面時(shí)發(fā)生作用產(chǎn)生蛇紋巖，形成新洋殼；在遠離洋中脊的地方，500℃等溫面已下降到較深位置，已有的蛇紋巖不會(huì )轉變成橄欖巖；由于缺乏水，未蛇紋巖化的橄欖巖也不會(huì )轉變成蛇紋巖。這樣，“大洋層3”就基本保持了它們在洋中脊處形成時(shí)的厚度。按照海底擴張說(shuō)，如果對流的運動(dòng)速度為1-2cm/a，洋底便可每200Ma或300Ma完全更新一次。這可以解釋洋底的年齡為什么比較年輕，洋底的沉積物厚度為何較小。 迪茨的模式與赫斯的模式相似。但迪茨認為，洋殼是玄武巖質(zhì)的輝長(cháng)巖，上地幔則為榴輝巖。玄武巖在高壓下變?yōu)榱褫x巖的地方就是莫霍面。另外，迪茨還把地球表面至70KM深處的層位叫堅硬的巖石圈，試圖把它作為一個(gè)重要的力學(xué)單元，并認為，在巖石圈的下面有一個(gè)軟層，巖石圈在它上面能夠比較自由地活動(dòng)。實(shí)際上，后來(lái)的板塊構造設想就是由此萌芽的。 威爾遜（Wilson, 1963a）熱烈支持海底擴張說(shuō)，他認為，大西洋的火山島原來(lái)是在洋中脊處形成的，隨著(zhù)在共同的對流體傳送帶上移動(dòng)，于是島嶼的年齡離洋中脊越遠越老。如靠近大洋中脊的揚馬延島所有巖石的年齡比1000萬(wàn)年更新，亞速爾諸島加到2000萬(wàn)年，再遠一點(diǎn)的百慕大群島為3600萬(wàn)年，費羅群島為5000萬(wàn)年，靠近非洲西海岸的費爾南多波島和普林西比島則為1.2億年。在印度洋和太平洋中，他也列出了類(lèi)似的島嶼年齡數據。這不僅證實(shí)了大陸漂移的原來(lái)說(shuō)法，也為海底擴張提供了有力證據。 應當指出的是，赫斯和迪茨的海底擴張說(shuō)中的地幔對流包括“大洋層3”，這既不同于早先認為地幔對流發(fā)生在玄武巖質(zhì)地殼下的霍姆斯模式（Holmes, 1931），也不同于后來(lái)將地幔對流限制在巖石圈下的威爾遜模式（Wilson, 1963a）。 從板塊構造角度，海底擴張說(shuō)可概括為：地幔物質(zhì)在大洋中脊隨地幔上升流上涌形成新的大洋巖石圈，新生的巖圈隨著(zhù)軟流圈的側向流動(dòng)推擠著(zhù)原有的巖石圈從洋中脊向兩側擴張移動(dòng)，在海溝處大洋巖石圈隨著(zhù)地幔下降流而俯沖消亡，不斷更新。洋中脊是大洋巖石圈的生長(cháng)帶，海溝是大洋巖石圈的消亡帶。 1.7 板塊構造學(xué)說(shuō)： 板塊構造學(xué)說(shuō)是20世紀60年代中期由Wilson（1965），McKenzie et al.（1967），Morgan（1968），Le Pichon（1968），等人提出的大地構造學(xué)說(shuō)。它是大陸漂移和海底擴張學(xué)說(shuō)的自然引伸，還包括了巖石圈、軟流圈、轉換斷層、板塊俯沖、大陸碰撞和地幔對流等一系列概念，有人稱(chēng)為全球構造學(xué)說(shuō)。“板塊”這一術(shù)語(yǔ)是Wilson（1965）在論述轉換斷層的一篇短文中首先提出的。它表示地球表層（巖石圈）被活動(dòng)帶分割所成的大小不一的球面蓋板。它的面積很大，厚度很小，并按地球表面輪廓彎曲。 依據構成板塊的巖石圈類(lèi)型，板塊可分為大洋板塊和大陸板塊。構成板塊的巖石圈頂層為大洋地殼的板塊為大洋板塊，如太平洋、大西洋、菲律賓海等板塊。巖石圈頂層的一部分為大陸地殼的板塊是大陸板塊，如歐亞、北美、南美、非洲等板塊。 板塊構造學(xué)說(shuō)就是關(guān)于這些巖石圈板塊相互作用，并認為這種相互作用是大地構造活動(dòng)基本原因的學(xué)說(shuō)。初期的板塊構造學(xué)說(shuō)的要點(diǎn)如下： 1固體地球上層在垂向上分成彈粘性的巖石圈和粘性軟流圈，下墊彈粘性的中圈。巖石圈在軟流圈表面作相對運動(dòng)。 2巖石圈在側向上分成數目有限的大、小板塊，它們是剛性的和相對穩定的，并按球面運動(dòng)規律不斷改變著(zhù)彼此之間的相對位置。 3板塊邊界分為三種類(lèi)型：A分離擴張型；B俯沖會(huì )聚型；C平移剪切型或轉換型。 4板塊在離散邊界處的擴張增生得到會(huì )聚邊界處俯沖消減的完全補償，地球體積保持不變。 5地幔中的熱對流是板塊運動(dòng)的驅動(dòng)力。 1.8 熱點(diǎn)-地幔柱假說(shuō)： 太平洋中的夏威夷海嶺和天皇海嶺，是由成線(xiàn)狀展布的一系列火山堆構成的火山鏈，其巖石年齡的分布具有明顯的定向性。島鏈東南端的夏威夷島火山年齡不超過(guò)80萬(wàn)年，島上的基拉韋厄火山是目前仍在活動(dòng)的活動(dòng)火山。從夏威夷島沿島鏈向西北，隨著(zhù)距離的增加火山巖的年齡依次增加。在夏威夷海嶺與天皇海嶺的轉折處，火山年齡約4000萬(wàn)年。天皇海嶺呈NNW走向伸向堪察加半島東側，北端的明治海山的年齡則達7000萬(wàn)年。 威爾遜（Wilson, 1963b）為解釋火山島鏈年齡的遞變現象而提出了熱點(diǎn)的概念。所謂熱點(diǎn)是地幔中相對固定和長(cháng)期的熱物質(zhì)活動(dòng)中心，它們向活火山提供富集各種微量元素的巖漿。隨著(zhù)巖石圈板塊經(jīng)過(guò)熱點(diǎn)的不停運動(dòng)，先形成的火山從熱點(diǎn)處移開(kāi)并逐漸熄滅成為死火山，新的火山又在熱點(diǎn)上方形成，結果就形成了一串年齡定向分布的線(xiàn)狀火山鏈。這類(lèi)火山活動(dòng)時(shí)，熔漿向外溢出，無(wú)地震發(fā)生，因此，所形成的火山鏈也叫無(wú)震海嶺。上述夏威夷-天皇海嶺火山鏈的走向，實(shí)際上記錄了太平洋板塊的運動(dòng)方向：在4000萬(wàn)年前是從南向北沿NNW向運動(dòng)，最晚在2600萬(wàn)年以后轉變?yōu)閺臇|向西沿NWW向運動(dòng)。 地幔柱是摩根（Morgan, 1972b）為解釋熱點(diǎn)成因而提出的概念。地幔柱是地幔深處，甚至核-幔邊界上產(chǎn)生的圓柱狀上升的熱物質(zhì)流。它攜帶地幔物質(zhì)和熱能直至地幔上層，并在巖石圈和軟流圈分界處四散外流，激起軟流圈中的水平運動(dòng)，從而可將地幔柱當作板塊運動(dòng)的驅動(dòng)機制。熱點(diǎn)處的火山活動(dòng)是地幔柱物質(zhì)噴出地表的反映。由于熾熱的地幔物質(zhì)向上涌流，導致密度較高的物質(zhì)盈余，形成正重力異常，因而重力特高的地方，也往往是火山分布的地方。摩根還強調，熱點(diǎn)大體上固定于地幔中，因此，板塊相對于熱點(diǎn)的運動(dòng)，便是相對于地幔固定部分的運動(dòng)，也就是相對地理極或地球自轉軸的絕對運動(dòng)。摩根（Morgan, 1972a）用夏威夷-天皇海嶺、萊恩-土阿莫土海嶺和馬紹爾海嶺這三列熱點(diǎn)軌跡資料，計算了8000萬(wàn)年來(lái)太平洋板塊相對于熱點(diǎn)的運動(dòng)。所得結果與后來(lái)的板塊絕對運動(dòng)模型AM-1和AM-2型求得的相對于熱點(diǎn)系的運動(dòng)大體相同。 熱點(diǎn)假說(shuō)在深海鉆探第55航次鉆探夏威夷-天皇海嶺時(shí)證明了其正確性，船上所作的古生物鑒定和陸上所作的放射性測年所提供的年齡，證明了所預言的太平洋板塊向北的運動(dòng)。由火山島年齡和它們距夏威夷基拉韋厄火山的距離，推導出的太平洋板塊的運動(dòng)速度大約為8cm/a，運動(dòng)方向的改變（山鏈變曲）發(fā)生在43Ma之前，幾乎等于摩根預測的年齡。 1.9 地槽與地臺學(xué)說(shuō)： 地槽學(xué)說(shuō)的出現使褶皺帶發(fā)育在特定地位置地問(wèn)題變得容易回答：地槽填充了具有塑性的沉積物，褶皺作用也就在地槽帶中發(fā)生。19世紀中葉，美洲的地質(zhì)學(xué)也得到了迅速的發(fā)展。就像美國的經(jīng)濟發(fā)展一樣，美國的地質(zhì)學(xué)研究也就是從東部逐漸向西部擴展的，阿巴拉契亞山脈可以說(shuō)是美國地質(zhì)學(xué)的搖籃。美國地質(zhì)學(xué)家霍爾（J. Hall, 1857）對阿巴拉契亞的地質(zhì)研究，把大地構造學(xué)說(shuō)帶到了新的起點(diǎn)?；魻栐陂L(cháng)期的研究中發(fā)現，阿巴拉契亞山有一套地層自西向東逐漸增厚，在賓夕法尼亞地區厚度達到4萬(wàn)英尺。他認為如果以此推斷當時(shí)北美大陸位于4萬(wàn)英尺的深海之下，那是十分愚蠢的，因為他確信他所涉及的地層都是淺水沉積。但霍爾認為山脈的形成與沉積層的褶皺無(wú)關(guān)，是大陸整體抬升后在地面流水的挖掘下形成的。遺憾的是他對山脈成因的錯誤認識掩蓋了他對地槽的聰明發(fā)現，致使他的理論發(fā)表了十多年也沒(méi)有引起人們的重視。當然歷史是公正的，人們并沒(méi)有因此而忘記他對地槽學(xué)說(shuō)的巨大貢獻。 1873年，美國地質(zhì)學(xué)家丹納（J. D. Dana, 1873）在其論文“論地球冷縮的一些結果，包括山脈起源和地球內部性質(zhì)的討論”中將霍爾在阿巴拉契亞發(fā)現的長(cháng)條形的沉積盆地命名為地槽（geosyncline），從此地槽學(xué)說(shuō)成為大地構造學(xué)說(shuō)的主流。丹納在考慮造山作用時(shí)注意到以下三個(gè)基本事實(shí)：其一，大洋中廣泛分布著(zhù)火山，這是洋殼非?；顒?dòng)的證據；其二，大陸腹地古老地層占據的地區沒(méi)有現代火山，也很少發(fā)生地震，說(shuō)明陸殼非常穩定；其三，受過(guò)強烈擾動(dòng)的造山帶和相伴的火成巖帶和變質(zhì)巖帶大多出現在洋-陸邊界。丹納認為地球的冷卻過(guò)程是從大陸腹地開(kāi)始的，并且使洋殼收縮塌陷，其派生的側向壓力在洋陸邊界集中，使地殼發(fā)生彎曲形成地槽。地槽的形成需要一個(gè)長(cháng)期的過(guò)程，才能形成巨厚的堆積。在地球冷卻持續到一定階段后，沉積層在側向壓力的作用下也將發(fā)生褶皺，而且沉積越厚，褶皺也就越強烈，同時(shí)在深部巖漿的作用下發(fā)生變質(zhì)作用。地槽在經(jīng)過(guò)褶皺的劇變之后逐漸趨于穩定，成為大陸的組成部分，擴大了大陸的面積。在大陸邊緣的褶皺山脈受到流水的剝蝕，逐漸地被夷平，剝蝕下來(lái)的碎屑物再一次被送到新的地槽中，孕育著(zhù)下一次的褶皺造山。這就是丹納的“大陸擴張學(xué)說(shuō)”。 1887年，俄國學(xué)者卡爾賓斯基（А. П. Κарпинский）研究歐洲東部的地質(zhì)時(shí)發(fā)現，出露在芬蘭、卡列里、烏克蘭等地的前寒武紀巖石是廣大的前寒武紀結晶基底的一部分，這個(gè)基底被產(chǎn)狀平緩的沉積蓋層所覆蓋。這就是后來(lái)被稱(chēng)之為“俄羅斯地臺”的，由基底和蓋層構成的，地臺雙層構造概念。由于地臺具有堅硬的結晶基底和幾乎不變形的蓋層，當時(shí)大多數地質(zhì)學(xué)家都相信，地臺在形成之后就不再遭受強烈的變形。 從霍爾1857年關(guān)于地槽概念的提出，經(jīng)過(guò)幾代人的努力，到1965年美國學(xué)者奧布英（J. Aubouin）出版的《地槽》一書(shū)，對槽臺理論進(jìn)行了全面的總結和提出，這個(gè)地球科學(xué)觀(guān)在地質(zhì)學(xué)界的影響超過(guò)了一百年的歷史。即使是板塊構造理論的提出，也還是不能涵蓋槽臺學(xué)說(shuō)的所有內容，尤其是大陸構造的研究，許多相關(guān)的概念至今仍在使用。 以上假說(shuō)似乎都有正確之處，但以上的每個(gè)假說(shuō)又都不完善。地質(zhì)假說(shuō)，必須符合地質(zhì)事實(shí)。任何假說(shuō)，都有可能錯誤，但很多地質(zhì)事實(shí)是不容否定的。哪么，目前為止，不容否定的地質(zhì)事實(shí)有哪些呢？且聽(tīng)下回分解。 未完，待續。 下回預告：地球科學(xué)之六 60個(gè)重要地質(zhì)事實(shí) 參考文獻： Bacon F. Nouvnm Organum Scientiarum. London. 1620. Bucher W H. Volcanic explosions and overthrusts. Am. Geophys. Union Trans., 14th Ann. Meeting 1933, 14, 238-242 Dana J. D. On some results of the earth's contraction from cooling including a discussion of the origin of mountains and the nature of the earth's interior. American Journal of Science, 1873, 5: 423-443 Carey W S. The Expanding Earth. Amsterdam: Elsevier Scientific Publishing Company. 1976. Davison C. Philos. Trans. Roy. Soc. London Ser. A, 1888. 178: 240 Dietz R. S. Continent and ocean basin evolution by spreading of the sea floor. 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（注：本“地球科學(xué)原理”系列，是根據廖永巖著(zhù)，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科學(xué)原理》一書(shū)改編而來(lái)，轉載者請署明出處，請不要用于商業(yè)用途）
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