地球的歷史丨認識板塊運動說

2021-01-19 Super STEAM

——大陸漂移——

提到大陸漂移假說,我們總會想到魏格納。

1912年,奧地利氣象學家和地球物理學家阿爾弗雷德·魏格納首先提出大陸漂移的設想,並在1915年發表的《大陸與大洋的起源》一書中作了論證:地球上所有大陸在中生代以前曾經是統一的巨大陸塊,稱之為泛大陸或聯合古陸,中生代開始分裂並漂移,逐漸達到現在的位置。在書中他通過古老地層的拼合、不可能跨越海洋的古老生物化石等來證明這一觀點。

不可能跨越海洋的古老生物化石分布

但是,大陸漂移因缺少驅動力解釋,所以難以撼動當時流行的「靜止論」。魏格納在1930年的格陵蘭探險中遇難之後,大陸漂移說逐漸沉寂甚至被遺忘......

20世紀50年代中期至60年代,隨著古地磁與地震學、宇航觀測的發展,使一度沉寂的大陸漂移說獲得了新生,但即便如此,大陸漂移假說還遠未被接受,直到海底擴張假說的出現給問題帶來了轉機。

——海底擴張——

H.H.赫斯和R.S.迪茨在19世紀60年代初期提出了海底擴張假說。這一假說認為當地幔物質(巖漿)從大洋中脊湧出並冷凝後,新的洋殼產生並向兩側移動擴散,及至海溝島弧一線,便受阻於大陸而俯衝下插於地幔,達到新生和消亡的消長平衡,從而使洋底地殼在2~3億年間更新一次。

基於海底擴張假說的地球橫截面示意圖

同時說明了地殼的確是在運動的,大陸漂移的驅動力很可能來自於地幔物質的「傳送帶」作用。

海底擴張假說示意圖

至此,魏格納的大陸漂移學說才開始逐漸被接受。在大陸漂移及海底擴張學說的基礎上,1968年,眾多科學家聯合提出了板塊構造學說。

——板塊構造——

板塊構造學說認為:全球大致可分為六大板塊,這些板塊漂浮於軟流層之上,板塊交界處地殼運動活躍,板塊內部則較為穩定。從而較好地解釋了火山和地震帶的分布以及不同地形單元的形成。

六大板塊示意圖

然而,板塊構造理論也具有局限性,比如,在解釋遠離板塊邊緣或板塊之下各種地質作用的方面就受到了強烈的挑戰,尤其是板塊內部的大規模巖漿活動(溢流玄武巖)和大洋熱點火山鏈。於是,經過一系列的研究,一種新的假說誕生了——地幔柱假說。

這一假說認為靠近地核的那部分地幔會形成一個升騰的熱柱,當其上升到巖石圈底部時,地幔流向由垂直上升變為向外擴散,形成具有火山活動特徵的熱區。雖這一假說仍未被廣泛接受,但南太平洋和非洲的上湧超級熱柱中亞存在的下沉超級冷柱,已通過地震層析成像證明。

此外,科學家們還設想,同大氣圈的熱力環流一樣,地幔內部也存在相似的熱力環流,這種熱力環流推動了板塊運動和全球構造單元的形成,這就是地幔對流假說。

——地幔對流——

地幔對流就是地幔物質在地球內部往返循環構成的熱對流。軟流層中的地幔物質由於熱量增加,密度減小,體積膨脹,產生上升熱流,上升的地幔物質遇到地殼底部向四周分流,隨著溫度下降,地幔物質密度增大,又沉降到地幔中,這一過程稱為地幔對流。

當地幔上升流遇大陸屏障時,其引張力導致板塊撕裂,在洋底處則形成大洋中脊。下降流則拖動板塊俯衝和消亡,其積壓力和拉力造成海溝、地槽和山脈。

地幔對流事實上是人們根據對地球的認識而推斷出來的一種假說。早在1881年,費希爾在《地殼物理學》一書中就提出了地幔中可能存在著對流的觀點。20世紀30年代,英國地質學家霍姆斯曾企圖以地幔對流來解釋大陸漂移的驅動機理。60年代,地幔對流的思想則成為解釋海底擴張和板塊大地構造學說的重要理論之一。板塊學說認為,驅動板塊運動的主要因素是某種形式的地幔對流。

未來,或許通過更多對地震和地球化學等的研究,地幔柱及地幔對流假說將被證實並被人們所接受。

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