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我们脚下的板块真的在动么?
更新日期:2016-12-13 22:13:56
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我们脚下的板块真的在动么?


导语:从魏格纳提出的板块漂移,到被威尔逊进一步完善的板块构造理论,再到现今对计算机和数学方法的应用,科学家们在一百多年间不断地深入和细化对地球板块构造的研究。了解板块构造的过去和现在,能够帮助我们更好地预测未来,把握人类命运。


关键词:板块构造、地球表面、威尔逊周期、构造活动、“俯冲”


五十年前,一个惊人的逆转改变了我们长久以来认为地球上的大陆是永久固定的看法。
1966年,约翰·图佐·威尔逊(J. Tuzo Wilson)在《自然》(Nature)杂志上发表了《大西洋曾经关闭之后又重新打开了?》(Did the Atlantic Close and then Re-Open?)的文章。这位加拿大作家向当时认为大陆是固定的主流观点介绍了我们这个星球表面的大陆和海洋是连续运动着的想法。这个理论被称为板块构造理论,它描述了地球外壳的大规模运动,也解释了大陆陆地边缘(例如,加利福尼亚州的圣安德烈亚斯断层和南美洲安第斯山脉)构造活动(如地震和山脉形成)的成因。
在这个理论50多岁的时候,科学家们怀着对这个星球表面过去和未来面貌的兴趣,正在重新审视板块构造理论:找到它对一些新发现能做出很好解释的一面和仍无法解释的一些方面。


这一理论的证据
虽然大家普遍接受板块构造理论的时间比奥巴马(Barack Obama)的出生时间要晚,但其实早在1912年德国科学家阿尔弗雷德·魏格纳(Alfred Wegener)就首先提出了这一假说。

 

图注:一张具有现代大陆轮廓的原始超大陆、泛大陆地图。(图片来源:Kieff, CC BY-SA)


他指出,现在的地球大陆可以像一张拼图一样拼合在一起。作为气象学家的魏格纳分析化石记录后,发现一些相似物种曾经共同栖居在如今已在地理上互相分隔的地方,于是他提出这些大陆曾一度是一个整体。但是,因为没有一个机制来解释这些大陆实际上是如何能够“漂移”的,大多数地质学家都不认同他的想法。他自身“业余”地质学家的地位,再加上第一次世界大战后的反德情绪,使得他的假说最多被视为一种假想。
1966年,图佐?威尔逊在早期理论的基础上补充了缺失的一环:大西洋曾经至少打开和关闭过一次。通过研究岩石类型,他发现,新英格兰和加拿大的部分地区源于欧洲大陆,而挪威和苏格兰的部分地区源于美洲大陆。根据这一证据,威尔逊提出,大西洋曾经打开、关闭并重新打开过,在此过程中一个大陆会附带上相邻大陆的部分地区。

而且确实有证据能够证明我们这个星球的大陆不是固定的。

 

图注:地球表面的15个主要板块。(图片来源:USGS)


板块构造的过程
地球的地壳和地幔(朝向地球中心位于地壳下的一层)顶部大概有150千米深。它们一起被称作岩石圈,也就是板块构造学说中所说的“板块”。现在我们知道覆盖地球地表有15个主要的板块,大约在以我们指甲生长的速度移动。
运用岩石的放射性定年法,我们了解到,没有海洋有超过2亿年的历史,然而我们的大陆却老得多。海洋的打开和关闭过程——被称为威尔逊周期——解释了地球的表面是如何演变的。
大陆断裂是地球内部的熔岩流动方式发生变化造成的,其会作用于岩石圈,改变板块运动的方向,比如南美洲从非洲大陆断开就是这样的原因。下一步就是大陆漂移、海底扩张和海洋形成——在这里也就指大西洋的形成。事实上,大西洋目前仍然是在打开的过程中,在海洋正中产生新的用于形成板块的物质,使得从纽约到伦敦的飞行距离每年增加几英寸。

 

图注:一张“威尔逊周期”的简化图。(图片来源:Philip Heron, CC BY)


当海洋的构造板块沉到另一个板块下面后,海洋就会关闭,这一过程被地质学家称为“俯冲”。在美国的太平洋西北海岸,海洋板块正在向大陆下滑动,进入岩石圈下面的地幔,造成圣海伦斯火山和喀斯喀特山脉缓慢的移动。
除了正在进行的延伸(构建)和俯冲(破坏),板块还可以简单地互相摩擦——这通常会引发大地震。这些相互作用被称为“保守运动”(“conservative”),也是图佐?威尔逊早在20世纪60年代发现的。这三个过程都发生在板块界限的边缘。
但是,当传统板块学说试图去解释其他一些现象的时候就有点不成立了。例如,在远离板块边界的大陆内部产生山脉和地震的原因又是什么?


隐退了但没有消亡
答案可能就隐藏在一张由我和同事拼接的古代大陆碰撞的地图中。
在过去的20年中,提高了的计算机功能和数学技术使研究人员能够更清楚地观察地壳以下的区域和探索我们板块更深处的部位。在全球范围内,我们发现许多古代大陆碰撞留下的“疤痕”,这些碰撞塑造了现在大陆板块内部的样貌。

 

图注:现在的板块边界(白色)与隐藏的能重新激活控制板块构造的板块边界(黄色)。地壳下的异常疤痕由黄色十字标记出来。(图片来源:Philip Heron, CC BY)


一张古大陆碰撞的地图可能代表着隐藏的构造活动区域。这些地壳下的旧时印记可能仍然支配着地表活动——尽管这些印记在地表以下很远的地方。如果这些深处(30多千米以下)的伤疤结构被重新激活,就会造成灾难性的新的构造活动。
过去板块边界中的很多部分也许从没有真正消失,这些遗留下来的结构会造成地质演化,而且可能会是现在大陆内部看到的地质活动的原因。


2900千米以下的神秘团块
现代地球物理成像也显示,在地核和地幔边界上出现了两个化学“团块”(被认为可能是在我们的星球形成过程中产生的)。
这些炽热、高密度的物质位于非洲和太平洋板块之下。研究位于地球地表2900余千米以下的位置是很难的,而且没人知道它们源于哪里或是用来做什么的。当这些异常物质构成的团块与已经从地表俯冲到地幔深处的冰冷洋底相互接触,就会产生新的炽热的地幔熔流和团块物质,进而引起地表超级火山的爆发。
这是否意味着板块构造过程控制着这些团块的行为?或者说这些未知的深层团块实际上正通过释放炽热的物质分开大陆,从而控制着我们所看到的地表形态?
这些问题的答案都可能会撼动板块构造学说的根基。

 

图注:亚利桑那州立地震学专家埃德·加内罗(Ed Garnero)对100多年间地球内部研究进展的总结。(图片来源:Ed Garnero, CC BY)


其他年代和位置的板块构造
而且这些问题当中最重要的一个仍然没有被解答:板块构造是怎么开始的?
早期地球的内部具有比现在明显高得多的温度和因而所具有的不同物理性质,板块构造活动也许与我们现今的大陆学说所预示的不一样。我们对今天的地球的理解可能与其最早的状态没什么太多共通之处,所以我们可能需要构想出一个完全不同的世界。
在未来几年,我们也许能够把我们在这里发现的有关板块构造是如何开始的知识应用到现实中的其他世界——在我们宇宙的可居住区域内发现的数十亿个外星球。


 

图注:金星有一些地质特征,但不是板块构造。(图片来源:NASA/JPL, CC BY)


令人惊讶的是,到目前为止,地球是我们所知道的唯一具有板块构造的星球。比如在我们的太阳系,金星常被认为是地球的孪生子——只是在地狱般的天气和完全没有板块构造这两方面与地球有所区别。
令人难以置信的是,行星生成复杂生命的能力与板块构造是密不可分的。一个完整不动的地表帮金星产生了含有96%二氧化碳的有毒大气,这样的大气是不适合生命生存的。而在地球上,“俯冲”过程则有助于推动大气中的碳进入行星内部。
但要解释复杂生命如何在5亿年前大爆发而遍布整个世界还是很难的,不过大陆融合进一步促进了大气中二氧化碳的清除。这一异常缓慢的过程是由二氧化碳与雨水混合冲刷大陆岩石开始的,这种组合可以形成富碳的石灰石,随后石灰石被冲到海底,参与到板块构造当中。漫长的(即使是地质学时间尺度)去除碳的过程最终会创造出一个更适于呼吸的大气。板块构造过程只花了30多亿年就达到了适合地球生命生存的碳平衡。

一个目前成立的学说,但以后呢?
从1966年威尔逊的论文后的五十年间,物理学家已从认为大陆从不移动,进步到认为每一个动作都可能会在我们的地球上留下一个永久的印记。
如果板块构造方式发生了改变(我们知道它可以),这里的生命会是完全不同的形态。不断变化的地幔温度可能会影响岩石圈与其他内部休眠的板块构造之间的相互作用,甚至停止板块构造。抑或那些与大陆面积相当的化学团块会偏离他们相对稳定的状态而发生移动,从而释放它们深处储存池内的物质,形成超级火山。
如果不明白我们的开端,就很难理解我们的未来会怎样。通过发现过去的秘密,也许能够预测板块构造未来的运动。


作者简介:
Philip Heron,多伦多大学地球动力学博后。


(翻译:赵倩茹;审校:傅斓)


原文来源【科学美国人博客】:

https://theconversation.com/plate-tectonics-new-findings-fill-out-the-50-year-old-theory-that-explains-earths-landmasses-55424



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