为何地球拥有板块构造和大陆与海洋？

从地球演化史来看，3亿年前（即石炭纪成煤时期）地球上只有一个超级大陆（泛大陆—Pangea）。现今的非洲、南极洲、印度、澳洲、南美洲和欧洲六大板块是由2亿年前的巨大板块“冈瓦纳大陆（Gondwana Land）分裂的碎块形成的。到2亿年（侏罗纪恐龙时代），泛大陆开始解体，分离出南极洲、亚-欧洲、非洲和美洲，它们开始向西或赤道漂移而形成现今世界五大洲和四大洋的分布格局。

5.1 大陆漂移说

地球科学中的板块构造理论，从20世纪初提出假说到60年代创立学说、理论，有几位在这场掀起震撼科学界的“地学革命”中立下丰功伟绩的代表人物。1911年秋，德国气象学家魏格纳（A.L.Wegener，1880～1930），他偶然读到一篇论文，文中提到“根据古生物证据，南美洲和非洲陆地曾经连接在一起”。这启发了他的思考，于是他在初步进行了一些古生物和大地测量方面的研究后，提出了“大陆漂移”的假说。1912年1月，他在马尔堡物理学院任教时，曾接连做了多次关于“大陆漂移”的演讲。1915年，他在第一次世界大战中不幸负伤，回到家乡休养。一天，他躺在床上突然从对面墙上的一幅世界地图上惊奇的发现，大西洋两岸的南美洲和非洲的海岸线曲折凸凹形状如此对应一致，使他对“大陆漂移”假说充满信心。他利用休养时间，收集整理资料，撰写了《海陆起源》一书，系统地阐述了大陆漂移学说。当时地质科学的传统学派认为地壳的垂直运动是由“陆桥”升沉所引起，而魏格纳则主张可用水平运动来解释大陆漂移。后来他被公认为大陆漂移说的创始人。

5.2 海底扩张说

20世纪60年代初，美国学者赫斯（H.Hess）和迪茨（S.Ditez）在地幔对流说的基础上，提出了海底扩张说。他们认为，大洋中脊和裂谷体系正是地幔融熔物质上升的通道，涌出的岩浆物质被海水冷凝成新的海底，并推动先形成的海底逐渐向两侧对称地扩张（图7）。海底扩张速率每年2～5cm，平均为3.65cm/y，大致相当于一个人手指甲的生长速率，即每天0.1mm。研究表明，在不同的海区，海底扩张有两种情况：一是扩张着的洋底同时把两侧大陆推移，这样随着新海底不断地生长和向两侧扩张，新生的大洋不断裂开，两侧的大陆逐渐远离漂移而去，像大西洋这样宽的大洋，在海底扩张作用下，不到2亿年就可以形成；二是当洋底扩张到达海沟处，便会向下俯冲，重新返回到深部地幔中去。这时洋底不推动相邻大陆向两侧漂移。像太平洋这样古老辽阔的大洋，它的洋底就像运输传送带那样，处于不断新生、扩张和潜没的循环过程中，大约2亿年时间，洋底就可以更新一次。因此，不管是新生的大西洋、印度洋，还是古老的太平洋，它的洋壳都比较年轻，年代都不老于中生代（1.8亿～2.0亿年）。

现代大地测量结果显示，夏威夷与日本之间正以每年6～8cm的速率相互靠拢（两者在板块之间有一俯冲带）；美国马里兰与英国的测站之间则以每年1.7cm的速率相互分离。全球定位系统（GPS）也测量出全球不同板块之间正以每年1～12cm的速率发生相对位移。其中运移速率较慢的板块（大陆板块，如欧亚板块）为1～2cm/y；运移速率较快的板块（海洋板块，如太平洋板块）为10～12cm/y。

5.3 海底磁异常

1963年，英国剑桥大学大地测量和地球物理系的两位青年学者瓦因（J. Vine）和马修斯（H. Matthews）提出了有关洋底磁异常形成的假说，并由瓦因和威尔逊（T. Welson）于1965年作了论证。1966～1968年，海茨勒等人进一步把瓦因的论证推广到世界洋底。他们通过深海沉积物各段岩芯的磁性方向测定，发现有3种相互独立的磁性测量数据呈现出等同的比例，从而有力地证实了海底扩张说的正确性。在这一时期还论证了横断大洋中脊的转换断层，这一发现与洋底磁异常条带、深海钻探所获得的资料一起，成为验证海底扩张的三大论据。

5.4 板块构造学说

1965年，加拿大多伦多大学的威尔逊教授指出，大洋中脊的横向断裂带并非平移断层，沿着断裂带发生的不是一般的平错，而是由于自洋中脊轴部向两侧的海底扩张引起相对运动，于是他创立了“转换断层”（图8）。

图8  大洋中脊的转换断层

威尔逊等发现，除了个别例外（可能为大陆残余地块），所有其它大洋岛屿的年龄都小于2亿年。同时他还发现，大西洋的岛屿随着远离洋中脊，其年龄越来越老；而在太平洋，许多岛屿的年龄随着远离太平洋海隆而逐渐变老。这种大洋火山岛的年龄及其分布规律，为海底扩张说提供了有力证据。此外，他们还从火山岛的线性排列中引出的“热点假说”和提出了大洋盆地张开与闭合的发展阶段（即“威尔逊旋回”，表1）。正是由于威尔逊的一系列创造性贡献，被地学界同仁推崇为海底扩张和板块构造学说的先驱或开拓者。1967年他曾在学术报告中说：“海底扩张的崛起是当代地学发展中的一场科学革命，地球科学已经从根本上发生了变化。”

表1  威尔逊旋回（大洋盆地的发展阶段）

5.5 板块构造理论

经过许多海洋地质学家和地球物理学家的努力，由大陆漂移说和海底扩张说的结合，1968年终于产生了代表地学革命的板块构造理论。法国地球物理学家勒皮雄（X. Lepichon），在摩根（J. Morgen）和麦肯齐（P. Mckenzie）的基础上把地球表面划分成六大板块：即太平洋板块、欧亚板块、印度洋板块、南极洲板块、非洲板块和美洲板块（图9-1），这些板块之间产生相对移动。在它们分离的地方，边界就被一条大断裂隔开，沿着大裂谷深部地幔岩浆上涌到海底形成新的洋壳。当两个板块相互靠近时，边界是由深海沟构成的，海沟中的洋底下沉到地球内部，在地幔变热后就失去了原有的特性。根据磁异常条带的“编号”人们就可以知道沿大裂谷分离的速率和洋壳的年龄（图9-2）。

图9-1  全球板块构造分布格局

图9-2  海底磁异常条带

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尽管洋壳在年复一年不断地更新，而海水却是“老”的。这就像一个有活动槽底的大水槽，人们抽动槽底，水却保持在原处。因而可以说深海大洋是“古老的海洋、年轻的洋壳。”

尽管板块构造学说已经为当今地球科学家所接受，但科学家仍想知道地球为何拥有板块构造，甚至还有一些科学家对板块构造理论在陆地上尚有难以解释的问题——板块构造与地球其它方面的联系，如水量、大陆、海洋和生命的存在等等。此外，至今科学家还不清楚大陆形成的初始时间、大陆如何能存在数十亿年，地球在未来将如何演变等问题。