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板块构造运动的证据

软流层的发现与研究,使得大陆漂移说即板块运动成为比较可信的观点,但其尚未说明板块是否曾经产生运动,又是如何发生运动的。50年代以来的洋底调查,为板块曾经发生过运动积累了可作佐证的资料。

1.岩石磁性与古地磁

许多含铁的矿物在地表常温下都至少具有微弱的磁性。每一块带磁性的岩石都具有居里温度,当熔融的岩石逐渐冷却,即使低于居里点温度,岩石磁性仍可以保留,但高于居里点温度,岩石则失去它的具有磁性的特征。虽然矿物的居里温度各不相同,但它总是低于矿物的熔化温度,因此炽热的岩浆没有磁性,但是当它冷却和固结,并且从中结晶出铁镁硅酸盐和其他含铁的矿物时,这些带有磁性的矿物趋于按相同的方向排列。就像小的罗盘指针,它们使得自己平行于北-南延伸的地球磁场的磁力线方向,并指向磁北极,除非受到重新加热它们将保持固有的磁性方向。这就是古地磁学的基础,岩石中的“化石磁力”。

然而,磁北极并不总是与它目前的位置相吻合。在20世纪初,科学家对法国一个火山岩序列磁化方向的调查发现,一些磁力线的磁化方向与另外一些恰好相反:它们的磁化矿物指向南而不是向北。这现象发现在世界上许多地方,证实地球磁场曾经发生磁极倒转,也就是南、北磁性曾经调换过位置。当这些令人惊奇的岩石产生结晶时,磁针将指向磁南极而不是磁北极。

现在,磁性倒转现象已被证实。当岩石结晶时磁场方向与现在磁场方向一致,则被称为正常磁化;当岩石结晶时磁场方向与现在磁场方向相反,则被称为倒转磁化。在地球的历史中,磁场曾经以不同的时间间隔发生过多次的倒转,有时磁极稳定的时间可以近100万年,而有时仅相隔几万年就发生倒转。通过对磁化岩石的磁性测量和年龄确定,地质学家已经能够详细地重建地球磁场的倒转历史。

对磁性倒转的解释必须与磁场的由来相联系。外地核主要是由铁组成的金属流体。导电流体内的运动可以产生磁场,而这被认为是地球磁场的起因。(仅仅由于地核中含有铁是不足以引起磁场的,因为地核的温度远高于铁的居里温度。)而流体运动的紊动或变化才能引起磁场的倒转。倒转过程的细节还有待演绎。

2.海底扩张

洋底主要是由玄武岩组成,它是富含铁镁矿物的火山岩。20世纪50年代,大规模的全球海底磁性调查,发现洋底岩石的磁性呈条带状规则地排列,是正常磁化的岩石与倒转磁化的岩石呈带状相互交替。开始当作是调查测量错误,而后不断发现此现象,其结果导致地球科学上重大的发现——海底在扩张。

磁性条带可以被解释为海底扩张的一种结果。如果洋底岩石圈破裂而且板块产生相背运动,岩石圈的裂隙将张开。但其结果并不是一条深50km的裂隙。当裂隙开始产生时,由于上覆岩层压力的释放发生了广泛的熔融,产生了来自软流层的岩浆,岩浆的上升、冷却和固结形成了新的玄武岩,并按地球磁场的主导方向被磁化。假如板块继续相背运动,新形成的岩石也将破裂和分离,而更年轻的岩浆进入其中,这过程不断进行,海底不断扩张。

如果在海底扩张的同时,地球的磁极发生倒转,磁场倒转后形成的岩石的极化方向与磁场倒转之前恰好相反。洋底是几千万年或几亿年来形成的连续的玄武岩序列,在这一时段内产生十几次的磁极倒转。海底的玄武岩就像磁带记录仪,在代表正常和倒转磁化岩石交替出现的条带中保存了磁极倒转的记录。

3.洋底地形与年龄

20世纪50年代以来,随着大洋测深与定位技术的进步,对大洋底部的地形已可制作出较详细的海底地形图,发现海底并非平坦的,有系列巨型海底山脉、海底山及岛弧、深海沟。这些巨型地貌均与海底构造演化密切相关,均是岩石圈板块运动的有力证据。

洋中脊是分布于大洋底的巨大山系,在大西洋位于洋底的中间,它将大西洋分为东西二部分,高出洋底2000~4000m,宽约2000km,其轴部为一纵长的裂谷,自轴部向东西两侧,地形逐渐低下,进入海底平原。大西洋洋中脊为一系列横向(东西向)断裂分割,使整个洋中脊在平面上呈S形。太平洋洋中脊位于东部,靠近美洲大陆,印度洋洋中脊呈人字形,印度洋海底山系将印度洋分成三块。世界大洋的这些洋中脊均相连,构成环绕地球64000km的海底巨型山系。

洋中脊及洋底主要是玄武岩,可用同位素测年法,测得洋底各部位的年龄。其结果是接近洋中脊处最年轻,在洋中脊轴部岩石年龄为百万年以内,其裂谷中有现代喷发的熔岩,即正在形成中的洋壳,向两侧年龄逐渐增大,为上新世至古新世(500~6500万年),至洋底盆地主要是白垩纪,而最外围是侏罗纪,即洋底岩石最老的年龄未超过2亿年。与磁化条带一样,岩石年龄的分布亦呈条带状,在洋中脊两侧呈对称分布。这些有力地证明,随着洋底扩张,原来的岩石不断地被洋中脊轴部新生的岩石扩张推挤向两侧移动,使近轴部岩石年青,愈远离洋中脊岩石年龄越古老。

海底山、洋底有一些水下火山锥,也有水下火山发育高出水面呈岛屿的,它们常成线状排列,构成火山岛链。如夏威夷群岛是一列西北-东南向的火山岛链,最南面的夏威夷岛有现代活火山,其岛的年龄小于50万年,至瓦胡岛(Oahu)已无活火山,其年龄为230~330万年,至考爱岛(Niho)为750万年,纳基尔岛(Necher)为1100万年,到中途岛为2500万年,而后火山链转折成大体南北向的帝王海底山链,其年代更古老。这种火山链表明,地幔上部有一种“热点”,地幔中熔融的岩浆成柱状通过热点上升到地球表面,热点中地幔物质熔融成岩浆,喷出为火山,热点在地幔中有固定的位置,岩石圈板块通过该热点向西北运动而形成一连串火山。火山的年龄靠近热点较年轻,距热点愈远,年龄愈老。

4.地极的移动

地球是个磁体,有磁北极和磁南极,好似一个巨型磁棒穿过地球,通过球心,形成地球的大磁场。地球上一切磁性物体都受磁场的影响。地磁极与地轴之间有一交角,即磁偏角。通过古地磁的测量计算,可以找到地质时期的磁北极与地球北极,同样可找到磁南极与地球南极。

地球上最古老的岩石不在洋底,而是在大陆。在大陆已发现有40亿年前的岩石。对大陆岩石磁化方向的研究,可以得出若干亿年前的磁化状况,得出不同年龄岩石的磁极位置。磁极总是有规律地靠近地极的。由古地磁测定古磁极的位置并不在今日北极、南极附近,而是远离今日南北极的地球其他部位,这反映了当时形成于磁北极(或磁南极)的岩层,已发生了位移,从地极移到今日地极的位置。

5.其他证据

大陆的岩石与海底岩石相比是在多种环境下产生的,因此可以提供各种信息。例如沉积岩可以保存沉积物形成时该地区古气候的证据。这类证据表明许多地方的气候随着时间的变化产生了巨大的变迁。目前在澳大利亚、南非和南美的热带地区,发现了冰川作用的证据。在目前暖湿气候地区的岩石中发现有沙漠堆积,而在目前的寒冷地区保存有森林植物的化石。煤层形成于湿润气候下,是由地质时代的植物被埋藏后变成的,而南极洲竟然发现了煤层。因为在同一时间内大陆并未表现出相同的变暖或变冷的趋势,这些观察资料无法用全球气候变化来解释。气候与纬度相关,它强烈地影响着地表的温度:接近赤道的环境通常较热,而极地地区显然较冷。岩层所反映出的气候的状况如此剧烈的变化,其结果只能是大陆发生漂移,该大陆所处纬度发生了变化。

沉积岩还保存有古老生命的化石残骸。某些目前仍然存在的生物似乎曾经只在非常有限的一些地区生活,而现在却在地理上广泛地散布于各个大陆。例如,舌羊齿属植物的化石,其遗迹在印度、南非以及南极地区发现。中龙属,一种小型恐龙的化石,同样也散布于几个大陆上。很难想象一个植物或动物的特定种类在远隔几千千米的两个或更多的小区域内同时发育,或是借助某种方式跨越浩瀚的大洋迁移。(舌羊齿属是一种陆生植物,中龙属是一种淡水动物。)大陆漂移说为这些现象提供了合理的解释。这类生物生活在一个单一的、地理分布上有限的区域,目前发现的化石分布很广泛是大陆分离和移动的结果。

非洲和南美岸线的明显相似性曾是萌发大陆漂移的起因。假如不用海岸线,而是用大陆架的外缘等深线进行拼接,那非洲与南美洲将吻合的更好。目前用计算机制作板块间的最佳拼接,其结果反映出有零星缺失。这也许是因为大陆的解体,以及火山活动产生局部岩石的增加,无法使得大陆的每一小块在几千万年或几亿年的时间内都被完整地保存下来。大陆的重建可以利用大陆地质的细节:岩石类型、岩石年龄、化石、矿床、山脉等等加以改进。如果两个现在分离的大陆曾经是同一大陆的一部分的话,那么在一个大陆边缘发现的地质特征,应该在另一个大陆相应的边缘找到其对应部分。因此,当制作板块拼接时还需同时作综合性地质论证。

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