第六节　现代地质学的研究进展

从18世纪中叶以来，地质学经历了地质旅行的"英雄时代"和三次大的思潮交锋--水成说与火成说、灾变说与渐变说、固定说与活动说的论争。其中第三次大论战从20世纪初一直延续到20世纪70年代，历时最长久，过程最曲折，程度最激烈。
世纪回眸，人类的新地球观走过了从大陆漂移学说、地幔对流理论、大洋中脊的发现、海底扩展学说、板块构造理论到全球构造地质学的辉煌历程。著名加拿大地球物理学家威尔逊（J.T.Wilson，1908～）评论说："我们这个时代发生的这场伟大的革命，应当称作魏格纳革命。"
一、地球的演化
地球作为人类的摇篮和住所，在太阳系中占据着得天独厚的地位。这倒不是说地球是处于宇宙的中心，而是说从演化的方向来看，地球孕育了生命并且进化出人类，表明地球有自己独特的演化道路，它处于天体的高级演化阶段。地球是在太阳系形成的过程中诞生的。它至今已有46亿年的历史。在这漫长的岁月中，地球发生了天翻地覆的变化。这种变化大体可以分为两个时期：一个是地球演化的"天文时期"，一个是地球演化的"地质时期"。"天文时期"是地球演化的前史，"地质时期"是地球演化的后史。
其中天文时期最显著的变化是地球内部物质的分异和圈层的形成，地质时期的明显特征是地壳的运动、地层的形成以及气候的冷暖交替，以及生命的孕育、出现、进化。
（一）地球演化的天文时期
地球演化的天文时期是指从原始地球的诞生到原始地壳的形成，这个时期大约经历了10亿年左右的时间。在此期间，地球经过急剧的变化，内部圈层--地核、地幔、地壳初步形成，同时原始海洋和原始大气圈也开始出现。
从现代星云说可知，地球在天文时期的演化过程中，经历了冷～～热～～冷三个阶段。
1、第一阶段--冷。
2、第二阶段--热。
3、第三阶段--冷。
（二）地球演化的地质时期
原始地球通过天文时期的急剧变动之后，便进入历史演化的地质时期。这个时期从35亿年前直到现在，是地球发展史上一个极其重要的时期。因为它的一切变化，特别是近期的变化，与人类居住的地理环境密切相关。这一时期，除了地球物质的进一步分化和各圈层的不断改造外，主要是地层的形成、地壳的运动和海陆的变迁、气候的冷暖交替，以及生命的孕育、出现和生物从简单到复杂、从低级到高级的不断进化。
地层是地壳发展过程中先后形成的各种成层和非成层的岩石的总称。因此地层的形成问题实质上是岩石的成因问题。地球上的岩石可以分成三类：火成岩、水成岩、变质岩。这些岩石是怎样形成的？形成后又是怎样发展的？是激烈进行的还是缓慢进行的？引起这些发展的原因又是什么？围绕这些问题，历史上曾产生过两次大的争论：一次是水成派和火成派之争；一次是灾变论和渐变论之争。由于水成派和火成派，灾变论和渐变论已在前面章节阐述，在此就不重复。
地层的形成和岩石的不断更新和改变只是地球地质时期演化的一个方面，另一个方面则表现为地壳的运动。
二、地壳的运动
地壳运动既表现为不同幅度的垂直起落，也表现为远距离的水平移动和海陆变迁。围绕这个问题，地质学史上曾爆发了第三次大论战，即"大陆漂移说"与"洋陆固定论"之争。
从古希腊时代以来，洋陆固定论一直是地学界的主流思想。该理论主张地壳运动以垂直升降为主，各地块虽然可以上升为陆、下降为海，但大洋大陆的位置基本上固定不变，没有大规模的水平运动。这种理论观点由于有深远的渊源，又能说明一些地理现象，同时受到美国的丹纳（J.D.Dana，1813～1895）、英国的盖基（XXXXikie）和法国的博蒙（XXXXXXXaumont）等一大批地质学权威的认同，因此很快被地质学界普遍接受，并长期统治着学术界。
（一）大陆漂移说
1、提出 向"洋陆固定论"提出挑战的是德国年轻的气象学家魏格纳（A.L.Wegener，1880～1930），1910年他受地图上大西洋两岸海岸轮廓极为吻合，可以拼接成一块这个联想的启发，又了解到巴西和非洲已发现相同的古生物化石，于是萌发了大陆会漂移的想法，并于1912年提出了"大陆漂移说"。后来又经过3年的努力，广泛收集地质构造、矿产分布、古生物以及古冰川遗址等多方面材料，进行了详细的论证，1916年写下了《海陆的起源》这部世界名著。
2、设想 魏格纳认为，大陆是由较轻的刚性的硅铝质组成，漂浮在较重的粘性的硅镁质大洋壳之上，可以作水平移动，大陆块存在向西漂移和离极漂移两种趋向。距今约2亿～3亿年前的古生代后期，地球上存在过连成一块的联合古陆即"泛大陆"（Pangaea），由南方冈瓦纳古陆和北方劳亚古陆构成，周围是一片广阔无垠的"泛大洋"（Panthalassa）（见图4－6－1）。南方冈瓦纳古陆包括南美洲、非洲、南极洲、澳洲和印度；北方劳亚古陆由北美洲、欧洲和亚洲（不包括印度）组成。大约2亿年前的中生代以来，由于地球自转的变化和太阳、月球的潮汐力作用，泛大陆开始分化瓦解。北美洲离开了欧洲，南美洲向西漂移，于是形成了大西洋。非洲向西漂移时有一半脱离了亚洲，它的南端与印度次大陆分离，中间出现了印度洋。南极洲和澳洲也同亚洲分离，逐渐漂移到现今的位置，最后形成现今的海陆格局。











图4－6－1 约3亿年前地球上的大陆分布

3、证据 魏格纳进而找到了建立大陆漂移说的四大证据：
其一，从地貌学看，在大西洋两岸，南美洲东部海岸线与非洲西部海岸线轮廓明显相吻合。对其他大陆的外形轮廓进行比较，也会发现一些忽明忽隐的类似情况，绝非巧合。
其二，从地质学看，非洲最南端的兹瓦特山脉，恰与南美的布宜诺斯艾利斯以南的山脉同是东西走向，同属一条二叠纪褶皱山系，地质结构上可以相连。同样，欧洲的挪威、苏格兰和爱尔兰的古生代褶皱山系，恰与北美纽芬兰的加里东褶皱带相衔接。比较印度、马达加斯加和非洲，南极洲与澳洲之间的较老地层结构，都有程度不等的对应关系。
其三，从生物学和古生物学看，根据物种起源的单祖论，同一物种必定起源于同一地区，然后传播和扩散。在远隔重洋的大西洋两岸，许多现代生物之间存在亲缘关系。例如：某种庭园蜗牛分布于大西洋两岸的德国、英国和北美洲等地；南大西洋两岸遍布古老的蚯蚓种属；在远隔重洋的南美洲、非洲和澳洲，生活着同种淡水肺鱼和鸵鸟等等。古生物化石则有力揭示了古代生物的亲缘关系。例如：舌羊齿植物化石广泛分布于印度、南半球各大陆的晚古生代地层中；爬行类动物中恐龙的古化石分别见于巴西和南非的石炭一二叠纪地层，其他地方均未发现，等等。
其四，从古气候学看，地层考古发现，北半球各大陆有大量石炭一二叠纪热带或温带植物化石。相反，同一时期南方诸大陆却布满冰川遗迹。
正是根据这些科学事实进行合乎逻辑的推论，魏格纳才深信现有各大陆曾经连成一片，后来才漂移开来。他曾对这些相似性和连续性现象作了生动的比喻：这就像一张撕碎了的报纸，人们把它重新拼起来，看看所印的一行行文字是否能够拼合。如果合得起来，就不得不承认这些破碎的报纸原来是连在一起的。
4、问题 魏格纳的大陆漂移说一经提出，就在地球科学界引起了轩然大波和激烈论战。以英国著名天文学家、地球物理学家杰弗里斯（Sir XXXXffreys）为首的质疑者，主要就新理论的以下两个方面进行攻击：
其一，关于滑动界面问题。魏格纳假设，硅镁层在深部高温高压下变得"像火漆那样流动"，刚性轻质的大陆硅铝层可以在塑性重质的深处硅镁层上水平移动。但是，1925年杰弗里斯根据地球纬度变化资料计算表明，硅铝层底部岩石粘性系数大于1020，而发生流动的粘性系数应小于1016。实际上这样的地质结构是不可能发生漂移的。
其二，关于驱动机制问题。魏格纳假设，漂移驱动力来自地球自转的惯性离心力派生的离极力（也称约特沃斯力）和由日、月引起的潮汐摩擦力。但是大多数地球物理学家认为，这两种力实在太小，难以驱动坚厚庞大的陆地大移位。杰弗里斯的计算指出，地球自转引起的离极力对每平方厘米的地壳产生的剪应力只有0.04牛，其产生的应变率仅0.8×10～27／秒，这样，地壳移动1弧度就需要30亿年，难以支持魏氏的大尺度漂移。
大陆漂移说的提出，打破了海陆固定论的传统偏见，深刻地影响着现代地质学革命。但该学说也有其局限性，尤其是对大陆漂移机制的解释难以令人信服。1930年随着魏格纳的逝世，这个学说也沉寂下去了。直到20世纪50年代以后，随着海洋科学研究的发展、古地磁学的兴起以及电子计算机对大西洋两岸大陆拼接的成功，证明大陆漂移说是正确的。"大陆漂移说"又复活了，在科学地解决了大陆漂移的动力机制的基础上，这个学说进一步发展为"海底扩张说"和"板块构造说"。
（二）海底扩张说
从20世纪50年代后期以来，地质学家们组织了国际地球物理年的活动，开展了极地及海洋地质考察研究，取得了大量实际资料，其中海底地质探测的三大发现，即全球裂谷系、海底热流异常和海底磁条带的发现，为大陆漂移说提供了强有力的新证据。
在海底地质探测三大发现的基础上，首先是霍姆斯地幔对流说和曼尼兹（V.Meinesz）热对流说开始复活。受其启发，曼尼兹的学生、普林斯顿大学的赫斯（H.Hess,1906～1969）、美国海军电子实验室的迪茨（R.S.Dietz）和加拿大多伦多大学的威尔逊（J.T.Wilson,1908～）等人，在20世纪60年代很快便形成了"海底扩张学说"。
这一理论认为，大洋中脊（海岭）位于地幔对流循环的上升带，是高温地幔物质上涌的通道，其顶部的裂谷是地幔物质的出口。由于地幔对流，地幔中熔融炽热的岩浆不断从中脊裂谷慢慢往上升，到达顶部后向两侧分流，冷凝下来以后形成新生的海洋地壳。新的洋壳不断产生，整个海底则不断从海岭两侧向外扩张，将较老洋壳向外推移。较老洋壳移动到海沟时，由于重力作用又在海沟处沉入地下返回地幔软流圈，进人新一轮物质循环。据估算，海底扩张速率为每年1厘米至几厘米，洋壳大约1亿～2亿年更新一次，因此海底没有比中生代更老的沉积和基岩。
海底扩张学说为大陆漂移提供了驱动力的理论诠释，标志着魏格纳大陆漂移说的复活和更新，成为板块构造学说的重要理论支柱。按照海底扩张说，大陆是驮在岩石层上而在地幔软流层上移动，不存在魏格纳所说的硅铝层在硅镁层中漂移的问题，这就克服了大陆漂移说最严重的困难。
（三）大陆板块学说
在"大陆漂移说"、"地幔对流说"和"海底扩张说"的基础上，1968~1969年，法国的勒比雄（X.le.Pichen）、美国的摩根（XXXXrgan）又进一步把陆地和海底统一起来考虑，认为洋底和陆地都是岩石圈的一个组成部分，进而提出一种全新的大地构造学说--"板块构造学说"。
该理论给出了世界板块分布图，以挤压性（两侧板块相对运动）的海沟、引张性（两侧板块相背离去）的全球裂谷系、剪切性（两侧板块相互滑过）的转换断层三类构造带为界，将整个地球岩石圈划分为六大板块，即欧亚板块、非洲板块、美洲板块、太平洋板块、印度板块和南极板块。其中除太平洋板块完全为海洋地壳外，其余板块都由陆块和洋盆共同构成。
板块构造说认为，相对刚性的板块块体漂浮在上地幔的塑性软流层上，因地幔对流、海底扩张的驱动，各自作大规模水平运动。板块在大洋中脊处分离和增生，在海沟处俯冲和消减，如此周而复始，循环往复。板块之间的相对运动有分离、会合和平移（剪切）三种，起到相互拉张、挤压和摩擦作用。板块内部相对稳定，其周围边界是岩石圈较为活动的地带，地震、火山和断裂等活动比较活跃。板块之间常以大洋中脊、大陆裂谷、岛弧、海沟及转换断层等地壳构造活动带为其边界。



板块构造说描绘了一幅生动活泼的地球画像，力求从整体上把握全球的地质运动规律。该学说提出后立刻引起巨大反响，被一些学者称为"新全球构造学说"。新理论的崛起，得到了古地磁、海洋地貌、海底构造、海洋沉积、地震等领域一系列重大发现的验证，综合了固体地球科学各分支领域的研究成果，能较好地解释全球性的大地构造及其演化问题，有效地揭示矿产的分布规律，也能合理地阐明全球地热、地磁、地震和火山活动等地学规律，回答了一部分过去认为是疑难的科学之谜，因而得到了世界上绝大多数科学家的承认。
三、现代地质学的问题
毫无疑问，板块构造说仍然存在有待进一步完善和发展的地方。有些学者指出，在地球演化史8000万年的时限内，在大洋中脊两侧不太大的范围内，这个学说颇有说服力。但是，在更大时限和更大空间的范围内，尤其是在西太平洋，情况就比较复杂，目前还不能一下子完全说清楚。特别是在大陆板块漂移的驱动机制、洋壳生长机制等问题上，仍然争议较多，矛盾较大，因此遭到一些学者的怀疑和反对。
但是，历史已经证明，由魏格纳开创的大陆漂移学说，无疑是地球科学中的"哥白尼革命"。大陆漂移说、地幔对流～～海底扩张说、板块构造说，构成了20世纪地学革命的壮丽三部曲，标志着固定说的衰退、活动说的发展，也标志着静态地质学的消亡和动态地质学的活跃，显示了它的强大生命力。而大陆漂移说发展过程中的"崛起一沉寂一复活"，一波三折，实际上也正是历史上一切重大创新思想的命运交响曲。