为什么现在的陆地都向北冰洋漂移

为什么现在的陆地都向北冰洋漂移

二十世纪以前,海陆位置固定论一直是地学界的主导思想,在欧洲传统的地质学理论中,一向认为海陆的变迁都是在原地垂直升降的,海洋和大陆的基本轮廓和相对位置是一成不变的.然而,进入二十世纪,大陆漂移理论的问世,使这一传统观念发生了动摇,人们渐渐认识到,在漫长的地质演化过程中,海洋和陆地在水平方向上也在发生着变迁.
1910年,德国气象学家魏格纳在浏览世界地图时发现,南美洲东海岸和非洲西海岸的轮廓十分相似,如果用地图剪拼,凹凸部分正好吻合成一个整体.用同样的方法,还可以把北美洲与欧洲的格陵兰拼合在一起.如此看来,被大西洋隔开的大陆,原来应是一个整块.为了证实这一想法,魏格纳进行了实地考察,果然在大洋彼岸对应的位置上,找到了相应的山脉、矿藏和相同的古生物化石.据此,1912年魏格纳提出了大陆漂移假说,并出版了专著《海陆的起源》.
大陆漂移假说认为,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,可以做水平移动,大陆块存在着向西漂移和离极漂移两种趋势.距今约2～3亿年前的古生代后期,地球上的大陆还是一块联在一起的古陆 ——“泛大陆”,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”.大约2亿年前的中生代以来,由于地球自转的变化和太阳、月球的潮汐力的作用,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.
魏格纳假说刚一问世,就遭到了许多知名权威的抨击和反对,几乎所有的反对者都提出了同样一个严峻问题：又重又大的陆地怎么可能像船那样漂移呢?是谁在推着它移动?对于这个问题,连魏格纳本人也说不清楚.为此,他曾不无遗憾地说：“漂移理论中的牛顿还没有出现.”
由于大陆漂移的动力问题没有解决,魏格纳理论曾一度沉寂,直到五、六十年代海底地质探测的三大发现,才为大陆漂移说提供了强有力的新证据.海底探测表明,带有裂谷的海底山脉横穿大洋盆地,形成了全球裂谷体系；海底热流量比预计值要大得多；大洋中脊海岭两侧的古地磁呈对称分布.
在这三大发现基础上,美国地质学家赫斯和迪茨以及加拿大多伦多大学的威尔逊等人提出了海底扩张学说,认为炽热的地幔物质不断从大洋中脊裂谷溢出,使海岭两侧向外扩张和推移.按照海底扩张说,大陆不是驮在岩石层上,而是在地幔软流层上移动,因而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.
现在人们对大陆漂移已不再怀疑,但造成大陆漂移的原动力问题,仍没有解决.学术界为此提出了种种推测,莫衷一是.
1928年,英国人霍尔姆斯提出了地幔对流说,认为地壳下上升的地幔流,遇到大陆屏蔽后向两边流去,产生的引张力将陆块扯裂,然后使之漂移.这一理论把地幔作为大陆漂移的传送带,用以解决大陆漂移的驱动力问题.当然,霍尔姆斯的观点只是一种猜测而已,因为人们尚没有取得有关地幔对流的充分证据.
在大陆地质学和海洋地质学新发现的基础上,欧美科学家麦肯齐、帕克尔、摩根、勒比雄等人在1967～1968年间提出了板块构造理论.他们将地球的岩石圈划分为欧亚、非洲、澳洲、南极洲、美洲、太平洋六大板块,详细讨论了它们的运动.板块构造理论认为,地壳板块是地幔软流圈上的刚性块体,板块的边界处是构造运动最活跃的地方,板块相对运动时产生挤压力、背离运动时产生引张力、相互滑过时产生剪切力,正是这些力量造成了洋底和大陆的地质地形,并形成了造山运动和地震.
不过,这一理论仍把地幔对流作为板块运动的驱动力,因此同样存在着地幔对流说的理论缺陷.有些科学家通过试验和测算,认为地幔内物质结构和某些流变性质的滞性和强度对于对流有重大影响,地幔内岩浆的粘滞度足以阻止对流,足够大的弹性强度可以制止对流的产生.近年来的研究结果表明,地壳和地幔存在侧向非均匀性,这对地幔对流是不利的.
站在不同的视角,一些研究者开始把探索的目光移到地球以外.他们认为,从地球的结构来说,它本身所能提供的力量并不足以推动地壳发生运动,这种力量很可能来自宇宙.
从地球外部的因素看,人们首先注意到的是日月的引力,其次注意到的是陨石的轰击.地质学家已经证实,在日月的引力作用下,地球固态的岩石圈会发生类似海水那样潮起潮落的现象,这种现象被称为固体潮.在赤道附近的“潮至隆起”最大高度可达0.5米左右,平均约20厘米.据计算,引力潮最多能以每平方厘米40达因的力拖曳地壳.当然,这么小的作用力还不足以引起地壳发生大规模的运动,但是在漫长的地质时期内,如果有某个天体格外接近地球,这时潮汐引力将骤然增大,就有可能触发较大规模的地壳运动.
从陨石轰击的角度来考虑,它们也可能成为地壳运动的主要原因.据计算,一个直径1公里左右的微天体,如果以每秒20公里的速度坠落在地球上,产生的撞击能量要比一次八级地震释放出来的能量还要大5000倍.据估计,自寒武纪以来的近6亿年中,如此规模的撞击事件大约发生过2000次.因此可以这样假设,巨大的陨石撞击使地球失去了原有的运动平衡,原始泛大陆逐渐分裂、漂移,于是出现了板块运动等一系列特征.
不可否认的是,在地球的长期演化过程中,来自地外引力及陨石撞击等作用,确实可以使地壳在短时间内产生运动.但是,这种作用效应能否长久地维持下去?是否能够作为大陆漂移的动力源?则很难得出一个肯定性结论.
那么,究竟是什么原因导致地壳运动的呢?本文从角动量传输理论出发,提出一种观点认为,驱使地壳运动的真正原因来自地球外部,是地球在与太阳和月球的角动量传输过程中,地球自转角动量和公转角动量发生了变化,引发了地壳的板块运动.
首先,让我们分析地球自转角动量变化的原因.根据太阳系演化及灾变理论,我们可以把地球自转速度的变化分为两个阶段.第一阶段,从地球诞生的46亿年前起至5.8亿年前.在这一期间,地球的自转速度极慢,但很稳定,基本没有什么大的变化.第二阶段,从5.8亿年前至今,在这一期间,地球的自转速度发生了两次变化.第一次变化发生在太阳系灾变之初,大量星云体物质撞向地球,巨大的动量转化成了地球的自转角动量,地球的自转角速度急剧增大.估计地球自转最快时,自转周期在15—18小时左右.稍后,地球俘获了月球,有了自己的卫星,这时,地球的自转速度开始发生第二次变化,在与月球的角动量传输过程中,地球自转进入了减速期.由于月球的公转周期长于地球的自转周期,根据角动量传输原理,地球将向月球传输角动量,所以地球的自转角动量将不断减小,自转速度逐渐减慢.就是说,从月球被俘获的那一刻起,地球的自转就处在由高速向低速变化过程中,时至今日,经过5亿多年的演化,地球的自转周期已延长至现在的24小时.
地球自转速度减慢现象,已为天文观测所证实.二十世纪初,一些天文学家发现,太阳运动和其他行星运动有加速现象,经分析他们认识到,这是由于用作计时标准的地球自转速率逐渐减慢所致.另一方面,地球物理学家们通过地震波测定,地球内核的自转速度较地壳的自转速度要快.这从反面证明了,地球早期呈熔融状态时的自转速度,要比现在快得多.
地壳的板块运动就是从地球自转由高速向低速转变过程中开始的.那么,大陆的第一次漂移是怎样发生的呢?这还要从陆地和海洋的形成说起.
在地球形成之初,地表并没有液态水,因而也就无所谓陆地和海洋了,那时的地表全部由玄武岩所覆盖.陆地和海洋形成于4～5亿年前,是在熔融状态下的地表冷凝后,由大气中的水分子和尘埃颗粒沉降而形成.
5.8亿年前,在外来物质的撞击下,地表呈熔融状态,这时地球自转很快,在自转离心力的作用下,赤道带凸起形成了原始的陆基.随着热量的散失,地表逐渐冷凝,大气中的尘埃颗粒沉降于地面形成沉积岩层；而大气中的水分子沉降于地面后则形成液态水,之后汇流成了海洋.由于赤道带的地势较高,因而置于陆基以上的沉积岩层大都露出水面,于是形成了地球上最原始的陆地——泛大陆.可见,泛大陆形成之初是一块以赤道带为中心线,被海洋包围着的整体.
泛大陆形成以后,由于地球自转已进入减速期,地球自转离心力不断减小,因此,经过一段时间后,泛大陆开始从赤道线分裂,渐渐地在南北半球分裂成两块次级大陆,这就是冈瓦纳大陆和劳亚大陆.根据离心运动规律,这两块次级大陆将产生由赤道向两极漂移的运动趋势.又由于次级大陆的质量分布并不均匀,在运动过程中产生了许多断裂带,所以在向两极漂移过程中,次级大陆进一步分裂为我们现在所看到的各个洲级大陆.
次级大陆分裂原因,是由于洲级大陆质量不同造成的.我们知道,在陆基之下是呈流动状态的软流层物质,地球在自转减速过程中,大陆将产生一种惯性运动,质量大的陆块产生的惯性位移大,质量小的陆块产生的惯性位移相对就小.非洲大陆与美洲大陆就属于这种情形,在地球自转方向上,非洲大陆的惯性位移大于美洲大陆,因而两块洲极大陆发生了分离,在两块陆地之间出现了大西洋.
大陆的惯性漂移,必然在其交界处引起地壳破裂,于是出现了海底扩张,从而构成了全球六大板块的第一次运动.
大陆的分裂与漂移可以从地壳的岩石年龄予以证实.一般说来,原始的古大陆都是由沉积岩构成,所以大陆岩石的年龄不会早于5.8亿年.而在各次级大陆的分裂处,熔岩从地球内部溢出,所以形成了地球上最年轻的岩石.地质研究表明,大陆核心与其边缘存在着年龄差异,如欧洲大陆的核心是由6亿左右年前的前寒武纪地层构成,而它的最外缘镶嵌的陆地岩石只有几千万到几百万年的历史.近代深海钻探得到的资料显示,大洋底下的地壳非常薄,只有2—11千米,几乎全是由玄武岩覆盖,岩石的年龄不超过2亿年.
大陆的漂移依赖于地壳自身的惯性运动.从5.8亿年前至今,地球不仅自转角动量发生了变化,而且公转角动量也在发生着变化,表现为公转轨道半径增大,在径向方向上发生位移.正是由于这一运动效应,为大陆的第二次漂移提供了动力.
很早以前,人们就注意到这样一种现象,按面积计算,大陆只占地球表面积29%左右,而这么大面积的陆地在地球上却不是平均分配的,它们大部分集中在北半球,约占67%,南半球只占33%左右.地球上的陆地为什么会出现这种不均衡的分布现象呢?
下面我们就用地球公转角动量的变化,来解释这一现象的成因.我们知道,地球沿着椭圆形轨道绕太阳公转,太阳位于椭圆形轨道的一个焦点上.根据角动量传输原理,地球在公转运动过程中,将不断获得来自太阳的角动量,公转角动量不断增大,表现为公转轨道半径逐年增大.这一轨道半径增大效应主要发生在地球由近日点向远日点的运动过程之中,且在远日点径向位移达到最大值,而此时正是北半球的夏季,南半球的冬季.又由于地球的自转轴并不垂直于公转轨道平面,而是以66°33’角倾斜在轨道平面上,所以发生径向位移时,南半球始终位于径向加速运动的前方,北半球则始终位于径向加速运动的后方.地球在径向方向上发生加速运动,在其表面必然引起相应的惯性效应,于是出现了南半球的大陆向北半球运动的趋势,这就是大陆的第二次漂移.
显然,大陆第二次漂移的动力学效应与第一次漂移不同,第一次漂移是在减速运动作用下产生的惯性位移,而第二次漂移则是在的加速运动作用下产生的惯性位移.
如果说大陆的第一次漂移以地球的自转周期（日）为运动节律,在几亿年的时间里,地球自转的减速运动使泛大陆发生了分离,那么,大陆的第二次漂移则以地球的公转周期（年）为运动节律,它重新调整了大陆分离后的布局.打开世界地图观察可以发现,除南极洲以外,地球上所有陆地都簇拥在北冰洋外侧,呈放射状向南分布,这一结构布局就是大陆第二次漂移的运动结果.
地球在远日点上的径向加速运动,不仅使地表物质发生了运动,同时也改变了地球的形状.近年来,科学家们利用卫星等空间技术,从太空测量了地球的形状.观测数据表明,地球并不是过去人们所想象的那样两极扁平、赤道隆起的椭圆形球体,而是北半球瘦长,南半球矮胖,北极凸出,南极凹陷的球体.地球这一南凹北凸的形状,就是地球在远日点发生径向加速运动造成的.因为地球内部并不是一体的,在熔融的地幔物质中心包裹着高密度的地核,当地球发生径向位移时,地核与地幔物质的运动是不同步的.流动的地幔物质将首先涌向南半球,使其发胖,而地核的运动是滞后的,这一滞后运动使南极凹陷、北极隆起,形成了地球现在像梨子一样的形状.
从理论上讲,板块间的相对运动,必将引起相应的地质构造效应.在西太平洋海域,岛屿星罗棋布.其中不少群岛呈弧形弯曲,被称为弧形列岛或岛弧.日本、琉球、阿留申、千岛、马里亚诸岛,都是这种岛弧.这些弧形列岛一般都向大洋方向凸出,其靠大洋一侧是深度超过6000米的海沟.海沟与岛屿平行排列,形影相随,所以日本海沟、琉球海沟等也呈弧形弯曲.
科学家们经过大量的研究认为,岛弧和海沟的平行并存,是大洋地壳和大陆地壳相互碰撞时,大洋地壳倾没于大陆地壳之下的结果.如太平洋地壳,厚度小而密度大,所处的位置又相对较低,在海底扩张的作用下,与东亚大陆地壳相碰撞时,太平洋地壳便俯冲入东亚大陆地壳之下,从而使大洋一侧出现深度巨大的海沟；同时,大陆地壳的继续运动使它的前缘的表层沉积物质相互迭合到一起,形成了岛弧.由于这两种地壳的相对运动速度较大,所以碰撞后形成的海沟深度就大,而岛弧上峰岭的高度也大.因此,可以说岛弧和海沟是在同一种地壳运动中形成的,它们有着共同的成因.
正是由于大洋地壳与大陆地壳的相互碰撞,形成了板块间的破碎带,为地震和火山的活动提供了条件,所以岛弧海沟地区又是世界上地壳活动最活跃的地方.
通过分析岛弧的凸出方向,我们可以判断出大陆板块的运动方向.如日本、琉球、千岛、马里亚诸岛弧,凸出方向大致指向东南方,因而可以断定欧亚大陆板块在向东南方向漂移.欧亚大陆板块的这一运动方向基本符合大陆第一次漂移的理论预测.然而,用同样的方法分析阿留申岛弧时却出现了问题,因为阿留申岛弧的凸出方向指向正南方,与大陆第二次漂移的理论预测截然相反.不仅如此,世界主要地震带的分布状况,也显示出北半球的大陆具有向南漂移的运动趋势.由此看来,地球的板块移动还应该存在第三次漂移.
既然大陆的前两次漂移缘于地球的自身运动,那么,第三次漂移也不应该例外.研究表明,大陆板块的第三次漂移与地球极点的移动有关.
通常情况下,地球极点只是在小范围内发生移动,极移的振幅约为±0.4角秒,相当于在地面上一个12×12平方米,这种极移并不会引起大陆板块的移动.但是,在特定条件下,地球自转轴会发生大幅度摆动,待到地轴恢复到正常状态后,地球极点已离开了原来的位置,发生了长距离跨纬度位移.由于这种极移,改变了全球的地理坐标,所以导致了大陆的第三次漂移.
地轴大幅度摆动属于一种突发事件,它发生在北半球的夏至日前后,即地球处在远日点的位置上.地球极点最近的一次长距离位移,发生在1.2万年前,在此之前,地球的北极位于现在地理坐标的北纬50º、西经85º处,而南极则位于南纬50º、东经95º处.极点位置的移动,改变了全球的纬度分布,其结果是东半球所有区域的纬度普遍北移,西半球所有区域的纬度普遍南移.
由于地球存在着自转,不同纬度区的自转速度不同,因而所产生的离心力各异.在正常情况下,地球自转产生的离心力与地球引力是平衡的,所以地表物质处于相对静止状态.但是,当地球纬度重新分布后,这种平衡即被破坏了,地表物质在原纬度的离心力就会显现出来,这就是大陆第三次漂移的动力源.
1.2万年前,处在东半球的欧亚大陆,在纬度重新分布过程中,由低纬度区过渡到了高纬度区,因而在地球自转离心力的作用下,产生了向赤道方向的运动趋势,这就是欧亚大陆向南漂移的原因.加之大陆的第一次漂移因素,欧亚大陆总的运动趋势是向东南方向漂移.而与之相对应的是处在西半球的美洲大陆,在纬度的重新分布过程中,纬度普遍南移,因而产生的是向北的运动趋势.这种运动趋势与大陆的第二次漂移方向相同,两次漂移叠加在了一起,但我们还是可以通过中美洲的岛弧,找到第三次漂移的证据.
从全球大陆的分布状况和岛弧的结构特征来看,大陆板块第三次漂移的力学效应远远小于前两次漂移,但第三次漂移的运动节律却是快节奏的,它使全球板块在短时间内发生了剧烈的运动.发生在较近地质时期的地质构造活动,一般都与大陆的第三次漂移有关.
4～5亿年前,地球上诞生了陆地和海洋,在地球自转角动量变化产生的惯性效应作用下,原始的古大陆发生了分离；又经过了漫长的地质时期,在地球公转角动量变化产生的惯性效应作用下,地球上的大陆向北发生了迁移；最后,在极移产生的离心运动效应作用下,地球板块发生了第三次漂移.正是大陆的这三次漂移,给地球带来了沧海桑田的变迁.