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大陆漂移说

大陆漂移假说是解释地壳运动海陆分布、演变的学说。大陆彼此之间以及大陆相对于大洋盆地间的大规模水平运动,称大陆漂移。大陆漂移说认为,地球上所有大陆在中生代以前曾经是统一的巨大陆块,称之为泛大陆联合古陆,中生代开始分裂并漂移,逐渐达到现在的位置。大陆漂移的动力机制与地球自转的两种分力有关向西漂移的潮汐力和指向赤道离极力。较轻硅铝质的大陆块漂浮在较重的黏性硅镁层之上,由于潮汐力和离极力的作用使泛大陆破裂并与硅镁层分离,而向西、向赤道作大规模水平漂移,并且向附近移动的活动

1620年英国人弗兰西斯培根他提出了西半球曾经与欧洲和非洲连接的可能性。1668年法国R.P.F.普拉赛认为在大洪水以前美洲与地球的其他部分不是分开的。到19世纪末奥地利地质学家修斯(Eduard Suess,1831~1914)注意到南半球各大陆上的岩层非常一致,因而将它们拟合成一个单一大陆,称之为冈瓦纳古陆。1912年阿尔弗雷德魏格纳正式提出了大陆漂移学说,并在1915年发表的《海陆的起源》一书中作了论证。由于当时不能更好地解释漂移的机制问题,曾受到地球物理学家的反对。20世纪50年代中期至60年代随着古地磁地震学宇航观测的发展使一度沉寂的大陆漂移说获得了新生并为板块构造学的发展奠定了基础。

大陆存在及大陆破裂漂移的证据主要有

特别是巴西东端的直角突出部分与非洲西岸呈直角凹进的几内亚湾非常吻合。

北美洲非洲欧洲在地层岩石构造上遥相呼应。例如北美纽芬兰一带的褶皱山系与西北欧斯堪的纳维亚半岛的褶皱山系相对应都属于早古生代造山带非洲南端和南美阿根廷南部晚古生代构造方向岩石层序和所含化石相一致。

特别是大西洋两岸古生物群具有亲缘关系。如巴西和南非石炭二叠系的地层中均含一种生活在淡水或微咸水中的爬行类-中龙化石而迄今为止世界上其他地区都未曾发现。又如主要生长于寒冷气候条件下的舌羊齿植物化石广泛分布于非洲南美印度澳大利亚南极洲等诸大陆的石炭-二叠系中。而这些大陆所在的气候带却不相同。

在南美洲非洲中部和南部印度澳大利亚都发生过广泛的冰川作用。除南美洲和南极洲外都处于热带或温带地区。与此同时在北半球除印度以外的广大地区并未找到确切的晚古生代冰川遗迹相反却见到许多暖热气候的生物化石。这表明上列出现古冰川的诸大陆在当时曾相连接为一个统一的大陆。

为大陆漂移提供更直接的证据精确的大地测量的数据证实大陆仍在缓慢地持续水平运动古地磁的资料表明许多大陆块所处的位置并不代表它初始位置而是经过了或长或短的运移。

大陆漂移思想是一种活动论它的提出是对固定论的挑战并为板块构造学的建立和发展奠定了基础对地球科学的发展起了很大的推动作用。但大陆漂移的机制问题至今依然没有解决。

阿尔弗雷德魏格纳(1880~1930)在 1912 年一篇重要的学术论文中提出大陆漂移假说,并且在几年后(1915)出版的一部专著中加以发展和完善。人们几乎立刻就意识到了这个假说潜在的革命性质,因为它要求对地理学的全部基础进行重新修订。20 世纪 20~30 年代间,地理学家对大陆运动的观念进行了广泛的讨论,结果,反对意见几乎是同声一片。因此,魏格纳提出的地球漂移说长期以来处于理论革命阶段,直到 50 年代中期,不断发现的新证据才越来越对大陆可能运动的假说有利。但直到 20 世纪 60 年代,一场地球科学革命才真正发生。

历史分析表明,这场地球科学革命结束了长达半个世纪之久的理论革命状态外仅仅是因为人们勉强接受了一整套已处休眠状态或早先被摒弃的观念或理论。这场科学革命伴随着研究地球的新手段和传播知识的新技术的产生而产生。不仅许多地球科学家沿着非传统的路线思考,而且,有不少物理学家也投入了地球科学的研究之中,并做出了伟大的发现。因此,最终发生的地球科学革命并不仅仅是长期受到抵制的、作为传统观念的一次根本性转变的大陆漂移说的简单复活,而且还创立了新的板块构造理论来描述大陆的漂移。从某种意义上说,魏格纳的原始理论并未导致一场科学革命,但是,最终的科学革命确实体现了魏格纳理论中大陆运动这一中心思想和把地表分成两类地域(陆地和海底)的观念。

这场革命的一个最突出的特点就是,处在学科工作中的地理学家普遍意识到他们正在经历一场地球科学革命。许多科学家撰写文章或专论都强调了考察大陆和地球的思维方式所发生变化的革命性质;他们写出了标题醒目的著作,如《地球科学中的革命:从大陆漂移说到板块构造说》(哈拉姆1973)或《地球科学革命的严峻年代》(格伦1982)。强调革命性不仅是后来历史性或评论性文章和书籍的特点,也是地球科学革命年代中学术论文的特点。例如,《科学》杂志中的一篇颇具新意的学术论文(奥普代克 1966)的标题是“南海深海岩心的古磁研究”,它的副标题是“确定地球历史事件发生时间的革命方法”。1970 年,在讨论“新的一类错误”期间,JT威尔逊声称关于地磁逆转的发现构成了地球科学中的“革命”。在(国际科学联合会理事会的)“上地幔计划”(UMP)的最终报告(1972)中,“UMP实施期间提出的板块构造的统一概念”被说成是地球科学中的一场“革命”(舒利文 1974,343)。

20 世纪 70 年代发表的有关历史评述和总结性著作(主要由母语是英语的科学家著述)所体现的革命意识在某种程度上反映了这一事实;20 世纪 60 年代大陆漂移和板块构造说为人们所接受是与库恩1962 年出版的《科学革命的结构》产生的巨大影响分不开的。因此,阿兰考克斯(1973)、安东尼哈拉姆(1973)、乌苏拉马文(1973)和JT威尔逊(1973、1976)在讨论和评述大陆漂移理论的最新发展时都特别提到了库恩。这场科学革命还由于在其后的十几年间出现了一系列出色的历史著作而引人注目。这些著作有许多本身就是地球科学家撰写的,其中一些科学家亲自对这场革命做出了根本性的贡献。

作为对这段历史的考察结果,我们已经知道,弗兰西斯培根不是大陆运动观的创立者(马文 1973)。他仅是指出非洲和巴西西海岸之间有一种大致的吻合。几乎两个世纪之后的亚历山大冯洪堡也没有通过认识大西洋两边海岸线之间的相似,从而进一步提出两个大陆曾经是连在一起,以后才分开的。但是,1859 年,居住在巴黎的美国人安东尼奥斯尼德佩雷格里尼用法文写的名为《创世纪及其未解之谜》这本边缘书中,首次提出了原始大陆分裂和组成部分移动的思想。

有人还宣称,奥地利地质学家爱德华修斯是大陆漂移说的早期倡导者,正如马文(1973)所指出的,这个看法是完全错误的。但是修斯在 20 世纪初确实曾提出最初有两块古生代大陆,“亚特兰蒂斯”(位于北大西洋)和冈瓦纳大陆(在南大西洋)。他把后者命名为冈瓦纳,这是印度中部地区(巩德人居住地)。修斯像 19 世纪一些先驱一样,认为我们的大陆是更大的原始大陆的遗迹,其碎片已沉没到海底盆地。但他并没有提出原始大陆的分裂过程,因而也就没有建立我们今天所理解的大陆漂移思想(马文 1973,58)。

一个更能说明问题的例子是美国地质学家 FB泰勒。他在 1910 年发表了长篇论文,首次提出了一个具有内在逻辑性的、连贯一致的假说,这个假说包含了某种我们今天所理解的大陆漂移说的成份(哈拉姆 1973,3)。这个假说最早是在 1898 年出版的一本小册子中阐述的,但泰勒的理论主要是依据天文学,而不是地理学或地质学。他假设很久以前地球俘获了一颗彗星,它后来成了今天的月亮。这场天文学事件增大了地球的旋转速度,产生了更大的潮汐力,这两种作用的合力将大陆从极地拉开。在他 1910 的论文中以及后来的出版物中,泰勒用地质学证据(爱尔德雷季 1976,271)进一步完善了他的大陆运动的论点,但是这些没有引起地质学界的普遍重视(马文 1973,63-64)。1911 年,另一位美国人 HB贝克尔指出,存在一种由宇宙力包括太阳系行星摄动引起的大陆移动(同上,65)。当魏格纳出版他的著作时,他总结了许多前人的工作,有一段详细讨论了泰勒的贡献。但是魏格纳两次宣称他“仅仅是在漂移理论的基本轮廓已经形成时,才了解到泰勒所做的这些工作”(同上,8-10)。在这部著作的最后一版(1962 中,魏格纳在历史回顾部分中又加上了一些新的人名。他在这一版中写道:“我还在FB泰勒 1910 年的著作中发现了与我的理论非常相似的观点”。

地质学家和地球物理学家开始对大陆漂移假说进行认真的讨论是在 A魏格纳的著作出版以后。从所受的教育和个人职业看,魏格纳并不是一个地质学家,而是天文学家和气象学家(他的博士论文是天文学史方面的),魏格纳的学术生涯先是在马尔堡谋得了一个天文学和气象学的职位,后来在格兰兹获得了一个气象学和地球物理学教授的职务(1924~1930),在二、三十岁时,他一直在格陵兰进行气象考察。1930 年,在第三次探险时,他献出了生命。按照曾与魏格纳一起进行第一次考察的劳格科赫的说法,大陆漂移思想是魏格纳在观察海水中冰层的分解时形成的。但是魏格纳自己只是说,大约是在 1910 年的圣诞节期间,他突然被大西洋两边海岸极度的相似和吻合所震惊,而这一点启发他思考大陆横向运动的可能性。

很明显,魏格纳当时并没有认真地看待这一思想,反而认为“这是不可能的”而放弃了(魏格纳 1924,5;1962,1)。但他确实在第二年秋天开始建立他的大陆运动假说。他说他当时“相当偶然地”读到了“一篇描述非洲和巴西古生代地层动物相似性的文献摘要”(马文 1973,66)。在这篇摘要中,大西洋两岸远古动物化石的相同或相似被用来证明当时非常流行的、非洲和巴西之间存在陆桥的说法。例如,蛇很显然不能渡过浩瀚的大西洋。因此,在南大西洋两岸发现同样的或十分相似的蛇化石,就证明很久以前的南美洲和非洲之间存在一条陆路通道的可能性是相当大的。如果换一种相反的解释,即假设在这两个地区的大部分土地上存在极其相似但又是相对独立的生物进化过程,而这是完全不可能的。

魏格纳对化石的相似性的印象非常深刻,但他不同意这两块大陆曾由某种形式的陆桥或由现已沉没的大陆联结起来的假说。因为这些假设需要进一步对这些陆地或陆桥的沉没或崩解做出解释,而对于这些不存在任何科学证据。当然,大陆之间确有陆桥存在,如巴拿马地峡和曾存在过的白令地峡,但没有真正可靠的证据证明古代跨越南大西洋的陆桥。作为一种替代性的理论,魏格纳把他早年关于大陆漂移的可能性的思想重新发掘出来,并且按照他的说法,把原来纯粹是“幻想的和非实际的”、“没有任何地球科学意义的、只是一种拼图游戏似的奇思异想,上升有效的科学概念。魏格纳在 1912 年的一次地质学会议上,引用了各种支持证据,对他的假说作了进一步的发展,概括并总结了他的成果。他最初的两篇论文在当年的晚些时候发表。1915 年他发表了专题论文《大陆和海洋的起源》(Die Entstehung der kontinente und Ozeane)。魏格纳在这部著作中,详细罗列了他所发现的所有支持大陆漂移说的证据。该著作的修订本于 1920、1922 和 1929 年陆续出版,并被译成英文、法文、西班牙文和俄文。在译自 1922 年德文第三版的英译本(1924)中,魏格纳的表述“Die Verschiebung der kontinente”被准确地译为“大陆位移”,但很快就被普遍使用的术语“大陆漂移”所取代。

魏格纳将自己的论点建立在地质学和古生物学论据的基础上,而不仅仅是海岸的高度吻合,他着重强调大西洋两岸地质学的相似性。在他的著作的最后一版中,他引用了来自古气象学的证据。1924 年,他还与科本合作撰写了一部关于古气象学的专著,并由此推论地球的极地始终是在迁移的(要详细了解魏格纳关于地理学、地质学、生物学、古气象学、古生物学方面的论点和论据,请参阅哈兰1973 年出版的著作的第 2 章)。魏格纳认为,在中生代并一直延续到不太遥远的过去。曾存在过一个巨大的总陆地或原始大陆,他将其称为“庞哥”(Pangaea)。这块原始大陆后来破裂,庞哥碎片的分裂、位移,逐渐形成了我们今天所处的各大陆的格局。他认为,大陆漂移(或称运动、移动)的两个可能的原因是:月亮产生的潮汐力和“极地漂移”力(pohlflucht),即由于地球自转而产生的一种离心作用。但是,魏格纳懂得,大陆运动的起因这一难题的真正答案仍有待继续寻找。他在他的著作(1962,66)中写道,大陆漂移理论中的牛顿还没有出现。这话与当年居维叶、范托夫和其他一些人的心态是多么的相似。他承认,“漂移力这一难题的完整答案,可能需要很长时间才能找到”。现在看来,魏格纳最根本也是最富创造力的贡献在于,他首次提出大陆和海底是地表上的两个特殊的层壳,它们在岩石构成和海拔高度上彼此不同这样一个概念。在魏格纳所处的时代,大多数科学家认为,除了太平洋以外,各大洋都有一个硅铝层海底。魏格纳的基本思路后来为板块构造说所证实。

尽管魏格纳的大陆漂移理论长时间处于理论革命阶段,但这并不意味着他的思想没有引起注意或没有追随者。事实上,当时的情况远非如此!20 世纪 20 年代,国际科学界就此展开了一系列全球性的激烈论战。1922 年 4 月 16 日,在影响巨大的《自然》杂志(vol109,p200)上,发表了一篇未署名文章,对魏格纳著作的第二版(1920)进行了评论。这篇文章详细概括了魏格纳理论的基本观点,并希望这部著作的英文本能早日面世。“考虑到许多地质学家持强烈的反对意见”,文章的作者指出,如果魏格纳的理论最终被证实,将会发生一场与“哥白尼时代天文学观念的变革”相似的“思想革命’(P203)。一位名叫 O巴辛的人,在听了魏格纳的一次演讲后,在德国最重要的科学杂志《自然科学》(1921,219-220)上的一篇文章中写道,在柏林地理学会听过魏格纳演讲的人,“都绝对地被征服了”,魏格纳的理论得到了“普遍赞同”,尽管在随后的讨论中有过一些小心的反对意见和善意的警告。巴辛的结论是:“没有反对魏格纳的充分理由,但是,在理论得到毫无保留地接受以前,还必须找到更加坚实可靠的证据。”

20 世纪 20 年代有关大陆漂移的主要科学事件,是 1926 年由美国石油地质学家协会在俄克拉何马州的图尔萨召开的一次辩论会,会议论文集《大陆漂移理论:魏格纳关于陆地起源和运动的论文集》于 1928 年出版。出席那次辩论会的有魏格纳本人和 FB泰勒,其他 11 位与会者中,有 8 位美国人和 3 位欧洲人。会议主席,荷兰地质学家,马兰德石油公司副总裁 W格拉赫特为这本文集写了支持大陆漂移说的长篇序言和驳斥反对意见的后记。这两篇文章占据了该文集一半以上的篇幅。一些与会者(耶鲁大学的 CR郎格维尔、都柏林大学的 J乔里、德尔夫特大学的 GAF莫兰格拉夫、格拉斯哥大学的 JW格利高里、霍普金斯大学的小约瑟夫T辛格瓦尔德)对这个理论深表怀疑,但他们的态度是宽容的,而另一些人(斯坦福大学的贝莱威利斯、芝加哥大学的罗林T钱伯林、美国海岸和大地测量局的威廉玻维、霍普金斯大学的爱德华.贝利)则极力坚持他们提出的相反的地质学论据,并且故意用一种伪科学的和错误的方法为他们自己进行辩护,他们还以嘲讽的口吻宣称,他们的作法与魏格纳的思维方式和著述风格是完全一致的。从今天占优势的观点反过来看,这些批评中充满的仇视和恶意的情绪是耐人寻味的。很显然,魏格纳确实已经向地球科学和牢固的传统信仰的基础发起了正面攻击。

魏格纳假说在诸多方面招致反对。首先,它直接反对几乎所有地质学家和地理学家的传统思想。这些人从懂事时起受到的一直就是旧有理论的教育,这种理论认定大陆是静止的,地表是固定不动的。大陆漂移说则认为,陆地之间存在一种相对的横向运动。这个大胆的设想就像伽利略时代的哥白尼学说一样,在世人眼中是荒谬的“异端”。其次,新的假说认为,对于最肤浅的观察者来说,地球显然是刚性的,而事实并非如此。不过,魏格纳的假说也由此带来了新的问题,正如地球物理学家哈杰弗里斯等人很早就指出的,大陆漂移似乎需要巨大的、几乎无法想像的动力,它远远超过魏格纳本人提出的潮汐力和极地漂移力。争论的焦点似乎可以用形象的语言加以描绘:“脆弱的陆地之舟,航行在坚硬的海床上”(见格伦 1982,5),一般人都认为,这显然是不可能的。

在科学史上,对新理论的提出者往往进行怀有偏见的指责,试图将已开始的科学革命扼杀在萌芽状态,不幸是一种普遍现象。不仅魏格纳的方法受到攻击,而且因为他没有专业文凭,不是地质学家,而是一位德国气象学家,因此,他被拒绝参加地质学会议,耶鲁大学古生物学名誉教授查理舒克特(1982,140),把大陆漂移假说称为“德国理论”,而且,他以明显赞同的态度引用 P特迈(法国地质勘探局局长)的话说:魏格纳的理论仅仅是“一个漂亮的梦,一个伟大诗人的梦”,当人们试图拥抱它时,将发现“他得到的只是一堆泡沫和一缕清烟”。而且在舒克特看来,“魏格纳的归纳太轻率了,根本不考虑地质学的全部历史”(p139),他只是一个局外人,一个在古生物或地质学领域中没有做过任何实际工作的人。舒克特断定:“一个门外汉把他掌握的事实从一个学科移植到另一个学科,显然不会获得正确的结果”。

魏格纳被拒绝-至少部分是因为他不是地质学“俱乐部”的成员,这一点已经被文献所证实。哈杰弗里斯在攻击魏格纳的理论、证据和科学方法时,宣称“魏格纳基本上是个气象学家”。1944 年,切斯特R郎格维尔在《美国科学杂志》(vol242,p229)上的一篇文章中虚伪地指出:“仁爱的评论家们指出,‘魏格纳的前后不一致和种种疏忽’可以得到宽容,因为他不是地质学家”。更有甚者,直到 1978 年,乔治伽罗德辛普森(1978,272)还一再重复他早年的观点,认为“魏格纳的大部分古生物和生物学依据,要么是歧义的,要么是完全错误的”。他指责魏格纳(这个“德国气象学家”)竟然敢涉足他“没有第一手知识”的领域。

20 世纪 30~40 年代,大多数地质学家都赞同杰弗里斯在其颇有影响的著作《地球》第 3 版(1952)中所表述的观点:“30 年代为大陆漂移说进行的辩护,没有产生经得起检验的理论”。保守的地质学家和古生物学家甚至把大陆漂移的观点用作课堂上“解闷的笑料”。哈佛大学古生物学教授帕西E雷蒙德告诉他的学生,泥盆纪的瓣鳃纲斧足动物有一半在美国发现而另一半在爱尔兰发现。这两部分“吻合的相当好”,因而肯定是“同一瓣鳃纲斧动物的两半,这是被魏格纳的假说将其在更新世一分为二的”(马文1973,106)。

然而,支持魏格纳的也大有人在。哈佛大学的雷金纳德A戴利赞同大陆漂移的基本思想,尽管他不是严格的魏格纳派,而且他本人有一次也说过魏格纳是“一个德国气象学家”。戴利提出了他自己的大陆运动学说,现在看来这一学说已经有些“接近现行的板块构造模型之门了”(马文 1973,99)。在他那本《我们这颗运动的地球》(1926)一书的扉页上,戴利写下了“Eppur si Muove”-这是伽利略在被迫放弃他一直信仰的哥白尼的地动说时所说过的一句辩解的话。(“Eppur si Muove”意思是“地球仍在运动”)。

杜托依特把反对魏格纳假说的原因归结为两个因素:一是缺乏令人满意的产生漂移的力学机制;二是“顽固的保守主义”,他认为后者是整个地质学史中的一个特点。然而,杜托依特十分清楚,接受大陆漂移说意味着要“重修我们全部的教科书,不仅是地质学的,而且还包括古地理学、古气象学和地球物理学的教科书”(P5)。他说,毫无疑问,“漂移说体现了一个伟大而又根本的真理”,而泰勒和魏格纳提出了一个“革命性”的假说(pVii)。

杜托依特并不是唯一将魏格纳的理论看作是“革命性”的人。1921 年《自然科学》杂志上的撰文者、1922 年《自然》杂志上未署名的评论者、1922 年 FE维斯、1926 年凡德格拉赫特以及其他一些朋友和敌手,都使用过这一术语。戴利(1926,260)把大陆漂移理论说成是“新的令人惊异的解释”,许多地质学家认为它过于离奇,甚至是惊人的,是一个“革命性的观念”。菲利普赖克也暗示过魏格纳观点的新奇性和革命性,他曾指出,“陆地运动对于我们来说,犹如地球运动对于我们的祖先一样不可思议”(1922,338)。在《地质学杂志》1928 年发表的一篇评述《图尔萨论文集》的文章中,赖克明确地使用了魏格纳的“革命性理论”这样的用语。

魏格纳自己十分清楚,他的新观念具有潜在的革命性。1911 年,也就是在他公开发表他的新观点的前一年,魏格纳写信给他的同行、教师 W科本。他写道,为什么我们“犹豫不决,不愿放弃旧观点?”“为什么人们极力阻止新的观念达十年甚至三十年之久?也许就因为它是革命性的?”接着他为他的反问附上了大胆而又简单的答案:“我认为旧观念的寿命不会超过十年了!”

由于大陆漂移说的革命性质,必须有比通常更为有力的证据才能使得这一理论获得科学家共同的支持。要使任何根本性的或彻底的变革为科学界所接受,要么必须有无懈可击或无可辩驳的证据,要么必须有超过一切现有理论的明显的优越性。显然,在本世纪 20~30 年代,魏格纳的理论尚不具备上述两个条件。事实上,直到 50 年代以后才找到了这种“无懈可击”的证据。而且,接受魏格纳的观点就意味着必须对全部的地质科学进行彻底的重构。显然,在缺乏无可辩驳的证据的情况下,人们当然不愿意这样做。芝加哥大学地质学家 RT钱伯林在 1926 年美国石油地质学家协会会议论文集中写道,在美国地质学会 1922 年召开的一次会议上,他曾经听到这样的说法:“如果我们接受魏格纳的假说,我们就必须忘掉过去七十年中的全部知识并且一切从头开始。”现在看来,这种说法是完全正确的。我们应当注意到,钱伯林的话在四十年后又在不同的意义上被重新提了出来。1968 年,图佐威尔逊(1968a,22)在一部著作中写道:“既然地球确实是以缓慢的方式运动着的活跃的天体,而我们非要把它看作是基本上静止不动的,那么我们就必须彻底修改我们以往的全部理论和全部教科书,从全新的观念开始,建立一门全新的科学。”

哈拉姆(1973,110)在试图解释为什么魏格纳没有为大陆漂移说提供令人满意的力学机制-这普遍被认为是“接受魏格纳假说的最大障碍”时指出“引力理论、地磁学和电学在得到满意的解释以前很长一段时间就为人们普遍接受了。”他又说,在地质学中,尽管对“潜在原因”没有得到共识,但这并没有妨碍“前冰川时期存在”这一假说为人们普遍接受。然而,JT威尔逊(1964,4)争辩说,“人们在满意地解释某种现象(如地磁场)或过程(如暴风雨)之前,并不总是乐于承认这些现象或过程的存在的。”关于这一点,应当进一步作些说明。R劳丹明智地指出,大陆漂移的“力学机制”问题与“引力理论、地磁学和电学”或“暴风雨的存在”有很大的不同。在大陆漂移说中,问题“并不仅仅在于缺乏力学机制或原因”,(劳丹 1978-2;古廷 1980,288)而是“全部可以想像得出力学机制都严重地冲击着物理学的理论。”而且,已经建立了有关地球及其内部自然现象的理论且为人们广为接受,它们能够完善而合理地解释大部分已经观察到的现象。

SK郎肯(1980,193)通过研究发现,尽管在 50 年代或更早的时候,“人们普遍认为,缺乏力学机制是大陆漂移说的地质学或古生物学证据被接受的主要障碍,”然而在今天,“板块构造理论却在没有普遍认可的物理学机制的情况下被人们接受了。”他在 1980 年前后指出,“板块运动的力学本质问题,”是“当代地球物理学家们面临的最重要的挑战。”

魏格纳 100 年前提出的大陆漂移学被认为是与达尔文的生物进化论、爱因斯坦的相对论、以及宇宙大爆炸理论和量子论并列的百年以来最伟大的科学进展之一 [2] 。但这个驱动大陆漂移的动力源是什么,一直困扰着全世界的地质学家。魏格纳当时给出的力源是:向赤道的离极力;因地球自转产生向西的力;重力均衡产生的垂直向上的力。这些力后来被证明是不可能的驱动大陆板块漂移的 [1] 。因此大陆漂移学说被否认,形成了所谓的海底扩张说和板块构造说。

可以说现代大地构造学说的发展历程是三部曲:“大陆漂移说-海底扩张说-板块构造说”,三个学说都是基于大陆漂移学说提出的“大陆块漂浮在较重的粘性大洋软流圈上”这一基本出发点 [2] 。形象地比喻:“就好像很多轮船(大陆板块)漂浮在大洋上(大洋软流圈)”。它们的关键不同点是:大陆漂移说认为轮船能够自己行走,海水是不动的;而海底扩张说和板块构造说认为轮船是自己不会行走的,是依靠海水流动(动力源是地幔对流)带动轮船行走。大陆漂移说之所以遭到后来者的抛弃就是因为其提出的驱动轮船行走的动力机制是错误的。魏格纳也因此遭到无情抛弃,孤独地客逝在寻找这个力源的野外考察中。

那么这个驱动大陆漂移的力到底是什么呢?地球物理学家经过潜心钻研,给出了与实际完全吻合的模型:简单地说就是板块运移划开洋壳引起岩浆上涌,在陆块后面冒泡,巨大的岩浆热动力推着板块往前。该模型说明大陆板块在大洋中是通过热力驱动的,就好比大陆板块自带了一个螺旋桨,靠自身漂移过程产生的热力前后的不平衡而驱动前行 [3] 。该研究支持了魏格纳大陆漂移学说的主要内容,补充了其中关于源动力的问题。

普通大众要证明这个模型是否正确存在很多难题,比如无法制备岩浆等。但任何人都可以在家做个类比试验来证明:只要存在热力的不平衡就有可能产生运动。我们的冰箱都可以造冰块,要求冰块一头大一头小,把冰块轻轻放进一个装满水的大碗里,看看是不是会自己漂移动起来?答案是肯定的。

现在看来,由于我们亲眼目睹了这场革命的全过程,因而很容易发现,把理论革命与现行革命两个阶段区分开来的是两个根本性的突破。第一个突破是,积累了大量新的、令人信服的表明大陆和海底确实存在着相对运动的证据。这些证据比海岸线的吻合、甚至比大洋两岸地质学和生态学的符合、以及植物和动物化石的相似要优越许多许多;第二个突破是,理论的根本性的重构,致使基本观念发生了重大变革,并由此产生了这样一个问题:这场最终完成了的革命是否可以公正地看作就是那场企求了近半个世纪而一直没有成功的革命?这一情形与所谓的哥白尼革命有许多相似之处。这场在伽利略和开普勒的推动下,最后由牛顿完成的革命,仅仅保留了哥白尼最一般的天文学观念,即地球运动而太阳静止的观念,而摒弃了哥白尼宇宙学的基本特征。同样,地球科学革命仅仅保留了魏格纳的最一般的思想,即大陆之间可以有相互运动,而放弃了魏格纳理论的基本特征-由硅组成的大陆单独或分开在海洋地壳上运动,而海洋地壳密度更大的壳层则固定不动。

目前的最新观点是这样的:覆盖在地球表面的巨大板块在运动着,其中有的板块会带动大陆或部分大陆和海底一道运动。因此,整块大陆运动的理论被另一种不同的理论所取代。新的理论指出,陆地运动不过是地壳内部剧烈运动的表观现象。在这种因果联系过程中,魏格纳假说中列举的“极地漂移力”和“潮汐力”变得毫无意义了。

50 年代的新证据首先来自古磁学和地磁学的研究。古磁学研究的是“残留花”岩石中的磁性,即研究残留在固化的熔岩样品中的磁性。这种磁性由于地球磁场的影响而留在含有氧化铁的岩石中。伦敦的 PMS布莱克特和剑桥大学的 SK郎肯以及其他人所作的研究表明,地球的磁场从来不是恒定的而是变化的,甚至还经历过南北倒置。其变化的方式与时间有密切的关系,而这种关系是可以确定的(这些研究因高灵敏度的地磁仪的出现而成为可能,布莱克特就是这种仪器的主要发明人)。当仔细描绘出磁极位置移动的路径后,会从中发现磁极的移动和变化情况各个地域彼此不同,这表明每块陆地各自在独立地运动着。相关证据还揭示出地球南部各陆地聚集在南极地区形成一个原始大陆-冈瓦纳大陆的时间,因此,这些组成部分说明我在的各个大陆肯定存在着某种横向运动(见麦肯奇 1977,114-117)。

沿着这条研究线索所获得的第一批成果,地球科学界没有立即接受大陆移动的存在;无疑,关于地球磁场演化史的细节尚有太多的没有解决的难题。而关于磁机制的见解“过于复杂深奥,其中还存有许多未经检验的假说”(麦肯奇 1977,116)。但是,主要是在地球物理学家中对此产生了极大的兴趣。1956 年,地学一本以大陆漂移为主题的论文集出版了,澳大利亚国立大学的 E埃尔温对过去几年的磁机制研究作了回顾与评述,最后他总结道:“各种证据对此后的结果,倾向于对地球磁轴相对于地球本身发生过位置变化的观念以及各大陆相互之间有‘漂移’运动的观念有利”(埃尔温 1953;1958,见马文 1973,150-152)。

推动魏格纳的基本思想(而非魏格纳理论本身)复兴的第二条研究线索是关于海底山脉的研究。海洋和内陆湖泊大约覆盖了地球表面的 70-。由于关于海底的特征与本质的知识在本世纪 30~40 年代还相当粗浅,因此,我们容易理解为什么战前关于大陆漂移的争论最终没有定论(哈拉姆 1973,37)。然而,有关大西洋底的地形图早已存在,1916 年,泰勒就曾指出,大西洋两边的陆地好像是从海底山脉两侧慢慢升起的。魏格纳本人也通过密度、磁性、成份等方面的分析,指出海底是玄武岩构成的,但没有人对此予以注意。我们关于大陆运动的直接线索来自对海底世界的研究。在国际地球物理年(1957~1958)期间,在测量地球引力和相关地震-引力数据方面,已经有了全新的技术。地球物理学家找到了测定通过海底的热流速率的方法,这些研究的一般结论是:巨大的海洋壳层岩石块确实能够“相互之间明显地移动一大段距离”(哈拉姆 1973,52)。这些研究成果与来自磁机制研究获得的发现不谋而合,都强有力地支持大陆之间经历了相互运动的观点。到这时为止,大陆漂移理论才正式由于板块构造说的广泛被接受而得以完善。板块构造说是一个结构系统,按照这种学说,地壳像“大板块的拼图,用形象的比喻就如巨大的大块浮冰或铺路石。”这些板块独立地运动着,边缘与别的板块碰撞则会发生变形。马文特别强调说:“运动的板块不像魏格纳所设想的那样是大陆,也不是整块的海底壳层”(1973,165)。既然每一板块既包括陆地部分也包括海底部分,那么板块的运动和魏格纳大陆运动的概念,便相去甚远了。因此,由于最初的“大陆漂移”术语,含有整块大陆运动的意味,它不再是严格精确的了(哈拉姆 1973,74)。1968 年,人们提出六大板块和十二个小板块覆盖地球的观点。从那时起,有关板块构造学说的理论细节越来越充实了。

为了完满地解释地壳的不稳定性和可变性,板块构造理论还必须与“海底扩张说”结合起来。海底扩张说是普林斯顿大学的哈里赫斯于 1960 年首次提出来的。该学说描述的是纵贯主要大洋海丘两侧的海底部分持续受到挤压的过程。赫斯最初是在 1960 年撰写的一篇手稿中阐述这个观点的,而该手稿作为一本书中的一章直到 1962 年才正式出版。由于这个观点极为新颖、奇特,以致于赫斯把书中的这一章看作是“一篇地球散文诗”。赫斯指出,逐渐降到海底的巨大海丘是地壳下地幔内熔融物质上涌的出口。这种物质同样沿着海丘的两侧流淌、冷却、固化,最后变成地壳的一部分覆盖在原来的地壳之上。当海丘两侧的地壳以这种方式积累增长时,这种物质(巨大的板块)就会横向离开海丘。既然地球不可能增大,这个板块在增长过程中也不会简单地扩张,那么在远离海丘之外,必定会有一处板块发生分裂。换言之,板块离海丘最远处的边界被挤到另一个板块底下,并最终进入地幔中。这时,板块边缘的水分全部被挤压出来,而板块进入地幔的部分又重新变成了熔融状。这个过程同某种对流“传送带”联系在一起,即从海丘的地幔中带出物质,然后把它传送出去,这些物质最终在远处的海沟附近又再次回到地幔中。

于是,大西洋底便产生了一股巨大的、持续的压力,它把载有南美洲和非洲的两大板块推离大西洋中的海丘。大约在 1.8 亿年以前,南美洲和非洲是连在一起的,这就是冈瓦纳大陆。两块大陆的分裂线与导致海底扩张的,并且仍很活跃的大西洋底海丘线十分吻合。每当发生地震时,这条海丘线便清楚地显现出来,它与南美洲和非洲的大西洋海岸线的距离大致上是相等的。

赫斯进而提出了海底扩张说的合理推论。他认为,由于海底扩张效应,海底壳层不断地在大陆一边创生,而同时又在大陆的另一边消失(麦肯奇 1977,117)。这个观点通常被看成板块构造说进一步发展的主要内容,也是我们理解大陆漂移理论的主要基础。大西洋地壳层从海丘移出的速度大约是每年四厘米。按照这个速度推算,大西洋海底壳层从海丘全部移出,也就是移动整个大西洋宽度的距离所需的时间为两亿年。这个数字立即可以用来解释许多未知的奥秘。例如,海底钻孔找到的化石标本都未超过两亿年(中生代前后)。而从陆地上挖掘出的海生化石研究表明,这些海生生物都可追溯到二十亿年以前。再如,假设海床的年龄与大陆同样古老,那么按正常的沉积速度,海床上应当产生很厚的沉积层,但钻探分析表明,海床上的沉积物很少。简而言之,在海洋存在的几十亿年中(乌耶达 1978,63),海底并不是永恒的,而是在不断地变化,不断地运动。

如果把赫斯的观点同板块构造说的一般思想结合起来,就可以满意地解释另一个现象或过程;板块边缘新物质的增加,并不使板块的面积增大。由于压力作用,板块在不断地缩小。这一点在两个板块的碰撞处山脉的形成和山脉的更替中,表现得非常明显。

哈里赫斯在阐述他的海底扩张说时,很清楚他的理论“与大陆漂移说并不完全相同”(1962,617)。按照大陆漂移说的思想,“大陆……受某种未知力的驱动,在海底壳层上漂移”,但他的理论的基本思想是,大陆“被动地浮在地幔之上,当地幔物质从海底海丘上流出时,大陆便横向移动开来。”

前面曾谈到,一般人都认为:最初解释是正确的,那么在海丘两侧就应该有对称的条状磁化区域。这项验证性实验是剑桥大学当时的研究生 FJ维恩和他的导师 PH马修斯提出的。实地测量很快证实,条状磁化区域确有预期的那种对称性。

按照这一理论,当炽热的熔融物质沿海底海丘流淌并固化时,它便感应了当时的地磁场。既然新的物质把它从海丘上推开,它仍将保持冷却时所感应的磁性。因此,每一条前后相继固化的物质带应该有记录形成日期的磁性标志,而海丘两侧同时对称形成的物质带也因此具有相同的磁性方向。1963 年,维恩和马修斯在《自然》杂志上发表了这一重要假说,这个假说翌年就通过了实验(实测)检验。事实上,地球磁场演化的历史不仅表现出一些微小的变化,而且在已知的年代中还经历过南北逆转。所有这些,都是在实测和研究海底海丘两侧的条状磁化带过程中发现的。

虽然这个假说今天听起来非常具有逻辑性,一点也不令人惊奇,但在当时看来却是异常激进而大胆的。维恩回忆说,当他第一次把他的观点告诉剑桥大学地球物理学家莫里斯希尔时,尽管希尔“很有礼貌的一声不吭,只是看着我并且谈些别的事情,但他一定在想我今天疯了”(格伦 1982,279)。维恩还把他的假说告诉了爱德华布拉德爵士,即使布拉德爵士“这有点大胆猜测的味道”,但他却对此持“非常积极的鼓励和赞赏的态度”。维恩“非常渴望能和特迪(爱德华的爱称)布拉德共同发表这个观点,”因为他觉得他们俩的名字并列在一起,“布拉德和维恩看起来很了不起”。但特迪非常直率地拒绝了,他不想让他的名字出现在这篇论文上。布拉德是地球物理学界一位著名的革新家,他对地球热流理论作出过重要的贡献。他善于接受新思想,“以极大的热情接受了这个假说并以高度赞赏的态度四处传扬”。他只是不愿意在一开始就接受维恩的请求成为合作者(p358)。

维恩和马休斯提出的假说(加拿大的劳伦斯莫雷也曾独立地提出过,详情见 1982,271)“堪与本世纪地球科学中的任何成就相媲美”(p271)。它不但能确定无疑地证实赫斯的海底扩张说,而且还能推算出扩张的速度。推算方法是基于一种独立的、由地磁场倒置所标定的精确的时间尺度。看来,人们普遍赞同这样的看法:维恩-马休斯-莫雷假说的确证,触发了地球科学的“革命”。在这些突破性成就的基础上,下一步要做的工作便是:“建立全球构造的新理论,重构地球知识的新体系”(哈拉姆 1973,67)。

凡是研究过地球科学发展史的人(如上述舒利文 1974,特别是格伦 1982)都会认识到,要最终完成这样一场革命,还有多少重要的工作有待完成。在前面的论述中,我只是介绍了几位最著名人物的杰出贡献。关于爱德华布拉德、图佐威尔逊、莫里斯欧文以及其他一些科学家的重要工作,我几乎没有提及。长期以来,许多著名的地球物理学家不但拒绝接受板块构造理论,也拒绝接受海底扩张说的基本思想。被《自然》杂志誉为“苏联最伟大的地球物理学家”的弗拉基米尔贝洛索夫1970 年宣称:“海底扩张说没有一个方面能经得住批评”(舒利文 1974,IOS)。12 年后的 1982 年 12 月,年届 91 岁高龄的哈罗尔德杰弗里斯爵士在《皇家天文学会地球物理杂志》(vol71,555~556)上发表文章,仍然以不屑一顾的口吻,把“海底板块的错动”比作“用黄油做的刀切黄油”。60 年来,杰弗里斯一直是反对大陆漂移说的主要代表人物。

地球科学界的保守主义除了托依特提到的之外,在权威性的《科学家传记辞典》1976 年版中也得到了印证。在该辞典中,魏格纳的条目(vol14,214~217)是澳大利亚悉尼大学的 KE布伦撰写的。他在这篇文章的结论部分,不大情愿地提到了倾向于支持魏格纳观点的证据(来自古磁学和海底壳层研究)。但紧接着,他罗列了一大堆“反对大陆漂移说”的新旧批评意见。布伦写道:当“该理论的创立者们就这些批评意见作出答复后,这些答复也受到了质疑”(p216)。1976 年,也就是哈拉姆和马文的历史研究著作(二者都宣称地球科学革命已经取得了成功并分析了它的结构)出版三年后,当时这篇最新的魏格纳传记的最后结论是:“大多数地球科学家的热情,甚至是宗教式的狂热,促使他们相信大陆漂移理论已建立起来了”(p217)。

布伦使用“宗教式的狂热”这种说法,是因为 60 年代观念变化时期所使用的语言带有很强的宗教隐喻色彩,在涉及到转变问题时更是如此。库恩通过研究发现,这一点是科学革命过程中相当普遍的特点之一。图佐威尔逊的经历便是一个典型的例子。威尔逊在 1959 年还是大陆漂移说的主要反对者之一。但没过几年,他的观念发生了转变,并自称是“改造了的反大陆漂移说者”(见威尔逊 1966,3~9,谈及了他的转变过程)。后来,他不仅提出了一些支持大陆漂移说的重要的地质学证据,而且还成为地球科学革命的主要先驱之一。1963 年,国际地质学和地球物理学联合会第 13 次会议在美国伯克利举行。在会后出版的关于“上地幔计划”的文集中,威尔逊发表文章勇敢地宣布:“地球科学中已经在孕育一场伟大的科学革命”(塔克奇 1970,244)。他说,地球科学的情境正同“哥白尼和伽利略的观念被接受前天文学的情境;分子和原子概念引入以前化学的情境;进化论建立之前生物学的情境;量子力学诞生前物理学的情境”一样。

60 年代末 70 年代初,出现了大量关于大陆漂移说。古磁学和地磁学的论文集。1968 年 4 月,美国哲学学会年会文集便是其中之一,其标题为《重游冈瓦纳大陆:大陆漂移说的新证据》。该文集收录了这样一篇文章:《静止还是运动的地球:当前的科学革命》。文章作者威尔逊(1968,309;317)宣称:“我们这个时代发生的这场伟大的科学革命应当称作魏格纳革命”,以纪念这场革命的“主要倡导者”。地球科学家们一般都赞同威尔逊的意见,认为确实存在一场科学革命,作为首先提出大陆漂移说的关键人物魏格纳理应获得这一殊荣。可是,历史上以个人名义命名革命的荣誉曾经赋予给哥白尼、伽利略、牛顿、拉瓦锡、达尔文和爱因斯坦,但至今仍未赋予魏格纳。

正如我们已经看到的那样,许多文献的作者把魏格纳开创的科学革命比作哥白尼革命。二者有一点是极为相似的:地球科学中最后的革命与魏格纳最初的假说已相去甚远,而开普勒、伽利略和牛顿最终建立起的体系中,与哥白尼的理论一样大相径庭。正如天文学革命直到哥白尼的著作 1543 年发表半个多世纪后才最终到来一样,地球科学革命也是在魏格纳最初的论文与著作发表 50 年后才得以发生。最终发生的所谓哥白尼革命,实际上是牛顿革命,这场革命主要基于伽利略、开普勒的成就,而作为这场革命基础的“哥白尼体系”最终成为了开普勒体系。与此相似的是,本世纪 60 年代发生的地球科学革命并没有体现魏格纳的理论,而只是体现了其学说所蕴含的基本思想,即在地球的全部演化史中,大陆并非一直固定在其所处的位置上,在历史上的某个时期,它们曾聚集在地球的两极。魏格纳的主要贡献是首次提出了大陆运动的思想,它在地球科学革命中的地位正如哥白尼的主要贡献-指出可以按照地球运动而非静止的观念构造一个新的宇宙体系-在天文学革命中的地位一样。

地球科学从固定观到运动观,特别是向大陆漂移说和板块构造说的飞跃,根据【主要证据章】提出的四项主要的检验标准,无疑是一场革命。首先,传统地质学观念发生的这种变化在当时就被许多观察家包括这一领域的实际工作者看作是一场革命。我认为,这是发生科学革命的主要标志;其次,考察 1912 年以前和 1970 年以后的地球科学的内容表明,量的变化也足以构成一场科学革命;第三,严肃的科学史家们也断言;地质学思维方式的变革足以引发一场科学革命。很明显,这有点主观臆断的意味,但它确证了参与这场革命的地质学家和地球物理学家的结论。我们已经看到,在成功的地球科学革命发生以前很久(即理论科学革命阶段以前),很多地质学家甚至那些魏格纳学说的反对者们都意识到了大陆漂移说的革命性,并且完全懂得如果接受了这种观点,对全部的传统地质学理论来说将意味着什么;第四,当今地质学家们普遍认为,他们的学科已经发生了一场革命。

但是,这场革命的程度如何?它能称得上是一场堪与达尔文革命、量子力学革命和相对论革命或是牛顿革命相比的重要的科学革命吗?或者是规格稍逊一筹的,与化学革命类似的革命吗?我们已经看到,乔治G辛普森把它称为“一场重要的亚革命(Sub-revolution)”。DP麦肯奇(1977,120~121)在一篇文章《论板块构造说与地质学理稻‘进化”的关系》的中,把“板块构造说对地球科学的冲击”与“DNA 结构的发现对生物学的冲击”作了对比。他的结论是:“板块构造说与导致分子生物学创立的那些发现相比,是一场不太具备根本性质的革命”,正是由于这个原因,“这一新思想……已经被地质科学所同化并迅速地加以发展。”但对任何局外人来说,如果了解到我们关于地球演化史观念发生的根本性变化,必然会感到观念的飞跃是如此巨大,简直就是一场伟大的革命。只是由于完全缺少意识形态成份,这场革命才显得不那么壮观。

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