板塊英雄傳 之三 海底真的在擴張!

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生不逢時韋格納

  命運乖舛的德國氣象學家韋格納在二十世紀初所提出的「大陸漂移說」,在當時學界普遍質疑與不屑一顧的情況下,隨著韋格納在1930年喪生格陵蘭冰原後,自此消聲匿跡數十年。大陸漂移說的致命傷之一就是只拿得出陸地上的證據,以當時的科技對洋底的情形可說是一無所知,因此那些被大洋分隔兩地的所謂證據之間究竟存在著什麼樣的關聯,實在是難以驗證,所以這個太過於前進的學說注定要隨著其主早逝。

  不過,就算韋格納如何堅信他的學說絕對可以面對更多證據的檢驗,相信他也不曾料想到日後地質及地球物理方面的相關研究,竟是如此曲折而複雜地支持了他的主要看法!這些相關的研究,包括了古地磁、地熱、地震、地質等各領域,每一項都提供了整個謎團的一部分謎底,當各種研究結果齊備,似乎一下子就刷新了地球科學界的理論基礎。如果韋格納活得夠長,他可以在有生之年親眼見到自己的想法被更多的證據所支持,他也將預見自己終將被人尊崇為「現代地球科學之父」,這不到半個世紀的巨大變化,真是地球科學發展史上極為重要且扣人心弦的一個里程碑。

  故事要從二次世界大戰開始說起...

  二次世界大戰期間,由於軍事的需要,對海底的探測技術開始陸續發展出來,而在戰後成了學界研究的利器。很快地,海底是平坦的古老觀念已被拋棄,中洋脊的發現震驚學界,洋底是人類探究未知世界的一塊新處女地,各種技術與相關研究有意無意地都派上了用場。

 

地球磁極真的在移動嗎?

  1950年代,對沈積岩的殘磁測定技術發展出來後,英國的地磁學家布萊克(P. M. S. Blackett)及龍肯(S. K. Runcorn)在全球各地量測陸上岩層中的殘磁偏角及磁傾角,以定出岩層沈積當時的磁極位置。他們發現各時代的岩層中所指出的磁極位置,與今日的磁極有相當大的差異,若將各時代的磁極位置連接起來可連成一條路徑,有人認為這是大陸曾經漂移的鐵證,但也有人認為這只是地球磁極位置移動的結果,一時之間莫衷一是。

  然而當資料愈來愈多時,有趣的事出現了:若將北美洲的北極移動路徑與歐洲的對照,可發現並未重合,而是分開的兩條相似路徑(圖3.1上),如果我們接受地球的磁場是偶極磁場,上述的現象就不可能代表地球過去曾有兩個北極平行移動,直到近代才重合在一起;更何況後來再陸續加上其他各地的磁極移動路徑(圖 3.1下),好像地球過去曾是有許多磁極似的!那該如何解釋這個現象呢?若我們把兩大陸的磁極移動路徑強迫重合,不難發現大西洋兩岸的大陸剛好可以拼合在一起!這些新一代的地磁學家馬上想到了福爾摩斯和他的理論,這個發現不正是暗示著大陸確實曾經漂移過而不是磁極在移動嗎!

圖3.1
圖3.1 從不同大陸所得的北極點
移動軌跡加以比較

 

更多的新發現

  在同一個時期的1950年代初期,英國劍橋大學地熱學先驅布拉得(E. C. Bullard)和同事成功設計出可在海裡測量地熱流的儀器後,終於可將過去20年來觀測陸地熱流值的工作擴展到海底。他們觀測到較薄的海洋地殼之熱流值並不遜於大陸地殼,因而推翻了以往認為地熱主要是來自於地殼的看法;但若地熱是來自於地函或地球內部更深處,則要單靠岩石對熱的傳導來形成地表的熱流量,則地函幾乎都會是高溫到熔融狀態,這又與震測的資料完全不相符。因此布拉得和同事主張地函的熱是以更有效的熱量傳播方式傳到地表,那就是對流。類似福爾摩斯當年被視為大膽的理論,現在則被拿出來認真評估了。

圖3.2
圖3.2 東太平洋隆起地磁強度異常分布圖

  50年代末,梅森(R. Mason)、瑞夫(A. Raff)、斐奎爾(V. Vacquier)與斯克利浦(Scripps)海洋研究所及加州大學的幾位學者所作的海底磁力調查研究,發現東北太平洋地區磁力異常呈現一種非常規則的排列,這些南北走向的磁力異常帶狀區域呈線形排列(圖3.2),這在海底的物理性質研究方面是一個很重要的里程碑。每個正向極性帶寬約20至30公里,與負向極性帶交互出現,磁性變化輻度約有數百伽瑪。這種有規則的線形排列在陸地上從來沒有發現過,顯然指出在海底必有某種特別的構造或機制才造成此一特殊現象,然而到底是什麼原因,則一時尚為無解。

待解的中洋脊之謎

圖3.3

  同一時期,美國哥倫比亞大學拉蒙特(Lamont-Doherty)地質觀測所的尤因(M. Ewing)、希生(B. Heezen)以及同事們,針對大西洋中洋脊作了詳細的調查,他們發現這個寬約一千公里的巨大海底山脈,有一個約二百公里寬的中央頂峰區,地形險峻、高低起伏超過一千公尺,在這個區域的中間是約十五公里寬的裂谷,他們把裂谷視為地殼的裂縫(圖3.3)。更進一步,他們發現中洋脊不只存在在大西洋中,而是綿延全球各大洋底,成為地球上最龐大、最壯觀的地形。值得注意的是,許多地震都發生在中洋脊的頂鋒區附近,震央根本就是順著中洋脊頂排列(圖3.4),這表示其下必定正進行著某些活動。

圖3.3 大西洋中洋脊剖面圖
圖3.4
圖3.4 沿大西洋中洋脊分布的震央
圖3.5
圖3.5 橫越東太平洋的地形與熱流的剖面圖

  熱流值的測量也證明了同一看法。斯克利浦海洋研究所對東太平洋的測量發現,沿著東太平洋隆起(即太平洋中洋脊)的熱流值特別高,竟是正常值的八倍之多;但兩翼的熱流值則銳減(圖3.5)。

  另一方面,由深海震測迴聲儀測量的結果,在東太平洋隆起下方的地函波速較平均值低得多,由於震波波速會隨著介質溫度而遞減,此現象也支持此區地熱值高的觀測結果。中洋脊峰頂區的異常高溫現象,是否可被解釋成此處為地函熱對流的上升之處呢?

 

海底擴張說的提出

  1960年代對地球科學界來說是個令人興奮異常的年代,許多對海洋地質的研究提出了嶄新的資料與觀點。

  1962年,美國普林斯頓大學的海斯(H. Hess)在他的論文《洋底盆地的歷史》(History of Ocean Basins)中提出了「海底擴張說」,他認為海洋地殼的組成並非一般的玄武岩,而是在震測資料表現上相倣的所謂「蛇紋岩化的橄欖岩」,也就是在500℃以下,由橄欖岩和水作用而成的蛇紋岩,簡言之,海洋地殼應是經地函物質經過部分熔融而變化生成的,而非僅是單純的海底火山噴發所形成。更進一步,海斯指出中洋脊是海底擴張的中心,新的海洋地殼在中洋脊形成並向兩側擴張而去,而經由海溝系統回到地函。

  這個根據不多的想法在當時是十分大膽的,連海斯自己都形容他的論文是一篇「地質詩話」(Geopoetry),不過倒是引發了很多進一步的研究。

  1963年,加拿大多倫多大學的威爾遜(J. Tuzo Wilson)以福爾摩斯的地函對流來解釋大陸漂移及海底擴張的現象。他認為現今的紅海加利福尼亞灣正是大陸塊中正在發育的裂谷,而大西洋則是裂谷擴大之後的成品,昇湧的地函對流在它們之下正不斷進行著撕裂的動作,日益擴大的裂谷湧入了對流帶上來的地函物質,此時地函物質原在地底承受的巨大壓力驟減,熔點隨之降低,因此多熔融為岩漿,噴出海底而形成中洋脊,也就是新的海洋地殼。

圖3.6
圖3.6 威爾遜認為大西洋中洋脊及大陸漂移是由地函內對流造成

  如此,新的海洋地殼持續在中洋脊的裂谷生成,而舊的海洋地殼即隨著地函熱對流向兩側擴張,也帶動了大陸的漂移。另一方面,當擴張前緣到了對流的沈降處時,海洋地殼即隨之沈降而形成海溝,較輕的大陸地殼則堆積褶皺成為山脈,南美洲安地斯山脈及其西側的海溝就是典型的代表(圖3.6)。

圖3.7
圖3.7 大西洋上群島的年齡,以島上最古老岩石的
   年齡表示之,括弧內的數字單位為百萬年

  威爾遜進一步提出證據。在對大西洋各火山島的定年分析,就發現其年代隨著與中洋脊距離之增加而愈老(圖3.7),若這是海底擴張的結果,則以這些火山島的年代估算,大西洋海底擴張的速度每年約2至6公分,倒推可得大西洋是在大約一億五千萬年前(相當於侏羅紀)開始分裂的,這與大陸漂移說根據陸地資料所推論的結果相當吻合!

  海斯威爾遜的想法意味著海底地殼是變動的,不時生、滅與移動。就整個地球歷史來看,洋底盆地是個年輕而生命短暫的現象,而似乎長久存在的大陸,則被動地因為海底擴張而漂移及聚攏。這種想法也解決了兩個困擾海洋學家的謎:一個是我們從未在海底找到過比中生代末期還老的沈積物或岩芯;另一是海底沈積物總是出奇的薄,一點也不像是自遠古以來堆積而成的。

「看」到了海底擴張

  困擾海洋學家已久的另一個謎也將被破解。1963年,英國劍橋大學的范恩(F. Vine)與馬修斯(D. Mattews)二人指出,海底擴張說可以解釋海洋地殼的磁力異常帶狀排列現象,而幾乎同時,加拿大地質調查所的摩爾利(L. Morley)及拉洛契利(Larochelle)也提出相同的看法。他們都認為只要在海洋地殼生成的歷史中,地球磁場曾經間歇地逆轉其極性,則當熱的地函物質對流湧上中洋脊,再冷卻到居里溫度(Curie temperature)時,就會被當時的磁場磁化,而將磁極方向記錄在火成岩中。當海底中洋脊不斷向兩側擴張時,這些記錄就像是一捲磁帶似地隨之拉出,而形成帶狀排列,我們就好像在這磁帶上「看」到了過去的海底歷史,一如在錄影帶上看到過去的影像一般。

  但問題是,地球磁極到底有沒有逆轉過呢?在陸地上早就量測到火成岩中有磁性倒轉的現象,且似乎與地質年代有關。1953至1954年日本學者最先提出,在去除一切可能的其他成因後,在全球的岩層中仍是一致地發現磁極倒轉的現象存在,因此主張這是因為地球的磁極本身曾經倒轉過。但當時有各種理論解釋此一現象,而地球磁場曾反覆逆轉其極性是一個最受爭議的看法,許多科學家都想找出這個看法以外的理論來解釋,因為在當時,就連地球磁場的來源都還在理論發展階段,磁極倒轉實在是太令人不可思議了。

  後來由於放射線同位素定年法的實用化,美國柯克斯(A. Cox)、杜爾(R. R. Doell)和道爾林普(G. B. Dalrymple)等人分析比對了全球各地的資料後,在1964年提出了數百萬年來的地磁倒轉年表(圖3.8),而澳洲麥道格(I. McDougall)及達林(D. H. Tarling)幾乎同時也發表了類似的資料,對於地球磁場曾經歷過多次極性倒轉的想法才漸漸為人所接受。依照海底擴張說的理論,將地磁倒轉年表與大西洋海底磁力異常帶比對,推算出的海底擴張速率與之前的其他推測再次吻合。

圖3.8
圖3.8 地史中的地磁倒轉年表
圖3.9
圖3.9 雷克雅未山脈的地磁異常剖面圖,剖面是垂直於此中洋脊,
A為中洋脊的軸                  

  1965年,在拉蒙特地質觀測所的建議下,美國海軍海洋署在冰島南部的雷克雅未山脈大西洋中洋脊的一部分)進行空中磁力調查,得到了幾組橫切中洋脊頂峰區的磁力異常剖面圖(圖3.9),呈現了平行於中洋脊且以頂峰為軸的驚人對稱現象,強力支持了范恩等人的假設。

  同一年范恩威爾遜以地磁倒轉年表製作假想中的擴張海底地磁異常剖面圖,發現若將擴張速率定為每年4.4公分時,則與東太平洋隆起實際的地磁異常剖面圖非常吻合(圖3.10);而在其他中洋脊地區,只要擴張速率定得合宜,也都可以得到吻合的結果。以上種種「吻合」實難以「巧合」一語帶過,海斯的大膽假設已然得到最堅實的證據支持。

  有趣的是,由於對海底沈積物殘磁的量測技術突破,1966年初奧代克(N. Opdyke)和一些拉蒙特地質觀測所的人員,成功測得南極海及北太平洋的標本,發現了地磁倒轉的忠實記錄。這些代表數百萬年以來連續的沈積物,其地磁紀錄恰可與地磁倒轉年表相比對(圖3.11)。來自海洋的證據也說明了地磁的確是不時在倒轉的,地磁倒轉年表現在有了海陸兩方面的證據,也因此更加堅定了海底擴張說的立論基礎。

圖3.10
圖3.10 東太平洋隆起觀測與計算的地磁異常剖面圖,
 上方的水平柱狀圖表示出地磁磁極的世
圖3.11
圖3.11 洋底沈積物的磁性地層

拍板定案

  1969年,由美國國家科學基金會贊助,加州大學斯克里普斯(Scripps)海洋研究所主持,拉蒙特地質觀測所、邁阿密大學羅森斯蒂爾(Rosenstiel)海洋與大氣研究所、伍茲霍爾海洋研究所及華盛頓大學共同參與的「聯合深海採樣計畫」(JOIDES,Joint Oceanographic Institutions Deep Earth Sampling),其子計畫「深海鑽探計畫」(DSDP, Deep Sea Drilling Project)的鑽探船「哥羅瑪挑戰號」(Glomar Challenger),在其第三航次的採樣中提出了海底擴張說及地磁倒轉年表的終極證據。此計畫先後在大西洋採了31個地點的標本,在太平洋採了53個地點的標本。採樣地點的整個沈積地層被貫穿,甚至沈積物下的玄武岩標本亦被取樣。分析得到下列重要結果:(1)所有地區的沈積物年齡皆與海底擴張說符合;(2)證實了地磁倒轉年表;(3)每個鑽孔的最古老沈積物,亦即接觸在基盤玄武岩之上者,其年代與鑽孔地點至中洋脊的距離成正比;(4)由沈積物推算得出海底擴張速率為每年2公分,恰與由地磁倒轉年表所推得的速率相同。

  至此,沒人會再說海底擴張和大陸漂移現象是癡人說夢;但另一方面,作為一個新興假說,海底擴張說理論本身當然還是有一些待解的問題存在。

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