板塊英雄傳 之四 板塊學說統一地球

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海底擴張說仍有所不足 

  海底的地磁異常記錄有一個很顯著的特徵,那就是它們常沿著垂直中洋脊軸線方向的破裂帶錯開一段很長的距離,從數百公里到上千公里不等(參見圖3.2),表示海底地殼沿著中洋脊破碎帶作大規模的錯動,這是怎麼回事呢?

  1965年,在海底擴張說的證據不斷出現的同時,威爾遜轉而研究這個現象,他並不認為這是一般的平移斷層,而是由中洋脊擴張自然造成的「轉形斷層」(Transform Fault)。他認為如果中洋脊之側翼正在擴張,則在破裂帶兩側的鄰近地塊,在中洋脊被錯開的二點間,由於擴張方向相反而產生錯動;在此二點之外的地塊由於是同一擴張方向,因此僅有裂痕而無錯動。

圖4.1
圖4.1 平移斷層(A)和轉形斷層(B)的不同

  簡言之,在斷裂帶上的錯動僅限於中洋脊被錯開的二點間,這也就是轉形斷層與一般平移斷層的不同處(圖4.1)。這個想法隨即被學界證實。拉蒙特地質觀測所的西克(L. Sykes)研究中洋脊的地震P波初動,在1966年證實破碎帶地震表現出來的斷層錯動方向與威爾遜的預測吻合。

圖4.2
圖4.2 聖安德魯斯斷層實為一轉形斷層

  一旦轉形斷層的觀念建立,有許多地球上的大型平移斷層就被拿出來重新詮釋,其中最有名的即為北美洲聖安德魯斯斷層。它的南北兩端都是張裂環境(圖4.2),尤其是南端接的是東太平洋隆起,為何張裂的張力環境到此竟成為錯動的剪力環境?實在令人費解。但若將之視為一個超長的轉形斷層,則難題即可迎刃而解。用同一想法,把全球連於中洋脊及海溝的平移斷層均視為轉形斷層,那麼全球地表即被這些中洋脊、海溝、褶皺山脈與轉形斷層分割成數塊。海底擴張說的原始理論至此已無法涵蓋這個新的發展,新的理論於焉逐漸成形。

  另一方面,由於地震學研究的快速發展,當時已知約100公里厚的地球表層是相當堅硬的,其下則有一層低速帶,預料該層是略帶可塑性的物質,也就是現今所謂的「軟流圈」,其上的「岩石圈」也許可由軟流圈的物質帶動著。此與海底擴張說專注於解釋地函熱對流對地殼的帶動,在範圍上有所不同,因最厚的大陸地殼也不過數十公里,而海洋地殼則薄於十公里,均小於岩石圈所涵蓋的範圍。事實上由海底擴張說的想法來看,岩石圈整層在軟流圈上擴張及移動,似乎比僅僅為都是岩石的地殼在都是岩石的地函上移動更具說服力。新的理論也準備好一併處理這個問題。

板塊構造運動學說的成形

  1967年,當時新一代的科學家如普林斯頓大學的摩根(W. J. Morgan)、劍橋大學的麥肯錫(D. P. Mckenzie)、帕克(R. L. Parker)以及時於拉蒙特地質觀測所工作的法國地質學家勒皮瓊(X. LePichon)等,將岩石圈及軟流圈的想法逐一檢驗全球的中洋脊、海溝、褶皺山脈與轉形斷層等構造,認為可以整合成一新的理論,而在1968年正式提出最早的「板塊構造運動學說」。這個學說吸納了一切海底擴張說與大陸漂移說的證據,以組成地球剛性表層的「板塊」之間相互運動,來解釋海底擴張與大陸漂移諸現象。板塊的厚度即為岩石圈的100公里範圍,包含了地殼及最上部的地函,而中洋脊、海溝、褶皺山脈與轉形斷層等構造即為板塊的邊界;至於板塊移動的動力來源為何,板塊構造運動學說仍引用地函熱對流的假說來解釋。

  從此,板塊構造運動學說雖然在細節上仍不斷被修正、更新至今,但是地表上主要的構造與運動的確大多可以由此學說來解釋,地史上的造山運動現象從此有了新的解釋,一度流行的地槽理論也被取代。今日,板塊構造運動學說已成為地質學上的主流理論,也可說是地質學的「大一統」理論,由最新的衛星定位技術,大陸漂移與海底擴張的狀態也已可精確測知。我們已知全球共有七個主要的大板塊及許多小板塊,板塊表面可以是陸地、海洋或二者兼有之(圖4.3)。位於洋底的中洋脊及陸地上的大裂谷產生新的地殼,是板塊相互張裂的邊界;而老地殼隱沒銷毀或層層堆疊的地方則成為海溝及褶皺山脈,這是板塊相互聚合的邊界;至於那些如聖安德魯斯斷層一般的大轉形斷層則是板塊相互錯動的邊界。

圖4.3
圖4.3 美國地質調查所於1996年繪製的最新全球板塊分布圖

  回想當年,當威爾遜開始嘗試解釋海底擴張的原理時,他預見了即將來臨的嶄新時代,曾信心滿滿地宣稱:

  ……地球科學面臨一次革命的時機已經成熟。它現在的處境就好像當年哥白尼加利略的觀念尚未被接受之前的天文學一樣;有如原子與分子的觀念尚未被引入的化學;亦如同演化論被提出之前的生物學以及量子力學之前的物理學一般。每次革命之前,一切都似乎格格不入,於是便頓悟到勢必放棄舊有的理論體系而另謀他途,否則問題無法迎刃而解。假如地球科學家們想把地球運動史硬嵌入陸塊剛硬而死板的體系中,那自然是解決不了主要的問題。這並非是我們的研究方法或是觀察有所偏差,而是我們的基本觀點錯誤。

  所有這些重要的革命,都曾蘊育一段頗長的時期。哥白尼受了早他兩千年的希臘天文學家之影響;達爾文由他祖父那裡得到演化的概念。因此我們實不必奇怪為何韋格納福爾摩斯的想法明明在我輩以先提出而不能被當世接受了。

  韋格納身後若有知,當可含笑九泉了。

 

現在,再提到板塊,妳會想到什麼?

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