牛津通识读本：地球 [10]
推力、拉力，以及地柱
看起来海底扩张并不像是洋底从洋中脊系统推开来的结果。就大部分洋脊而言，其下并没有大量地幔柱热物质上升。看起来更像是洋脊被撕开，新的物质升起来填充缺口。洋脊下没有又厚又硬的岩石圈，只有几公里洋壳。地幔物质从洋脊下升起时，压力下降，某些矿物质的熔点也随之下降了。这导致有多达20%-25%的物质部分熔融，生成了玄武岩浆。岩浆形成的速度刚好能够生成厚度为7公里的相当均匀的洋壳。
冰岛是个值得注意的例外，那里的地幔柱和洋脊出现了重合。那里喷发的玄武岩远多于他处，地壳大约有25公里厚，这就是为什么冰岛高高耸立于大西洋之上。跟踪探测横穿格陵兰和苏格兰之间的北大西洋的加厚玄武岩洋壳，即可追溯那个地幔柱的历史。地震勘探显示，那里另有1000万立方公里的玄武岩，是阿尔卑斯山脉容积的数倍，足够以一公里厚度的地层覆盖整个美国。其中大部分洋壳并未喷发到地表，而是注入地壳之下，这一过程被称作“底侵”。格陵兰外海的哈顿滩正是玄武岩如此注入而导致的隆起。当前位于冰岛之下的地幔柱可能是导致北大西洋在大约5700万年前开始开放的原因。当时，火山活动似乎始于一系列火山爆发，其中某些火山迄今依然在苏格兰西北方向的内赫布里底群岛和法罗群岛保持活跃。
大洋死亡之所
洋壳一直不断地形成。其结果是，我们很难找到真正的远古洋底。最古老洋底的年代被确定在大约两亿年前的侏罗纪，地点位于西太平洋。人们最近在新西兰附近发现了一段洋底，大约有1.45亿年的历史。但这样古老的地质年龄很少见；大多数洋底的地质年龄不到一亿年。那么，远古海洋都去哪儿了？
答案就是一种被称作潜没作用的过程。随着大西洋拓宽，一侧的美洲与另一侧的非洲和欧洲缓慢分离。但地球总体上并没有变大，所以一定有什么东西在进行整合。这么做的似乎是太平洋。太平洋看上去被巨大的海沟所围绕，那些海沟最深可达11000米。它们身后则是岛屿或大陆上的火山圈，也就是所谓的太平洋火山带。地震剖面测量显示了海洋板块——薄薄的洋壳及其下厚达100公里的地幔岩石圈——是如何重新陷入地球的。在其存在的一亿年期间，岩石圈的岩石不断冷却收缩，密度越来越大，以至于无法继续在软流层上漂浮。潜没作用的这一过程正是板块构造的驱动力之一：它是一种拉力而不是推力。
在潜没带下沉的冰冷致密的岩石已经到了海底，因而是湿的。气孔的空间里有水，矿物中也有化学结合水。随着板块下沉，压力和温度上升，水的存在为板块流动起到了润滑剂的作用，但也降低了某些组分的熔点，而这些组分通过周围的地壳上升，最终流入灼热的火山圈。正如我们在上一章看到的，岩石圈板块的其余部分继续流入地幔，至少流到了670公里深处，即上、下地幔的分界线上，但最终或许会下沉至地幔的基部。地震层析成像有助于跟踪其长达十亿年的行程。
在组成地球构造板块的大陆板块和海洋岩石圈之间，有几种不同类型的边界。在海洋中，有洋脊的建设性板块边界，还有潜没作用发生之处的破坏性板块边界。边界可能位于海洋岩石圈下潜到大陆以下之处，例如南美洲西岸形成了安第斯山脉的火山峰。海洋也可下潜到另一个海洋下面，就像西太平洋那些幽深的海沟，那里的火山圈组成了火山岛弧。在有些边界，一个板块会沿着另一个板块一路摩擦，比如加州沿岸。而在另一些板块边界，一块大陆撞击着另一块大陆，我们会在下一章讨论这种情况。
陆地上还剩下什么
海洋的消失并不会带走一切。在海洋岩石圈下潜到大陆下面，或是整个海洋在两大块陆地之间受到挤压的地方，很多沉积物被舀取上来，添加到大陆之上。这是为什么能在陆地上看到这么多海洋化石的原因之一。有时，整块洋壳也会被抬上陆地，这个过程叫作仰冲作用。因为来自碰撞地带，这类岩石往往是极度扭曲的，但把若干个这样的层序提供的证据拼凑起来，就能够一窥全豹。它们被称作“蛇绿岩层序”（ophiolite sequences），英文ophiolite源于希腊语，意为“蛇岩”。“蛇纹岩”这一名称形容的也是同样的事物，之所以有此叫法，是因为热水导致绿色矿物变形，看上去像在水中蠕动的线条。蛇绿岩层序的顶部是海洋沉积物的残余，其下是枕状熔岩和可能曾被注入地下的玄武岩层。接下来是辉长岩，一种缓慢冷却的结晶岩，其组成与玄武岩相同，在基部则是来自岩浆房底部的不同晶体覆层。在那之下可能有地幔岩的痕迹，玄武岩就是源自那里。
图12 海洋岩石圈如何潜没在大陆之下，边缘地区的沉积物不断累积，造成内陆的火山活动
失踪的海洋
在过去的数亿年间，显然有很多海洋都曾历经开放和封闭的过程。从12亿到7.5亿年前这段漫长时期，各个大陆聚集成一个巨型的超大陆，围绕着它的是一个横跨地球三分之二面积的广阔海洋。在前寒武纪后期，超大陆分裂成若干块大片陆地。新的海洋形成了。古大西洋是其中之一，存在的时间大约是6亿到4.2亿年前。其接合点，或称地缝合线，即海洋重新封闭之处，就位于如今的苏格兰西北部，短程驱车即可穿过——在5亿年前，那可要穿越5000公里的海面。在2亿年前的侏罗纪时期，西欧和东南亚之间曾有一大块洋面开放，即通向太平洋的特提斯洋。后来非洲环行移动撞进欧洲形成阿尔卑斯山脉、印度闯入中国西藏抬升了喜马拉雅山脉，这一海域又封闭了。地震研究找到了特提斯洋的洋底沉入地幔的残余物质。
在漫长的地质时期，曾有无数机会形成新的海洋，而实际上却都没有形成。东非大裂谷、红海与约旦河谷都是近期发生的明显例子。产生了北海石油储藏和巴伐利亚温泉的北海盆地的延展则是另一个例子。再过数亿年，我们现在看到的大洋地图又会完全过时了。
第五章
漂移的大陆
我小时候喜欢帮妈妈做橘子果酱。我承认，我现在还喜欢干这个，偶尔还会自己做。但如今每当我看着炖煮水果和糖的果酱锅，都禁不住觉得自己正在观望着我们所在的星球的演化，只是过程大大加速了，1秒钟大概相当于1000万甚至1亿年。果酱在小火上慢炖时会建立起对流圈，热气腾腾的橘子果酱团上升到表面，再四下散开。随之而来的是一些浮渣，那是些细小的糖沫，因为密度不够，无法再沉下去，只能聚集成片，漂在表面比较平静的地方。这些糖沫有点像地球上的大陆。它在整个过程的早期就开始形成，慢慢聚积变厚。其下的对流模式偶尔会发生变化，糖沫便分裂开来。有时候，浮沫会聚在一起，堆得更厚。当然，这样的类比应该适可而止。两者的时间尺度和化学作用都太不一样了；地质学家基本上不会在花岗岩中找到糖结晶，也不会在玄武岩中找到橘皮捕虏岩。但在考察地球的糖沫——大陆时，我们不妨把这个形象记在脑子里。
地球的糖沫
陆壳与海洋底部的地壳大不相同。洋壳的主要组成是硅酸镁，而陆壳中含有更高比例的铝硅酸盐。相对于地幔或洋底所含的密度更大的物质，陆壳中所含的铁比较少。这就是为什么陆壳能够漂浮，尽管它是在半固态的地幔之上，而非在液体中漂浮。陆壳还可能很厚。洋壳是相当均匀的7公里厚，但陆壳的厚度可达30-60公里甚至更厚。此外，像海洋岩石圈一样，陆壳之下也有厚厚一层冰冷坚硬的地幔。大陆的根基到底有多深至今仍是学界争论的焦点，该争论很可能会以界定性的结论告终。但大陆又有点像冰山：我们看到的不过是浮出水面的一角。大陆表面的山脉上升得越高，基本上它的根基也就下扎得越深。
漂移的大陆
得益于后见之明、有关地幔对流的知识和海底扩张的证据，我们很容易看到，在漫长的地质时期，大陆相对于彼此曾有过位移。但并非所有的证据都令人信服。虽然詹姆斯·赫顿提出了关于造山运动和岩石循环的理论，但任何原理的提出都需要很长时间。1910-1915年间，美国冰川学家弗兰克·泰勒[28]和德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳提出了大陆漂移的假说。但在当时，没有人能够想象大陆如何像船一样在看似固态的石质地幔上漂流。其后近半个世纪，大陆漂移的支持者一直是少数。然而该学说的少数支持者非常勤奋。南非的亚历克斯·杜托伊特积累了南非和南美洲之间类似的岩石结构的证据，英国地球物理学家阿瑟·霍姆斯则提出了地幔对流作为漂移的原理。直到1960年代，海洋学家们着手这项工作时，辩论才尘埃落定。哈里·赫斯指出，洋壳下的对流可能导致了海底从洋中脊向外扩张，弗雷德·瓦因和德拉姆·马修斯也提出了海底扩张的地磁证据。多亏有加拿大的图佐·威尔逊、普林斯顿大学的杰森·摩根和剑桥大学的丹·麦肯齐等人发表的论文，才将各方面的证据拼接起来，形成了板块构造学说。
板块构造用少量坚硬板块之间的相对位移、相互作用及其边缘的变形，对地球表面做出了解释。这并不是说大陆在自由漂移，而是它们被架在板块上，这些板块延展得很深，包括地幔岩石圈在内，通常厚达100公里。板块并不限于大陆，还包括洋底的板块。地球上一共有七个主要的板块：非洲、欧亚、北美、南美、太平洋、印澳，以及南极洲板块。还有一些小板块，包括环绕太平洋的三个相当坚固的小板块，以及板块接合之处的一些较为复杂的碎片。
图13 世界的主要构造板块及其边界
我的另一个童年记忆是在世界地图上寻找大陆，把它们剪下来，并试着把它们拼成一块大片的陆地。那一定发生在1965年图佐·威尔逊在《自然》期刊上发表论文那段时间前后。我还记得自己当时激动地发现这些大陆彼此相当吻合，并找到一些原因说明它们为何无法完美吻合。倒不是因为我剪得不够精细。每一个小书呆子都知道，应该沿着大陆架的边缘而不是沿着海岸线剪下大陆。可以切掉亚马孙河三角洲，否则它会与非洲重合，因为自从大陆分离之后那里又有了新的进展。更让人兴奋的发现是，北美洲和南美洲需要分开才能完美接合，西班牙则必须和法国分手。如果把西班牙转回去，就会在如今的比利牛斯山脉那里撞上法国。那么，这种大陆碰撞是否就是造成山脉的原因呢？
大概是在我青春期的时候，全家假期旅行时