第一性原理：第6章 板塊構造
作者：[英]馬庫斯·喬恩
第6章 板塊構造
地殼並不是完整的一塊，而是由破碎的板塊拼接而成的，升騰的岩漿推動這些板塊相互擠壓碰撞。
為什麼日本頻發地震和海嘯？是上天的憤怒引發的嗎？不，那是地殼的板塊構造運動和碰撞的結果。板塊構造運動是地球調節內部溫度的機制，沒有引發地震的板塊運動，我們的星球也不可能存在生命。
——亞當·漢密爾頓(Adam Hamilton)
曾幾何時，地質學家們認為地球表面只會上下運動以形成山脈等地形，後來他們發現原來地表還會橫向運動。地球表面其實是由不同大小的板塊構成的，這些板塊會緩慢地滑動、碰撞，或是一個板塊俯衝到另一個板塊的下方。這種板塊構造學說，直到半個多世紀之前還被認為是一種徹頭徹尾的異端。
1912年，德國氣候學家阿爾弗雷德·魏格納(Alfred Wegener)首先對地殼的情況有所察覺。早在1620年，英國政治家和哲學家弗朗西斯·培根(Francis Bacon)就注意到，從當時還不太準確的世界地圖上看，非洲的西海岸線與南美洲的東海岸線形狀驚人地相似。培根及其他人對於這種相似性只是停留在好奇的層面，並未進行深入的研究，但魏格納不一樣，他發現不僅這兩個大陸沿岸的岩石是相同的，而且連化石也是相同的。他由此得出結論，非洲大陸和南美洲大陸曾經是連在一起的，就像兩塊巨大的拼圖，後來它們才彼此分離，越漂越遠。
魏格納的“大陸漂移”理論在當時完全沒有得到重視，每次他提起這一理論都會遭到冷遇。雪上加霜的是，他無法提出大陸移動的合理機制，也無法解釋非洲大陸和南美洲大陸是如何跨越數千千米的海床到達現在的位置的。丹麥物理學家尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)曾說過：“你的理論是瘋狂的，但它是不是足夠瘋狂以至於成為真理呢？”[插圖]後來人們發現，魏格納的理論確實瘋狂到成了真理。不幸的是，他於1930年去世，數十年後人們才發現了確鑿的證據證明他的理論是正確的。
19世紀，人們在鋪設歐洲和美國之間的跨大西洋海底電報電纜時，在大西洋中部發現了一條奇怪的山脊。[插圖]20世紀60年代，美國海軍的聲吶探測顯示它不是一條普通的山脊，而是一座縱貫大西洋的巨大山脈，北起冰島，南至馬爾維納斯群島，綿延1萬千米。
通過測量海床岩石的磁場，人們發現了隱藏在這座縱貫大西洋的海底山脈之下的線索。這些岩石是由遠古火山噴出的岩漿凝固形成的，但在其凝固之前，組成岩石的原子會在地球南北方向的磁場作用下排列，凝固之後，遠古磁場的方向也隨之在岩石上永久固定下來。
這些固化的磁場形成了一種特殊的圖案，在大西洋中脊的兩側呈現出對稱的磁條帶，即岩石先按一個方向磁化，然後按相反的方向反向磁化，周而復始（見圖6-1）。
說明：當板塊相互分離時，岩漿會從板塊之間的裂縫湧出，凝固之後形成的新地殼會被地球磁場磁化，其磁極方向與地球磁場一致。由於地球磁場的方向會發生週期性反轉，因此新生成的岩石的磁極方向也會跟著反轉。
這種“磁極反轉”的證據在陸地上也被發現過，對這一現象的解釋是，地球磁場（與條形磁鐵相似）的方向會發生週期性的反轉：北磁極變成南磁極，南磁極變成北磁極。地磁極反轉的成因尚不完全清楚，但關鍵在於，當火山噴出的岩漿凝固時，它會按照當時的地磁場方向被磁化。於是，海床上的磁條帶就成了一條強有力的線索，因為根據地質學家的測定，越接近大西洋中脊的岩石越年輕，越遠離大西洋中脊的岩石越古老，對這一現象的唯一解釋就是大西洋中脊正在製造地殼。
大約1.2億年前，當恐龍還是地球霸主時，南美洲大陸和非洲大陸是連在一起的。後來地殼發生斷裂，岩漿湧出，海水灌入裂縫。年復一年，地殼的裂縫處不斷湧出岩漿，製造出更多的地殼，緩慢而持久地推動兩塊大陸進一步分離。今天在埃塞俄比亞的阿法爾地區正在發生同樣的事情，在那裡，三塊地殼板塊相互拉扯，一片新的海洋正在誕生，將來它的大小可能會與大西洋不相上下。
與魏格納的想象不同，南美洲大陸和非洲大陸並不需要跨越數千千米的海床以到達現在它們所在的位置，因為最初那片海床根本不存在，它是在兩塊大陸之間生成的，並且隨著它不斷生長，兩塊大陸也被它越推越遠。實際上，大西洋中脊每年會噴出大約5立方千米的岩漿——相當於美國華盛頓州聖海倫火山在1980年的災難性大噴發中噴出的0.25立方千米熔岩的20倍。“大洋中脊”是一座座地殼製造工廠，它們在全球每年會製造出大約30立方千米的新地殼。
地球是一個固定大小的球，因此它不可能憑空製造出更多的地殼。要理解其中的機制，我們需要知道地球的板塊是漂浮在地幔上的，地幔是高溫、高密度的地球內部物質。板塊上面可以承載陸殼或洋殼或者同時承載兩者。儘管魏格納關於地殼漂移的主張是正確的，但其錯誤之處在於，他認為只有大陸才會漂移。
由火山岩構成的洋殼比由花崗岩構成的陸殼更重，於是在熔融的地幔中，陸殼漂浮的高度比洋殼更高。這解釋了一個我們認為理所當然的事實：為什麼海床又低又潮濕，而大陸又高又乾燥。按照地質學家的說法，陸殼是地球的“浮渣”。
大洋中脊不斷製造地殼，推動板塊相互擠壓。當兩個陸殼板塊碰撞時，由於陸殼重量輕，它們就會隆起形成山脈，喜馬拉雅山脈就是這樣形成的。但是，對於不斷增加的地殼物質來說，隆起只是暫時性的權宜之計，在某個地方，舊的地殼必須被銷毀。這種情況發生在洋殼板塊與陸殼板塊碰撞的地方，例如南美洲的西海岸。
因為洋殼比陸殼更重，所以它便會俯衝到陸殼板塊下方進入地幔。同時，海水、貝殼以及其他一些海洋中的碎屑也會一起進入地幔，這降低了上方陸殼的熔點，導致火山噴發，例如貫穿智利的安第斯山脈就是這樣的火山。當洋殼沈入地幔時，它會與其上方的陸殼產生持續的摩擦，這種摩擦會造成強烈的地震，例如災難性的2010年智利大地震。
不過，板塊並不只是在大洋中脊被製造出來，在擠壓下沈中被銷毀，板塊之間還會發生滑動移位，位於美國加利福尼亞州的聖安德烈亞斯斷層就屬於這種情況。在那裡，太平洋板塊擦過北美洲板塊，導致洛杉磯和舊金山之間的距離以每年5釐米的速度在縮小。板塊構造學說能夠解釋我們在地球上所見到的大部分現象，地質學失去了板塊構造學說，就像生物學失去了達爾文的自然選擇演化學說一樣，其意義會大打折扣。
魏格納在一次格陵蘭實地考察過程中去世，年僅50歲。他窮其一生也未能參透驅動地殼運動的力量到底是什麼，其實答案就是試圖從地球內部逃出來的熱量。即使在誕生45.5億年後的現在，地球依然保存著其誕生時的熔融狀態所留下的部分熱量。此外，岩石中的鈾、釷、鈈等放射性元素的衰變也會產生熱量。這些因素的共同作用使得地球內部保持液態，非常黏稠，而且就像在鍋里燒水一樣，地球內部的液體也會翻騰，較輕的液體上升冷卻，較重的液體則下沈。正是地幔中的這種液體循環，使得“魏格納的拼圖”處在持續的變化之中。
持續的板塊運動不僅重塑了地表的形態，同時也在讓地球變得適宜生存方面扮演著關鍵性的角色。二氧化碳是一種強力的溫室氣體，它能夠將熱量積蓄在大氣層中（參見第3章）。火山將二氧化碳源源不斷地送入大氣層，然後被海洋吸收並用來製造海洋生物的碳酸鹽外殼。當這些海洋生物死後，它們的殼會留在海床上，並隨著海洋板塊沈入大陸板塊下方的過程一起進入地幔。如此，這條板塊傳送帶得以有效地防止大氣中的二氧化碳濃度上升到危險水平。
如果沒有板塊構造運動持續去除大氣中的二氧化碳，地球的結果就會像發生在金星上的一樣。隨著火山噴出的二氧化碳濃度持續累積，金星大氣中的二氧化碳濃度已高達96.5%，大約是地球的100倍，而其表面溫度之高足以熔化金屬鉛。位於美國加利福尼亞州山景城的搜索地外文明計劃(SETI)研究所的天文學家賽思·肖斯塔克(Seth Shostak)說：“目前不存在板塊構造運動的行星幾乎都不適合生存，如金星和火星。板塊構造可能是任何星球誕生多樣生命形式的前提條件。”
地球板塊沈入地幔的過程似乎永遠都無法被觀察到，但我們可以利用地震時地球內部產生的地震波，在計算機的輔助下生成地球內部的X射線圖像。這種地震層析成像可以顯示出在地幔包裹下的地殼表皮。比地幔更深的地方是地核，它包括液態鐵構成的外核和固態鐵構成的內核。令人感到驚奇的是，地震層析成像顯示板塊會以一整塊的形式下沈到地核，這非常出乎意料。我們本來以為板塊會熔化，但實際上完整的板塊能夠在外核外面堆積起來。
如果地核確實是一座板塊的墳場，那麼另一個現象也可以因此得到解釋，即從地核升騰而起的高溫地幔柱，它們像噴燈一樣灼燒著板塊底部。在夏威夷群島下面就有這樣一個噴燈，實際上，夏威夷的每座島嶼都是一座火山，它們就是在板塊漂過這個噴燈的過程中誕生的。地核的溫度高達5000攝氏度，與太陽表面溫度相當。可能正是因為外核外面的板塊墳場使得地核的熱量只能從堆疊的板塊縫隙中湧出，從而形成了地幔柱。
地震層析成像還發現在地幔中存在兩團和大陸一樣大的物質，位於我們腳下2000千米的深處，正處於地核的上方。它們比周圍物質的溫度或密度更高，因此能夠在成像中凸顯出來。地質學家不清楚它們是如何到達那裡的，但有一種猜測認為它們是忒亞(Theia)的殘骸，即假說中曾經撞擊地球的一個和火星大小相當的天體，它的撞擊將地幔噴濺到宇宙空間中，最終形成了月球。一般認為這一撞擊事件發生在地球誕生後不久，也就是說這個化石般的殘骸應該已經完整保存了45億年之久，這聽起來有點兒匪夷所思。
關於板塊構造運動的一個關鍵問題在於，它是何時開始的？根據最新的證據，它可能開始於至少32億年前。因為從那個時候起，板塊構造運動持續地填埋大氣中的溫室氣體，這一過程可能對數十億年間地球氣候的穩定起著至關重要的作用。生命最早誕生於38億年前，板塊構造運動可能在生命的演化過程中扮演了重要的角色。
沒人知道板塊構造運動是如何開始的，但它不太可能是在隕石撞碎地殼這種突發事件的影響下開始的，而更可能是由於地球冷卻導致地球內部逐漸收縮而引發的。地球的原始板塊構造可能經過了數億年的時間才變成我們如今所看到的樣子。
圖6-1 磁條帶
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