大陸漂移說

大陸漂移說

大陸漂移假說是解釋地殼運動和海陸分布、演變的學說。大陸彼此之間以及大陸相對于大洋盆地間的大規模水準運動,稱大陸漂移。大陸漂移說認為,地球上所有大陸在中生代以前曾經是統一的巨大陸塊,稱之為泛大陸或聯合古陸,中生代開始分裂並漂移,逐漸達到現在的位置。大陸漂移的動力機製與地球自轉的兩種分力有關﹕向西漂移的潮汐力和指向赤道離極力。較輕矽鋁質的大陸塊漂浮在較重的黏性的矽鎂層之上,由于潮汐力和離極力的作用使泛大陸破裂並與矽鎂層分離,而向西、向赤道作大規模水準漂移,並且向附近移動的活動。

  • 中文名稱
    大陸漂移說
  • 外文名稱
    continental drift,theory of
  • 提出者
    魏格納
  • 解釋
    地殼運動和海陸分布﹑演變
  • 性質
    學說
  • 提出時間
    20世紀60年代

基本簡介

大陸漂移學說最初由奧特利烏斯(Abraham Ortelius)在1596年提出,後來德國科學家阿爾弗雷德·魏格納在1912年加以闡述,中文中“大陸漂移說”、“大陸漂移假說”均指同一概念。

盆地間的大規模水準運動﹐稱為大陸漂移。大陸漂移說認為﹐地球上所有大陸在中生代以前曾經是統一的巨大陸塊﹐稱之為泛大陸或聯合古陸﹐中生代開始﹐泛大陸分裂並漂移﹐逐漸達到現在的位置。

​發展歷程

提出學說

大陸漂移說是阿爾弗雷德·魏格納(1880—1930)在1912年一篇重要的學術論文中提出來的,並且在幾年後(1915)出版的一部專著中加以發展和完善。他先請教了柯彭教授,教授肯定了他的想法。人們幾乎立刻就意識到了這個假說潛在的革命性質,因為它要求對地理學的全部基礎進行重新修訂。20世紀20-30年代間,地理學家對大陸運動的觀念進行了廣泛的討論,結果,反對意見幾乎是同聲一片。因此,魏格納提出的地球漂移說長期以來處于我所說的理論革命階段,直到50年代中期,不斷發現的新證據才越來越對大陸可能運動的假說有利。但直到本世紀(20世紀)60年代,一場地球科學革命才真正發生。

歷史分析

歷史分析表明,這場地球科學革命結束了長達半個世紀之久的理論革命狀態外僅僅是因為人們勉強接受了一整套已處休眠狀態或早先被摒棄的觀念或理論。這場科學革命伴隨著研究地球的新手段和傳播知識的新技術的產生而產生。不僅許多地球科學家沿著非傳統的路線思考,而且,有不少物理學家也投入了地球科學的研究之中,並做出了偉大的發現。因此,最終發生的地球科學革命並不僅僅是長期受到抵製的、作為傳統觀念的一次根本性轉變的大陸漂移說的簡單復活,而且還創立了新的板塊構造理論來描述大陸的漂移。從某種意義上說,魏格納的原始理論並未導致一場科學革命,但是,最終的科學革命確實體現了魏格納理論中大陸運動這一中心思想和把地表分成兩類地域(陸地和海底)的觀念。

主要特點

這場革命的一個最突出的特點就是,處在學科工作中的地理學家普遍意識到他們正在經歷一場地球科學革命。許多科學家撰寫文章或專論都強調了考察大陸和地球的思維方式所發生變化的革命性質;他們寫出了標題醒目的著作,如《地球科學中的革命:從大陸漂移說到板塊構造說》(哈拉姆1973)或《地球科學革命的嚴峻年代》(格倫1982)。強調革命性不僅是後來歷史性或評論性文章和書籍的特點,也是地球科學革命年代中學術論文的特點。例如,《科學》雜志中的一篇頗具新意的學術論文(奧普代克1966)的標題是“南海深海岩心的古磁研究”,它的副標題是“確定地球歷史事件發生時間的革命方法”。1970年,在討論“新的一類錯誤”期間,J.T.威爾遜聲稱最近關于地磁逆轉的發現構成了地球科學中的“革命”。在(國際科學聯合會理事會的)“上地幔計畫”(U.M.P.)的最終報告(1972)中,“U.M.P.實施期間提出的板塊構造的統一概念”被說成是地球科學中的一場“革命”(舒利文1974,343)。

歷史評述和總結性著作

20世紀70年代發表的有關歷史評述和總結性著作(主要由母語是英語的科學家著述)所體現的革命意識在某種程度上反映了這一事實;20世紀60年代大陸漂移和板塊構造說為人們所接受是與庫恩1962年出版的《科學革命的結構》產生的巨大影響分不開的。因此,阿蘭·考克斯(1973)安東尼·哈拉姆(1973)、烏蘇拉·馬文(1973)和J.T.威爾遜(1973、1976)在討論和評述大陸漂移理論的最新發展時都特別提到了庫恩。這場科學革命還由于在其後的十幾年間出現了一系列出色的歷史著作而引人註目。這些著作有許多本身就是地球科學家撰寫的,其中一些科學家親自對這場革命做出了根本性的貢獻。

考察結果

作為對最近這段歷史的考察結果,我們現在已經知道,弗蘭西斯·培根不是大陸運動觀的創立者(馬文1973)。他僅是指出非洲和秘魯西海岸之間有一種大致的吻合。幾乎兩個世紀之後的亞歷山大·馮·洪堡也沒有通過認識大西洋兩邊海岸線之間的相似,從而進一步提出兩個大陸曾經是連在一起,以後才分開的。但是,1859年,居住在巴黎的美國人安東尼奧·斯尼德-佩雷格裏尼用法文寫的名為《創世紀及其未解之謎》這本邊緣書中,首次提出了原始大陸分裂和組成部分移動的思想。

有人還宣稱,奧地利地質學家愛德華·蘇斯是大陸漂移說的早期倡導者,正如馬文(1973)所指出的,這個看法是完全錯誤的。但是蘇斯在20世紀初確實曾提出最初有兩塊古生代大陸,“亞特蘭蒂斯”(位于北大西洋)和岡瓦納大陸(在南大西洋)。他把後者命名為岡瓦納,這是印度中部地區(鞏德人居住地)。蘇斯像19世紀一些先驅一樣,認為我們現在的大陸是更大的原始大陸的遺跡,其碎片已沉沒到海底盆地。但他並沒有提出原始大陸的分裂過程,因而也就沒有建立我們今天所理解的大陸漂移思想(馬文1973,58)。

一個更能說明問題的例子是美國地質學家F.B.泰勒。他在1910年發表了長篇論文,首次提出了一個具有內在邏輯性的、連貫一致的假說,這個假說包含了某種我們今天所理解的大陸漂移說的成份(哈拉姆1973,3)。這個假說最早是在1898年出版的一本小冊子中闡述的,但泰勒的理論主要是依據天文學,而不是地理學或地質學。他假設很久以前地球俘獲了一顆彗星,它後來成了今天的月亮。這場天文學事件增大了地球的旋轉速度,產生了更大的潮汐力,這兩種作用的合力將大陸從極地拉開。在他1910的論文中以及後來的出版物中,泰勒用地質學證據(愛爾德雷季1976,271)進一步完善了他的大陸運動的論點,但是這些沒有引起地質學界的普遍重視(馬文1973,63-64)。1911年,另一位美國人,H.B.貝克爾指出,存在一種由宇宙力包括太陽系行星的攝動引起的大陸移動(同上,65)。當魏格納出版他的著作時,他總結了許多前人的工作,有一段詳細討論了泰勒的貢獻。但是魏格納兩次宣稱他“僅僅是在漂移理論的基本輪廓已經形成時,才了解到泰勒所做的這些工作”(同上,8-10)。在這部著作的最後一版(1962中,魏格納在歷史回顧部分中又加上了一些新的人名。他在這一版中寫道:“我還在F.B.泰勒1910年的著作中發現了與我的理論非常相似的觀點”。

主要證據

泛大陸存在及大陸破裂﹑漂移的證據主要有﹕

①大西洋兩岸的海岸線

特別是巴西東端的直角突出部分與非洲。西岸呈直角凹進的幾內亞灣非常吻合。

②大西洋兩岸構造呼應

北美洲和非洲﹑歐洲在地層﹑岩石﹑構造上遙相呼應。例如北美紐芬蘭一帶的褶皺山系與西北歐斯堪的納維亞半島的褶皺山系相對應﹐都屬早古生代造山帶﹔非洲南端和南美阿根廷南部晚古生代構造方向﹑岩石層序和所含化石相一致。

③相鄰大陸

特別是大西洋兩岸古生物群具有親緣關系。如巴西和南非石炭-二疊系的地層中均含一種生活在淡水或微鹹水中的爬行類──中龍化石﹐而迄今為止世界上其他地區都未曾發現。又如主要生長于寒冷氣候條件下的舌羊齒植物化石廣泛分布于非洲﹑南美﹑印度﹑澳大利亞﹑南極洲等諸大陸的石炭-二疊系中。而這些大陸所在的氣候帶卻不相同。

④石炭紀-二疊紀時

南美洲﹑非洲中部和南部﹑印度﹑澳大利亞都發生過廣泛的冰川作用。這些地區除南美洲和南極洲外﹐目前都處于熱帶或溫帶地區。與此同時﹐在北半球除印度以外的廣大地區並未找到確切的晚古生代冰川遺跡﹐相反卻見到許多暖熱氣候的生物化石。這表明上列出現古冰川的諸大陸在當時曾相連線﹐為一個統一的大陸。

⑤現代科學的發展

為大陸漂移提供更直接的證據﹕精確的大地測量的資料證實大陸仍在緩慢地持續水準運動﹔古地磁的資料表明許多大陸塊現在所處的位置並不代表它初始位置﹐而是經過了或長或短的運移。

大陸漂移思想是一種活動論﹐它的提出是對固定論的挑戰﹐並為板塊構造學的建立和發展奠定了基礎﹐對地球科學的發展起了很大的推動作用。但大陸漂移的機製問題至今依然沒有解決

運動理論

大陸漂移假說

地質學家和地球物理學家開始對大陸漂移假說進行認真的討論是在A.魏格納的著作出版以後。從所受的教育和個人職業看,魏格納並不是一個地質學家,而是天文學家和氣象學家(他的博士論文是天文學史方面的),魏格納的學術生涯先是在馬爾堡謀得了一個天文學和氣象學的職位,後來在格蘭茲獲得了一個氣象學和地球物理學教授的職務(1924-1930),在二、三十歲時,他一直在格陵蘭進行氣象考察。1930年,在第三次探險時,他獻出了生命。按照曾與魏格納一起進行第一次考察的勞格·科赫的說法,大陸漂移思想是魏格納在觀察海水中冰層的分解時形成的。但是魏格納自己隻是說,大約是在1910年的聖誕節期間,他突然被大西洋兩邊海岸極度的相似和吻合所震驚,而這一點啓發他思考大陸橫向運動的可能性。

建立他的大陸運動假說

很明顯,魏格納當時並沒有認真地看待這一思想,反而認為“這是不可能的”而放棄了(魏格納1924,5;1962,1)。但他確實在第二年秋天開始建立他的大陸運動假說。他說他當時“相當偶然地”讀到了“一篇描述非洲和巴西古生代地層動物相似性的文獻摘要”(馬文1973,66)。在這篇摘要中,大西洋兩岸遠古動物化石的相同或相似被用來證明當時非常流行的、非洲和巴西之間存在陸橋的說法。例如,蛇很顯然不能渡過浩瀚的大西洋。因此,在南大西洋兩岸發現同樣的或十分相似的蛇化石,就證明很久以前的南美洲和非洲之間存在一條陸路通道的可能性是相當大的。如果換一種相反的解釋,即假設在這兩個地區的大部分土地上存在極其相似但又是相對獨立的生物進化過程,而這是完全不可能的。

進一步解釋

魏格納對化石的相似性的印象非常深刻,但他不同意這兩塊大陸曾由某種形式的陸橋或由現已沉沒的大陸聯結起來的假說。因為這些假設需要進一步對這些陸地或陸橋的沉沒或崩解做出解釋,而對于這些不存在任何科學證據。當然,大陸之間確有陸橋存在,如巴拿馬地峽和曾存在過的白令地峽,但沒有真正可靠的證據證明古代跨越南大西洋的陸橋。作為一種替代性的理論,魏格納把他早年關于大陸漂移的可能性的思想重新發掘出來,並且按照他的說法,把原來純粹是“幻想的和非實際的”、“沒有任何地球科學意義的、隻是一種拼圖遊戲似的奇思異想,上升有效的科學概念。魏格納在1912年的一次地質學會議上,引用了各種支持證據,對他的假說作了進一步的發展,概括並總結了他的成果。他最初的兩篇論文在當年的晚些時候發表。1915年他發表了專題論文《大陸和海洋的起源》(Die Entstehung der kontinente und Ozeane)。魏格納在這部著作中,詳細羅列了他所發現的所有支持大陸漂移說的證據。該著作的修訂本于1920、1922和1929年陸續出版,並被譯成英文、法文、西班牙文和俄文。在譯自1922年德文第三版的英譯本(1924)中,魏格納的表述“Die Verschiebung der kontinente”被準確地譯為“大陸位移”,但很快就被普遍使用的術語“大陸漂移”所取代。

地質學的相似性

魏格納將自己的論點建立在地質學和古生物學論據的基礎上,而不僅僅是海岸的高度吻合,他著重強調大西洋兩岸地質學的相似性。在他的著作的最後一版中,他引用了來自古氣象學的證據。1924年,他還與科本合作撰寫了一部關于古氣象學的專著,並由此推論地球的極地始終是在遷移的(要詳細了解魏格納關于地理學、地質學、生物學、古氣象學、古生物學方面的論點和論據,請參閱哈蘭1973年出版的著作的第2章)。魏格納認為,在中生代並一直延續到不太遙遠的過去。曾存在過一個巨大的總陸地或原始大陸,他將其稱為“龐哥”(Pangaea)。這塊原始大陸後來破裂,龐哥碎片的分裂、位移,逐漸形成了我們今天所處的各大陸的格局。他認為,大陸漂移(或稱運動、移動)的兩個可能的原因是:月亮產生的潮汐力和“極地漂移”力(pohlflucht),即由于地球自轉而產生的一種離心作用。但是,魏格納懂得,大陸運動的起因這一難題的真正答案仍有待繼續尋找。他在他的著作(1962,66)中寫道,大陸漂移理論中的牛頓還沒有出現。這話與當年居維葉、範托夫和其他一些人的心態是多麽的相似。他承認,“漂移力這一難題的完整答案,可能需要很長時間才能找到”。現在看來,魏格納最根本也是最富創造力的貢獻在于,他首次提出大陸和海底是地表上的兩個特殊的層殼,它們在岩石構成和海拔高度上彼此不同這樣一個概念。在魏格納所處的時代,大多數科學家認為,除了太平洋以外,各大洋都有一個矽鋁層海底。魏格納的基本思路後來為板塊構造說所證實。

處于理論革命階段

盡管魏格納的大陸漂移理論長時間處于理論革命階段,但這並不意味著他的思想沒有引起註意或沒有追隨者。事實上,當時的情況遠非如此!20世紀20年代,國際科學界就此展開了一系列全球性的激烈論戰。1922年4月16日,在影響巨大的《自然》雜志(vol.109,p.200)上,發表了一篇未署名文章,對魏格納著作的第二版(1920)進行了評論。這篇文章詳細概括了魏格納理論的基本觀點,並希望這部著作的英文本能早日面世。“考慮到許多地質學家持強烈的反對意見”,文章的作者指出,如果魏格納的理論最終被證實,將會發生一場與“哥白尼時代天文學觀念的變革”相似的“思想革命’(P.203)。一位名叫O.巴辛的人,在聽了魏格納的一次演講後,在德國最重要的科學雜志《自然科學》(1921,219-220)上的一篇文章中寫道,在柏林地理學會聽過魏格納演講的人,“都絕對地被征服了”,魏格納的理論得到了“普遍贊同”,盡管在隨後的討論中有過一些小心的反對意見和善意的警告。巴辛的結論是:“沒有反對魏格納的充分理由,但是,在理論得到毫無保留地接受以前,還必須找到更加堅實可靠的證據。”

主要科學事件

20世紀20年代有關大陸漂移的主要科學事件,是1926年由美國石油地質學家協會在俄克拉何馬州的圖爾薩召開的一次辯論會,會議論文集《大陸漂移理論:魏格納關于陸地起源和運動的論文集》于1928年出版。出席那次辯論會的有魏格納本人和F.B.泰勒,其他11位與會者中,有8位美國人和3位歐洲人。會議主席,荷蘭地質學家,馬蘭德石油公司副總裁W.格拉赫特為這本文集寫了支持大陸漂移說的長篇序言和駁斥反對意見的後記。這兩篇文章佔據了該文集一半以上的篇幅。一些與會者(耶魯大學的C.R.郎格維爾,都柏林大學的J.喬裏,德爾夫特大學的G.A.F.莫蘭格拉夫,格拉斯哥大學的J.W.格利高裏,霍普金斯大學的小約瑟夫·T.辛格瓦爾德)對這個理論深表懷疑,但他們的態度是寬容的,而另一些人(斯坦福大學的貝萊·威利斯,芝加哥大學羅林·T.錢伯林,美國海岸和大地測量局的威廉·玻維,霍普金斯大學的愛德華.貝利則極力堅持他們提出的相反的地質學論據,並且故意用一種偽科學的和錯誤的方法為他們自己進行辯護,他們還以嘲諷的口吻宣稱,他們的作法與魏格納的思維方式和著述風格是完全一致的。從今天佔優勢的觀點反過來看,這些批評中充滿的仇視和惡意的情緒是耐人尋味的。很顯然,魏格納確實已經向地球科學和牢固的傳統信仰的基礎發起了正面攻擊。

魏格納假說在諸多方面招致反對。首先,它直接反對幾乎所有地質學家和地理學家的傳統思想。這些人從懂事時起受到的一直就是舊有理論的教育,這種理論認定大陸是靜止的,地表是固定不動的。大陸漂移說則認為,陸地之間存在一種相對的橫向運動。這個大膽的構想就像伽利略時代的哥白尼學說一樣,在世人眼中是荒謬的“異端”’“。其次,新的假說認為,對于最膚淺的觀察者來說,地球顯然是剛性的,而事實並非如此。不過,魏格納的假說也由此帶來了新的問題,正如地球物理學家哈·傑弗裏斯等人很早就指出的,大陸漂移似乎需要巨大的、幾乎無法想像的動力,它遠遠超過魏格納本人提出的潮汐力和極地漂移力。爭論的焦點似乎可以用形象的語言加以描繪:“脆弱的陸地之舟,航行在堅硬的海床上”(見格倫1982,5),一般人都認為,這顯然是不可能的。

受到攻擊

在科學史上,對新理論的提出者往往進行懷有偏見的指責,嘗試將已開始的科學革命扼殺在萌芽狀態,不幸是一種普遍現象。不僅魏格納的方法受到攻擊,而且因為他沒有專業文憑,不是地質學家,而是一位德國氣象學家,因此,他被拒絕參加地質學會議,耶魯大學古生物學名譽教授查理·舒克特(1982,140),把大陸漂移假說稱為“德國理論”,而且,他以明顯贊同的態度引用P.特邁(法國地質勘探局局長)的話說:魏格納的理論僅僅是“一個漂亮的夢,一個偉大詩人的夢”,當人們嘗試擁抱它時,將發現“他得到的隻是一堆泡沫和一縷清煙”。而且在舒克特看來,“魏格納的歸納太輕率了,根本不考慮地質學的全部歷史”(p.139),他隻是一個局外人,一個在古生物或地質學領域中沒有做過任何實際工作的人。舒克特斷定:“一個門外漢把他掌握的事實從一個學科移植到另一個學科,顯然不會獲得正確的結果”。

魏格納被拒絕——至少部分是因為他不是地質學“俱樂部”的成員,這一點已經被文獻所證實。哈·傑弗裏斯在攻擊魏格納的理論,證據和科學方法時,宣稱“魏格納基本上是個氣象學家。”1944年,切斯特·R。郎格維爾在《美國科學雜志》(vol.242,p.229)上的一篇文章中虛偽地指出:“仁愛的評論家們指出”,魏格納的前後不一致和種種疏忽“可以得到寬容,因為他不是地質學家”。更有甚者,直到1978年,喬治·伽羅德·辛普森(1978,272)還一再重復他早年的觀點,認為“魏格納的大部分古生物和生物學依據,要麽是歧義的,要麽是完全錯誤的。”他指責魏格納(這個“德國氣象學家”)竟然敢涉足他“沒有第一手知識”的領域。

20世紀30-40年代,大多數地質學家都贊同傑弗裏斯在其頗有影響的著作《地球》第3版(1952)中所表述的觀點:“30年代為大陸漂移說進行的辯護,沒有產生經得起檢驗的理論”。保守的地質學家和古生物學家甚至把大陸漂移的觀點用作課堂上“解悶的笑料”。哈佛大學古生物學教授帕西·E。雷蒙德,告訴他的學生,泥盆紀的瓣鰓綱斧足動物有一半在美國發現而另一半在愛爾蘭發現。這兩部分“吻合的相當好”,因而肯定是“同一瓣鰓綱斧動物的兩半,這是被魏格納的假說將其在更新世一分為二的”(馬文1973,106)。

然而,本世紀20-30年代,支持魏格納的也大有人在。哈佛大學的雷金納德·A.戴利贊同大陸漂移的基本思想,盡管他不是嚴格的魏格納派,而且他本人有一次也說過魏格納是“一個德國氣象學家”。戴利提出了他自己的大陸運動學說,現在看來這一學說已經有些“接近現行的板塊構造模型之門了”(馬文1973,99)。在他那本《我們這顆運動的地球》(1926)一書的扉頁上,戴利寫下了“Eppur si Muove”——這是伽利略在被迫放棄他一直信仰的哥白尼的地動說時所說過的一句辯解的話。(“Eppur si Muove”意思是“地球仍在運動”)。

20年代,魏格納觀點的主要支持者之一是瑞士諾伊夏特地質學院的創始人和院長埃米爾·阿崗德。1922年,在第一次世界大戰結束後的第一次國際地質學會議上,阿崗德勇敢地站出來支持魏格納提出的“亞洲板塊構造”的基本思想,阿崗德不僅收集並整理了大量支持魏格納學說的論據,而且在劃分魏格納的“運動說”和傳統的“固定說”的界限方面作了有益的工作。他宣稱,“固定說不是一種理論,而是對幾種粗糙理論的消極拼湊”(阿崗德-卡洛茲1977,125)。盡管阿崗德確定無疑地贊成“運動說”並列舉了支持這個學說豐富且詳細的證據,但他不得不承認:“對產生大陸漂移的力,目前我們還一無所知”(p.162)。

為年代魏格納的兩個主要支持者是亞瑟·霍爾姆斯(許多人認為他是“本世紀英國最偉大的地質學家”)(哈拉姆1973,125)和南非地質學家亞歷山大·杜·托依特。1928年那部美國大陸漂移論文集出版時,霍爾姆斯接受了大陸漂移說,並在1928年9月號的《自然》雜志上發表了一篇評述該論文集的文章。他在文章中指出:“所有反對意見……主要是針對魏格納本人而不是他的基本觀點”。他還指出,“當人們似乎發表完了所有觀點之後,接著又出現了比泰勒和魏格納已提出的更強有力的證據支持大陸漂移說。”霍爾姆斯不但接受了大陸運動的一般觀點並成為大陸漂移說在英國的主要辯護人,而且,他還提出了新的產生漂移運動的力學原因。按照他的見解,地幔(地球緊臨地殼下的那一部分)中熔岩的對流運動會導致山脈的形成和大陸的漂移(馬文1973,103;哈拉姆1973,26)。杜·托依特生活于約翰內斯堡,像烏蘇拉·馬文(1973,107)提醒我們的那樣,“生活在古代岡瓦納大陸的中心,那片大陸的漂移證據最為充分,”他在一本名為《我們奇妙的地球》(1973)(副標題是“大陸漂移假說”)的書中總結了自己的觀點。這本書的獻辭是,“紀念魏格納及其他對我們地球地質學作出的卓越貢獻”,在這部書中,杜·托依特提出了一個于魏格納學說略有不同的地球理論(見馬文1973,107-110;哈拉姆1973,3O-36),例如,杜·托依特提出,原始大陸並非像魏格納所說的隻有一個——龐哥,而是有兩個,即北半球的“勞洛細亞和南半球的岡瓦納”。

杜·托依特把反對魏格納假說的原因歸結為兩個因素:一是缺乏令人滿意的產生漂移的力學機製;二是“頑固的保守主義”,他認為後者是整個地質學史中的一個特點。然而,杜·托依特十厘清楚,接受大陸漂移說意味著要“重修我們全部的教科書,不僅是地質學的,而且還包括古地理學,古氣象學和地球物理學的教科書”(P.5)。他說,毫無疑問,“漂移說體現了一個偉大而又根本的真理”,而泰勒和魏格納提出了一個“革命性”的假說(p.Vii)。

杜·托依特並不是唯一將魏格納的理論看作是“革命性”的人。1921年《自然科學》雜志上的撰文者,1922年《自然》雜志上未署名的評論者,1922年F.E.維斯,1926年,凡·德·格拉赫特以及其他一些朋友和敵手,都使用過這一術語。戴利(1926,260)把大陸漂移理論說成是“新的令人驚異的解釋”,許多地質學家認為它過于離奇,甚至是驚人的,是一個“革命性的觀念”。菲利普·賴克也暗示過魏格納觀點的新奇性和革命性,他曾指出,“陸地運動對于我們來說,猶如地球運動對于我們的祖先一樣不可思議”(1922,338)。在《地質學雜志》1928年發表的一篇評述《圖爾薩論文集》的文章中,賴克明確地使用了魏格納的“革命性理論”這樣的用語。

魏格納自己十厘清楚,他的新觀念具有潛在的革命性。1911年,也就是在他公開發表他的新觀點的前一年,魏格納寫信給他的同行、教師W.科本。他寫道,為什麽我們“猶豫不決,不願放棄舊觀點?”“為什麽人們極力阻止新的觀念達十年甚至三十年之久?也許就因為它是革命性的?”接著他為他的反問附上了大膽而又簡單的答案:“我認為舊觀念的壽命不會超過十年了”!

其他資料

大陸漂移說的新證據

由于大陸漂移說的革命性質,必須有比通常更為有力的證據才能使得這一理論獲得科學家共同的支持。要使任何根本性的或徹底的變革為科學界所接受,要麽必須有無懈可擊或無可辯駁的證據,要麽必須有超過一切現有理論的明顯的優越性。顯然,在本世紀20-30年代,魏格納的理論尚不具備上述兩個條件。

事實上,直到50年代以後才找到了這種“無懈可擊”的證據。而且,接受魏格納的觀點就意味著必須對全部的地質科學進行徹底的重構。顯然,在缺乏無可辯駁的證據的情況下,人們當然不願意這樣做。芝加哥大學地質學家R.T.錢伯林在1926年美國石油地質學家協會會議論文集中寫道,在美國地質學會1922年召開的一次會議上,他曾經聽到這樣的說法:“如果我們接受魏格納的假說,我們就必須忘掉過去七十年中的全部知識並且一切從頭開始。”

現在看來,這種說法是完全正確的。我們應當註意到,錢伯林的話在四十年後又在不同的意義上被重新提了出來。1968年,圖佐·威爾遜(1968a,22)在一部著作中寫道:“既然地球確實是以緩慢的方式運動著的活躍的天體,而我們非要把它看作是基本上靜止不動的,那麽我們就必須徹底修改我們以往的全部理論和全部教科書,從全新的觀念開始,建立一門全新的科學。”

哈拉姆(1973,110)在嘗試解釋為什麽魏格納沒有為大陸漂移說提供令人滿意的力學機製——這普遍被認為是“接受魏格納假說的最大障礙”——時指出“引力理論、地磁學和電學在得到滿意的解釋以前很長一段時間就為人們普遍接受了。”他又說,在地質學中,盡管對“潛在原因”沒有得到共識,但這並沒有妨礙“前冰川時期存在”這一假說為人們普遍接受。然而,J.T.威爾遜(1964,4)爭辯說,“人們在滿意地解釋某種現象(如地磁場)或過程(如暴風雨)之前,並不總是樂于承認這些現象或過程的存在的。”

關于這一點,應當進一步作些說明。R.勞丹明智地指出,大陸漂移的“力學機製”問題與“引力理論、地磁學和電學”或“暴風雨的存在”有很大的不同。在大陸漂移說中,問題“並不僅僅在于缺乏力學機製或原因,”(勞丹19782;古廷1980,288)而是“全部可以想像得出力學機製都嚴重地沖擊著物理學的理論。”而且,目前已經建立了有關地球及其內部自然現象的理論且為人們廣為接受,它們能夠完善而合理地解釋大部分已經觀察到的現象。

S.K.郎肯(1980,193)通過研究發現,盡管在50年代或更早的時候,“人們普遍認為,缺乏力學機製是大陸漂移說的地質學或古生物學證據被接受的主要障礙,”然而在今天,“板塊構造理論卻在沒有普遍認可的物理學機製的情況下被人們接受了。”他在1980年前後指出,“板塊運動的力學本質問題,”是“當代地球物理學家們面臨的最重要的挑戰。”

魏格納理論的改造

現在看來,由于我們親眼目睹了這場革命的全過程,因而很容易發現,把理論革命與現行革命兩個階段區分開來的是兩個根本性的突破。第一個突破是,積累了大量新的、令人信服的表明大陸和海底確實存在著相對運動的證據。這些證據比海岸線的吻合。

甚至比大洋兩岸地質學和生態學的符合,以及植物和動物化石的相似要優越許多許多。第二個突破是,理論的根本性的重構,致使基本觀念發生了重大變革,並由此產生了這樣一個問題:這場最終完成了的革命是否可以公正地看作就是那場企求了近半個世紀而一直沒有成功的革命?

這一情形與所謂的哥白尼革命有許多相似之處。這場在伽利略和開普勒的推動下,最後由牛頓完成的革命,僅僅保留了哥白尼最一般的天文學觀念,即地球運動而太陽靜止的觀念,而摒棄了哥白尼宇宙學的基本特征。同樣,地球科學革命僅僅保留了魏格納的最一般的思想,即大陸之間可以有相互運動,而放棄了魏格納理論的基本特征——由矽組成的大陸單獨或分開在海洋地殼上運動,而海洋地殼密度更大的殼層則固定不動。

目前的最新觀點是這樣的:覆蓋在地球表面的巨大板塊在運動著,其中有的板塊會帶動大陸或部分大陸和海底一道運動。因此,整塊大陸運動的理論被另一種不同的理論所取代。新的理論指出,陸地運動不過是地殼內部劇烈運動的表觀現象。在這種因果聯系過程中,魏格納假說中列舉的“極地漂移力”和“潮汐力”變得毫無意義了。

50年代的新證據首先來自古磁學和地磁學的研究。古磁學研究的是“殘留花”岩石中的磁性,即研究殘留在固化的熔岩樣品中的磁性。這種磁性由于地球磁場的影響而留在含有氧化鐵的岩石中。倫敦的P.M.S.布萊克特和劍橋大學的S.K.郎肯以及其他人所作的研究表明,地球的磁場從來不是恆定的而是變化的,甚至還經歷過南北倒置。其變化的方式與時間有密切的關系,而這種關系是可以確定的(這些研究因高靈敏度的地磁儀的出現而成為可能,布萊克特就是這種儀器的主要發明人)。

當仔細描繪出磁極位置移動的路徑後,會從中發現磁極的移動和變化情況各個地域彼此不同,這表明每塊陸地各自在獨立地運動著。相關證據還揭示出地球南部各陸地聚集在南極地區形成一個原始大陸——岡瓦納大陸的時間,因此,這些組成部分說明我們現在的各個大陸肯定存在著某種橫向運動(見麥肯奇1977,114-117)。

沿著這條研究線索所獲得的第一批成果,地球科學界沒有立即接受大陸移動的存在;無疑,關于地球磁場演化史的細節尚有太多的沒有解決的難題。而關于磁機製的見解“過于復雜深奧,其中還存有許多未經檢驗的假說”(麥肯奇1977,116)。但是,主要是在地球物理學家中對此產生了極大的興趣。

1956年,地學一本以大陸漂移為主題的論文集出版了,澳大利亞國立大學的E.埃爾溫對過去幾年的磁機製研究作了回顧與評述,最後他總結道:“各種證據對此後的結果,傾向于對地球磁軸相對于地球本身發生過位置變化的觀念以及各大陸相互之間有‘漂移’運動的觀念有利”(埃爾溫1953;1958,見馬文1973,150-152)。

推動魏格納的基本思想(而非魏格納理論本身)復興的第二條研究線索是關于海底山脈的研究。海洋和內陸湖泊大約覆蓋了地球表面的70%。由于關于海底的特征與本質的知識在本世紀30-40年代還相當粗淺,因此,我們容易理解為什麽戰前關于大陸漂移的爭論最終沒有定論(哈拉姆1973,37)。然而,有關大西洋底的地形圖早已存在,1916年,泰勒就曾指出,大西洋兩邊的陸地好像是從海底山脈兩側慢慢升起的。魏格納本人也通過密度、磁性、成份等方面的分析,指出海底是玄武岩構成的,但沒有人對此予以註意。我們目前關于大陸運動的直接線索來自對海底世界的研究。

在國際地球物理年(1957-1958)期間,在測量地球引力和相關地震-引力資料方面,已經有了全新的技術。地球物理學家找到了測定通過海底的熱流速率的方法,這些研究的一般結論是:巨大的海洋殼層岩石塊確實能夠“相互之間明顯地移動一大段距離”(哈拉姆1973,52)。這些研究成果與來自磁機製研究獲得的發現不謀而合,都強有力地支持大陸之間經歷了相互運動的觀點。到這時為止,大陸漂移理論才正式由于板塊構造說的廣泛被接受而得以完善。板塊構造說是一個結構系統,按照這種學說,地殼像“大板塊的拼圖,用形象的比喻就如巨大的大塊浮冰或鋪路石。”這些板塊獨立地運動著,邊緣與別的板塊碰撞則會發生變形。馬文特別強調說:“運動的板塊不像魏格納所構想的那樣是大陸,也不是整塊的海底殼層”(1973,165)。

既然每一板塊既包括陸地部分也包括海底部分,那麽板塊的運動和魏格納大陸運動的概念,便相去甚遠了。因此,由于最初的“大陸漂移”術語,含有整塊大陸運動的意味,它不再是嚴格精確的了(哈拉姆1973,74)。1968年,人們提出六大板塊和十二個小板塊覆蓋地球的觀點。從那時起,有關板塊構造學說的理論細節越來越充實了。

海底擴張說

為了完滿地解釋地殼的不穩定性和可變性,板塊構造理論還必須與“海底擴張說”結合起來。海底擴張說是普林斯頓大學的哈裏·赫斯于1960年首次提出來的。該學說描述的是縱貫主要大洋海丘兩側的海底部分持續受到擠壓的過程。赫斯最初是在1960年撰寫的一篇手稿中闡述這個觀點的,而該手稿作為一本書中的一章直到1962年才正式出版。由于這個觀點極為新穎、奇特,以致于赫斯把書中的這一章看作是“一篇地球散文詩”。赫斯指出,逐漸降到海底的巨大海丘是地殼下地幔內熔融物質上涌的出口。這種物質同樣沿著海丘的兩側流淌、冷卻、固化,最後變成地殼的一部分覆蓋在原來的地殼之上。

當海丘兩側的地殼以這種方式積累成長時,這種物質(巨大的板塊)就會橫向離開海丘。既然地球不可能增大,這個板塊在成長過程中也不會簡單地擴張,那麽在遠離誨丘之外,必定會有一處板塊發生分裂。換言之,板塊離海丘最遠處的邊界被擠到另一個板塊底下,並最終進入地幔中。這時,板塊邊緣的水分全部被擠壓出來,而板塊進入地幔的部分又重新變成了熔融狀。這個過程同某種對流“傳送帶”聯系在一起,即從海丘的地幔中帶出物質,然後把它傳送出去,這些物質最終在遠處的海溝附近又再次回到地幔中。

于是,大西洋底便產生了一股巨大的、持續的壓力,它把載有南美洲和非洲的兩大板塊推離大西洋中的海丘。大約在1.8億年以前,南美洲和非洲是連在一起的,這就是岡瓦納大陸。兩塊大陸的分裂線與導致海底擴張的,並且現在仍很活躍的大西洋底海丘線十分吻合。每當發生地震時,這條海丘線便清楚地顯現出來,目前,它與南美洲和非洲的大西洋海岸線的距離大致上是相等的。

赫斯進而提出了海底擴張說的合理推論。他認為,由于海底擴張效應,海底殼層不斷地在大陸一邊創生,而同時又在大陸的另一邊消失(麥肯奇1977,117)。這個觀點通常被看成板塊構造說進一步發展的主要內容,也是我們理解大陸漂移理論的主要基礎。大西洋地殼層從海丘移出的速度大約是每年四釐米。按照這個速度推算,大西洋海底殼層從海丘全部移出,也就是移動整個大西洋寬度的距離所需的時間為兩億年。這個數位立即可以用來解釋許多未知的奧秘。

例如,海底鑽孔找到的化石標本都未超過兩億年(中生代前後)。而從陸地上挖掘出的海生化石研究表明,這些海生生物都可追溯到二十億年以前。再如,假設海床的年齡與大陸同樣古老,那麽按正常的沉積速度,海床上應當產生很厚的沉積層,但鑽探分析表明,海床上的沉積物很少。簡而言之,在海洋存在的幾十億年中(烏耶達1978,63),海底並不是永恆的,而是在不斷地變化,不斷地運動。

如果把赫斯的觀點同板塊構造說的一般思想結合起來,就可以滿意地解釋另一個現象或過程;板塊邊緣新物質的增加,並不使板塊的面積增大。由于壓力作用,板塊在不斷地縮小。這一點在兩個板塊的碰撞處山脈的形成和山脈的更替中,表現得非常明顯。

哈裏·赫斯在闡述他的海底擴張說時,很清楚他的理論“與大陸漂移說並不完全相同”(1962,617)。按照大陸漂移說的思想,“大陸…受某種未知力的驅動,在海底殼層上漂移”,但他的理論的基本思想是,大陸“被動地浮在地幔之上,當地幔物質從海底海丘上流出時,大陸便橫向移動開來。”

前面曾談到,一般人都認為:最初的純粹古磁學證據並不能完全說服大多數地球科學家放棄“大陸固定觀”。決定性的證據來自新的磁機製的研究,它戲劇性地證實了海底擴張說。船載磁測儀揭示出海底殼層條狀磁化區域的存在(休萊1959,61)。如果赫斯的解釋是正確的,那麽在海丘兩側就應該有對稱的條狀磁化區域。這項驗證性實驗是劍橋大學當時的研究生F.J.維恩和他的導師P.H.馬修斯提出的。實地測量很快證實,條狀磁化區域確有預期的那種對稱性。

按照這一理論,當熾熱的熔融物質沿海底海丘流淌並固化時,它便感應了當時的地磁場。既然新的物質把它從海丘上推開,它仍將保持冷卻時所感應的磁性。因此,每一條前後相繼固化的物質帶應該有記錄形成日期的磁性標志,而海丘兩側同時對稱形成的物質帶也因此具有相同的磁性方向。1963年,維恩和馬修斯在《自然》雜志上發表了這一重要假說,這個假說翌年就通過了實驗(實測)檢驗。事實上,地球磁場演化的歷史不僅表現出一些微小的變化,而且在目前已知的年代中還經歷過南北逆轉。所有這些,都是在實測和研究海底海丘兩側的條狀磁化帶過程中發現的。

雖然這個假說今天聽起來非常具有邏輯性,一點也不令人驚奇,但在當時看來卻是異常激進而大膽的。維恩回憶說,當他第一次把他的觀點告訴劍橋大學地球物理學家莫裏斯·希爾時,盡管希爾“很有禮貌的一聲不吭,隻是看著我並且談些別的事情,但他一定在想我今天瘋了”(格倫1982,279)。維恩還把他的假說告訴了愛德華·布拉德爵士,即使布拉德爵士“這有點大膽猜測的味道”,但他卻對此持“非常積極的鼓勵和贊賞的態度”。維恩“非常渴望能和特迪(愛德華的愛稱)·布拉德共同發表這個觀點,”因為他覺得他們倆的名字並列在一起,“布拉德和維恩看起來很了不起”。

但特迪非常直率地拒絕了,他不想讓他的名字出現在這篇論文上。布拉德是地球物理學界一位著名的革新家,他對地球熱流理論作出過重要的貢獻。他善于接受新思想,“以極大的熱情接受了這個假說並以高度贊賞的態度四處傳揚”。他隻是不願意在一開始就接受維恩的請求成為合作者(p.358)。

維恩和馬休斯提出的假說(加拿大的勞倫斯·莫雷也曾獨立地提出過,詳情見1982,271)“堪與本世紀地球科學中的任何成就相媲美”(p.271)。它不但能確定無疑地證實赫斯的海底擴張說,而且還能推算出擴張的速度。推算方法是基于一種獨立的、由地磁場倒置所標定的精確的時間尺度。看來,人們普遍贊同這樣的看法:維思-馬休斯-莫雷假說的確證,觸發了地球科學的“革命”。在這些突破性成就的基礎上,下一步要做的工作便是:“建立全球構造的新理論,重構地球知識的新體系”(哈拉姆1973,67)。

革命地位的確立

凡是研究過地球科學發展史的人(如上述舒利文1974,特別是格倫1982)都會認識到,要最終完成這樣一場革命,還有多少重要的工作有待完成。在前面的論述中,我隻是介紹了幾位最著名人物的傑出貢獻。關于愛德華·布拉德、圖佐·威爾遜、莫裏斯·歐文以及其他一些科學家的重要工作,我幾乎沒有提及。長期以來,許多著名的地球物理學家不但拒絕接受板塊構造理論,也拒絕接受海底擴張說的基本思想。

被《自然》雜志譽為“蘇聯最偉大的地球物理學家”的弗拉基米爾·貝洛索夫1970年宣稱:“海底擴張說沒有一個方面能經得住批評”(舒利文1974,IOS)。12年後的1982年12月,年屆91歲高齡的哈羅爾德·傑弗裏斯爵士在《皇家天文學會地球物理雜志》(vol。71,555-556)上發表文章,仍然以不屑一顧的口吻,把“海底板塊的錯動”比作“用黃油做的刀切黃油”。60年來,傑弗裏斯一直是反對大陸漂移說的主要代表人物。

地球科學界的保守主義除了托依特提到的之外,在權威性的《科學家傳記辭典))1976年版中也得到了印證。在該辭典中,魏格納的條目(vol.14,214-217)是澳大利亞雪梨大學的K.E.布倫撰寫的。他在這篇文章的結論部分,不大情願地提到了傾向于支持魏格納觀點的證據(來自古磁學和海底殼層研究)。但緊接著,他羅列了一大堆“反對大陸漂移說”的新舊批評意見。布倫寫道:當“該理論的創立者們就這些批評意見作出答復後,這些答復也受到了質疑”(p.216)。1976年,也就是哈拉姆和馬文的歷史研究著作(二者都宣稱地球科學革命已經取得了成功並分析了它的結構)出版三年後,當時這篇最新的魏格納傳記的最後結論是:“大多數地球科學家的熱情,甚至是宗教式的狂熱,促使他們相信大陸漂移理論已建立起來了”(p.217)。

布倫使用“宗教式的狂熱”這種說法,是因為60年代觀念變化時期所使用的語言帶有很強的宗教隱喻色彩,在涉及到轉變問題時更是如此。庫恩通過研究發現,這一點是科學革命過程中相當普遍的特點之一。圖佐·威爾遜的經歷便是一個典型的例子。威爾遜在1959年還是大陸漂移說的主要反對者之一。但沒過幾年,他的觀念發生了轉變,並自稱是“改造了的反大陸漂移說者”(見威爾遜1966,3-9,談及了他的轉變過程)。後來,他不僅提出了一些支持大陸漂移說的重要的地質學證據,而且還成為地球科學革命的主要先驅之一。

1963年,國際地質學和地球物理學聯合會第13次會議在美國伯克利舉行。在會後出版的關于“上地幔計畫”的文集中,威爾遜發表文章勇敢地宣布:“地球科學中已經在孕育一場偉大的科學革命”(塔克奇1970,244)。他說,地球科學目前的情境正同“哥白尼和伽利略的觀念被接受前天文學的情境;分子和原子概念引入以前化學的情境;進化論建立之前生物學的情境;量子力學誕生前物理學的情境”一樣。

60年代末70年代初,出現了大量關于大陸漂移說。古磁學和地磁學的論文集。1968年4月,美國哲學學會年會文集便是其中之一,其標題為《重遊岡瓦納大陸:大陸漂移說的新證據》。該文集收錄了這樣一篇文章:《靜止還是運動的地球:當前的科學革命》。文章作者威爾遜(1968,309;317)宣稱:“我們這個時代發生的這場偉大的科學革命應當稱作魏格納革命”,以紀念這場革命的“主要倡導者”。地球科學家們一般都贊同威爾遜的意見,認為確實存在一場科學革命,作為首先提出大陸漂移說的關鍵人物魏格納理應獲得這一殊榮。可是,歷史上以個人名義命名革命的榮譽曾經賦予給哥白尼、伽利略、牛頓、拉瓦錫、達爾文和愛因斯坦,但至今仍未賦予魏格納。

正如我們已經看到的那樣,許多文獻的作者把魏格納開創的科學革命比作哥白尼革命。二者有一點是極為相似的:地球科學中最後的革命與魏格納最初的假說已相去甚遠,而開普勒、伽利略和牛頓最終建立起的體系中,與哥白尼的理論一樣大相徑庭。正如天文學革命直到哥白尼的著作1543年發表半個多世紀後才最終到來一樣,地球科學革命也是在魏格納最初的論文與著作發表50年後才得以發生。

最終發生的所謂哥白尼革命,實際上是牛頓革命,這場革命主要基于伽利略、開普勒的成就,而作為這場革命基礎的“哥白尼體系”最終成為了開普勒體系。與此相似的是,本世紀60年代發生的地球科學革命並沒有體現魏格納的理論,而隻是體現了其學說所蘊含的基本思想,即在地球的全部演化史中,大陸並非一直固定在現在其所處的位置上,在歷史上的某個時期,它們曾聚集在地球的兩極。魏格納的主要貢獻是首次提出了大陸運動的思想,它在地球科學革命中的地位正如哥白尼的主要貢獻——指出可以按照地球運動而非靜止的觀念構造一個新的宇宙體系——在天文學革命中的地位一樣。

地球科學從固定觀到運動觀,特別是向大陸漂移說和板塊構造說的飛躍,根據第3章提出的四項主要的檢驗標準,無疑是一場革命。首先,傳統地質學觀念發生的這種變化在當時就被許多觀察家包括這一領域的實際工作者看作是一場革命。我認為,這是發生科學革命的主要標志。其次,考察1912年以前和1970年以後的地球科學的內容表明,量的變化也足以構成一場科學革命。第三,嚴肅的科學史家們也斷言;地質學思維方式的變革足以引發一場科學革命。

很明顯,這有點主觀臆斷的意味,但它確證了參與這場革命的地質學家和地球物理學家的結論。我們已經看到,在成功的地球科學革命發生以前很久(即理論科學革命階段以前),很多地質學家甚至那些魏格納學說的反對者們都意識到了大陸漂移說的革命性,並且完全懂得如果接受了這種觀點,對全部的傳統地質學理論來說將意味著什麽。第四,當今地質學家們普遍認為,他們的學科已經發生了一場革命。

但是,這場革命的程度如何?它能稱得上是一場堪與達爾文革命、量子力學革命和相對論革命或是牛頓革命相比的重要的科學革命嗎?或者是規格稍遜一籌的,與化學革命類似的革命嗎?我們已經看到,喬治·G.辛普森把它稱為“一場重要的亞革命(Sub-revolution)”。D.P.麥肯奇(1977,120-121)在一篇文章《論板塊構造說與地質學理稻‘進化”的關系》的中,把“板塊構造說對地球科學的沖擊”與“DNA結構的發現對生物學的沖擊”作了對比。

他的結論是:“板塊構造說與導致分子生物學創立的那些發現相比,是一場不太具備根本性質的革命”,正是由于這個原因,“這一新思想…已經被地質科學所同化並迅速地加以發展。”但對任何局外人來說,如果了解到我們關于地球演化史觀念發生的根本性變化,必然會感到觀念的飛躍是如此巨大,簡直就是一場偉大的革命。隻是由于完全缺少意識形態成份,這場革命才顯得不那麽壯觀。    

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