17.大陆、海洋和山脉的起源

《起源：NASA天文学家的万物解答》17.大陆、海洋和山脉的起源,页面无弹窗的全文阅读!

THE ORIGIN OF CONTINENTS, OCEANS, AND MOUNTAINS

最微小的运动对于整个自然界非常重要。整个大洋都会受到一块卵石的影响。

——布莱斯·帕斯卡

（BLAISE PASCAL）

在永恒的面前，山脉就像白云一样转瞬即逝。

——罗伯特·格林·英格索尔

（ROBERT GREEN INGERSOLL）

本章研究目标

本章内容将涵盖：

· 大陆的形成与生长

· 构造板块理论

· 火山的起源

· 山脉和海洋的形成

· 岩石的起源和类型

· 地球风光的演变

行星形成的过程非常快。地球的形成只用了1 000万年，并在形成之后不久便拥有了坚硬的地壳。从那以后，地球演变的过程大幅减慢，经过几十亿年才形成了今日地球上的风光：大陆、海洋和山脉。然而，许多年来，一直没有一个公认的理论能够说明大陆的形成方式和全球分布方式，海洋和山脉位于它们现在所在地点的原因，以及它们是按照什么样的次序形成的。

大约在1925年，根据地球表面至少扩张到其最初面积的2倍这种假设，地质学家们提出，海洋盆地是在分裂的大陆之间出现裂缝的结果。早期的假说也认为，大陆是在它们今天所在的位置上生长的，是通过陆地的积聚孤立地形成的。随后，由于厚层沉积岩的汇聚，地壳发生扭曲，导致山脉隆起并最终在大陆和海洋的地壳边界上形成。

大陆形成的现代理论是由德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener，1880—1930年）提出的，他的假说是：大陆本是同一块陆地的各个部分，但这些部分在陆地开裂后发生漂移，形成了现在的陆地分布。魏格纳的理论使大约在1910年形成的大陆漂移概念进一步发展。通过魏格纳的工作，大陆大规模运动的概念也得到了发展。这一概念出现在1859年第一份全球地图出版之后，当时人们注意到大西洋两侧海岸线的地理特征极为相似，可以将南美洲与非洲海岸拼在一起。魏格纳假定曾经存在着一个他称之为泛大陆（Pangaea）的超级大陆，后来分裂成今天的各部分大陆，这些板块发生漂移，相互远离。

本章首先将解释大陆漂移论背后的概念，然后描述几项发现——正是它们使有关大陆、海洋和山脉起源的现代假说产生。本章还将介绍构造板块理论和不同类型的构造板块，岩石的起源和地球景观的演变。

初期的大陆与大陆漂移

根据对山脉、岩石类型与化石的观察，地质学家们绘制出陆地和海洋曾经的分布图。岩石也揭示了昔日的裂谷与俯冲现象。根据这些观察事实，地质学家们重建了大约于10亿年前形成的第一个超级大陆，人称罗迪尼亚（Rodinia）超级大陆。罗迪尼亚大约于7.5亿年前开始分解。它的碎片在大约5亿年前重新开始组装，形成了超级大陆泛大陆。大陆的持续运动改变了陆地和海洋在地球表面的分布，同样也影响了气候系统。这一运动背后的驱动力是下节将要讨论的构造板块运动（tectonic plate movement），它是岩石圈（lithosphere，即地球的最外层）之下的对流过程的结果，于是出现了魏格纳发展的大陆漂移概念。

泛大陆的分解开始于大约2亿年前，那时人称劳亚古大陆（Laurasia）的北部大陆开始与人称冈瓦纳大陆（Gondwana）的南部大陆分离。大约在同一时期，北美洲开始与欧洲分离，形成了北大西洋（North Atlantic Ocean），而冈瓦纳大陆沿着非洲东海岸分裂，分别形成了南美洲、非洲、印度和南极洲，创造了南大西洋（South Atlantic Ocean）。当前的陆地分布大约形成于6 600万年前，当时的澳大利亚离开了南极洲和印度，并入欧亚大陆（Eurasia）。所有这些都是通过一种叫作大陆漂移的过程发生的。然而，也有一些反对大陆漂移概念的论证，例如，这种概念要求地球的岩石圈能够漂移而不是僵硬的，而当时人们认为岩石圈是僵硬的。同样，人们当时也找不到大陆运动背后的驱动力，由于太阳和月球的潮汐力都不够强，无法让大陆漂移与分离。

1921年，以大西洋两岸的地质结构、岩石与化石年龄的相似性和气候数据为基础，南非地质学家A.L. 杜托伊特（A.L. du Toit）提供了支持大陆漂移概念的无可辩驳的证据。在非洲和南美洲发现了类似的3亿年前的爬行动物中龙（Mesosaurus）化石，但在其他地区都没有发现，这说明当这些生物活着的时候，这两块大陆是连在一起的。中龙是一种淡水爬行动物，会游泳。如果中龙能够泅渡南美洲和非洲之间的海域，它们应该也可以游到其他地方去。但它们的化石在其他地方未见踪迹，这一事实表明，当这两片大陆漂移分离的时候，它们被分开了。此外还有其他的证据，如类似的大型植物的种子分布在全球各地（它们不可能在风力的裹挟下漂洋过海）；如今在马达加斯加（Madagascar）的虫子更接近于印度的虫子，而不像附近的非洲虫子；在非洲发现的化石更接近于印度的化石；以及3亿年前通过冰川沉积的岩石现在分布在南美洲、非洲、印度和澳大利亚……所有这些事实都意味着，这些陆地曾经都是同一片大陆上的一部分。现在的基本问题是：泛大陆是怎样分解的？这块陆地的不同部分是怎样开始运动的？

构造板块理论

图17.1 地幔中的对流（温度不同的物质的运动）。对流造成了使地球的岩石圈分裂的力，形成了板块构造

20世纪60年代发展起来的构造板块理论指出，地球外层的岩石圈是由13个刚性板块构成的，它们在地球表面上相互运动——平行滑动、相向而行或者相互远离。我们称这些板块为构造板块（tectonic plates）。构造板块沿着岩石圈之下刚性较差的软流圈（asthenosphere）运动，速度约为每年1至15厘米（图17.1）。最大的板块是大西洋板块，包括大部分大西洋。北美板块从北美洲的大西洋沿岸延伸到大西洋中部，并在那里与欧亚板块和非洲板块相遇。

岩石圈的破裂是地幔对流产生的压力的结果，使由此形成的板块在地幔上方运动（图17.1）。地质活动通常发生在板块边缘的交界处。这里就是地震发生、火山出现、山脉形成和断裂呈现的地带。

图17.2 来自地球软流圈的岩浆形成了洋中脊。使海底分开的海洋地壳由此产生。分散的边界是两个大洋板块之间的海底脊或两个大陆板块之间的山脊、山谷形成的原因

海底扩张

能够让大陆运动的力是由地球的地幔对流造成的（图17.1）。这种力在地球的岩石圈上形成了裂缝，这些裂缝会让构造板块分开，通过一种叫作海底扩张（seafloor spreading）的过程形成新的海洋地壳。在这个过程中，岩浆（在地幔中熔融的高热岩石）冲出地球，冷却后变成固体（图17.2）。关于这一点的证据来自大西洋洋中脊（Mid Atlantic Ridge）的发现，它是大西洋海床中的一处开放通道，周围环绕着新生成的玄武岩（带有精细颗粒的深颜色岩石），而不是古老的花岗岩。而且，在大西洋洋中脊周围所做的测绘显示，有一个很深的谷（或者裂缝）存在。距离洋中脊越远，那里的地壳就越古老，说明大西洋海床上的地壳被切开了，岩浆从地球的软流圈中漏了出来（图17.2）。地质学家们进一步发现，大西洋上的所有地震都是围绕着这一点发生的，发生在构造板块之间的断层上。这证实了这一断裂是两个板块之间的活跃边界。于是，海床扩张理论表明，大陆可以通过在洋中脊形成新的岩石圈而相互分离。大约三分之二的地球表面和所有的海洋地壳都是最近2亿年间通过海底扩张形成的。

现在的问题是，是否能够循环利用从地球表层下面涌出的物质，让它们回归地球表层以下。如果不能，则地球的表面将会因为更多岩石圈的形成而增加。这个问题已经通过考虑构造板块是在地球表面上运动的刚性板块得到了解决。人们还发现岩石形成和演变的过程——断层、压缩或剪切——全部发生在这些边界的附近。这些发现证实了构造板块理论。

岩浆中含有硅和氧，以及各种比率的铝、钙、钠、钾、铁和镁。从地下涌出的岩浆中包含挥发性物质，如水、二氧化碳、氮、氢和二氧化硫（SO2）等，它们以气态的形式通过火山爆发来到地面。所以，它们含有水分子（这些水分子最终将进入大气层）以及岩石中的矿物质。岩浆能够来到地球表面，是因为它的密度低于周围的岩石，所以在深处覆盖着岩浆的岩石对其产生了压力，把岩浆向上挤出了地表层。

构造板块的类型

构造板块相互发生横向或纵向的移动，是形成地震、火山、山脊和山谷的原因。板块有三种类型，根据它们相互之间的运动方向来定义。在某些地方，板块之间相互远离，这就是分离板块，会造成海底扩张；在其他地方，板块也会相互靠近，即汇聚型板块，它们会形成山脉。海底扩张（利用从地下涌出的物质）会扩大地球的表面，而汇聚过程会减小地球的表面。平均而言，这两种过程带来的总体效果是保持地球的表面积不变。我们下面讨论构造板块的运动。

图17.3a 图中显示了两块在海洋下面的海洋板块。在它们合并的地方，一条海沟在海洋下面形成，而火山活动产生了新的岛屿，并由于岩浆积蓄，火山形成而延伸到洋面以上。这种情况的例子是夏威夷群岛和夏威夷火山，它们是由两块海洋板块汇聚形成的

图17.3c 两块大陆板块汇聚将抬高陆地，在一面形成高原（即位于上方的板块），在另一面形成山脉。在大陆中间相撞的板块不经常形成火山。这种大陆板块汇聚的例子有亚洲的喜马拉雅山脉（Himalayan mountain range）、乌拉尔山脉（UralMountains）和欧洲的阿尔卑斯山脉（Alps）

图17.3b 图中显示了一块海洋地壳在一块大陆地壳下面的运动。这会生成海岸山脉，它们大多为火山。我们可以沿南美洲（秘鲁）和北美洲（阿拉斯加州）的太平洋沿岸找到这种情况的例子

分离型边界：这是板块分开、新的岩石圈形成的地方（图17.2）。当这种情况在海底发生时，从地球内部涌出的岩浆向外扩散，形成海洋地壳和地球的洋底。这也会在海洋底部形成山脉。冰岛这个岛屿就是通过板块的分离形成的大西洋洋中脊的一部分。

分离型边界也可以在大陆上出现，并产生以山谷、火山和地震为特征的大陆裂谷（continental rifts）。红海（Red Sea）和加利福尼亚湾（Gulf of California）就是大陆裂谷的例子，大陆在那里分离得很远，可以形成海床。在其他情况下，大陆裂谷开始出现，但没有真正完成分离，比如东非的大裂谷（Great Rift Valley of East Africa）。

汇聚型边界：这种边界是在岩石圈板块相遇时形成的。这将导致下面总结的一些地质特征。

洋-洋板块汇聚型：在两块海洋板块的岩石圈汇聚时出现（图17.3a），会造成一种叫作俯冲（subduction）的过程，即一块板块向另一块板块的下面运动。俯冲板块沉向软流圈并进入地幔，产生狭窄的深海沟。只有海洋板块能够俯冲，因为它们比大陆板块更加致密。当冷岩石圈进一步进入地幔融合时，压力将会积蓄，正在下沉的板块上方会发生熔化，产生岩浆。岩浆将在海沟后面形成火山和岛屿链。我们可以在这里举出夏威夷群岛（Hawaiian Islands）和西太平洋水下的深海马里亚纳海沟（Mariana Trench）的例子，后者深达11千米。

洋-陆板块汇聚型：当大陆板块与海洋板块汇聚时出现（图17.3b）。由于大陆地壳比较轻，海洋板块将会下沉。结果大陆地壳因为受到汇聚造成的力的挤压而变形。这会抬高大陆地壳上的岩石，并形成与深海海沟平行的链状山脉。海洋俯冲板块携带的海水将使地幔熔化，形成火山。这将导致地球内部深处的强地震。这种情况的一个例子是南美洲的链状安第斯山脉。

陆-陆板块汇聚型：这是由两块大陆板块的汇聚造成的（图17.3c）。在这种情况下不会发生俯冲过程。两块板块最后都会浮在地幔上面，但其中一块会覆盖在另一块上方。欧亚板块与印度板块（都是大陆板块）的碰撞造成了地壳双重厚度，生成了世界上最高的山脉喜马拉雅山，以及西藏高原（Tibetan Plateau）。地壳的皱褶造成了强烈的地震，这就是陆-陆汇聚的结果。

图17.4 两块构造板块相对、并排而行（转换型边界），会引起地震

转换型边界：这种边界是在板块之间相互滑移时出现，其中没有发生岩石圈形成或者被摧毁的现象（图17.4）。在这种情况下，板块相向而行，会引起地震。加利福尼亚的圣安地列斯断层（San Andreas Fault in California）就是太平洋板块在北美板块上滑移的结果。转换边界可以沿着洋中脊出现，那里的海底扩张被中断而不再连续，形成了阶梯模式。

岩石的起源

岩石的定义是由矿物或非矿物质结合而成的固体。岩石的类型是由两个因素决定的：矿物质组成（岩石中不同矿物质的分数）及其中矿物晶体和颗粒（纹理）的大小和形状。从地球内部流出的岩浆遇冷凝结，变成了火成岩（igneous rocks）。火成岩的类型取决于形成它的物质（岩浆）的组成及其所处的环境。地球内部的岩浆缓慢地冷却时，会形成微晶。这种情况下，在整块岩石固化为火成岩之前，一些晶体有足够的时间成长到直径几毫米的大小。当岩浆通过火山爆发释放时，它会在地球表面很快冷却。在这种情况下，形成单个晶体的时间不足，只有更小的晶体能够形成。这解释了火成岩拥有不同的形状和类型的原因（专题框17.1）。

专题框17.1 岩石的类型

在地质学中，岩石可以分为三个基本类型：

火成岩：这类岩石来自冷凝并固化了的熔融岩石。

变质岩：这类岩石是在足以改变它们的结构和化学组成，但尚不足以令其熔化的高压与高温下形成的。

沉积岩：这类岩石主要形成在海底，是沉积物受到高压压缩形成的。

岩石可以从一类变为另一类。例如，火成岩可以在高温、高压下变成变质岩，而这两种岩石都可以通过侵蚀变成沉积岩。因此，岩石的类型不会为它的组成提供很多信息。相反，每块岩石都是由不同的晶体组成的混合物，每种不同的晶体都代表着一种矿物，具有特定的化学组成。以上类型说明某种岩石是怎样形成的，而其中的矿物组成揭示了它是由哪些物质构成的。因此，岩石又进一步分为子类。例如，火成岩的子类包括玄武岩，它是一种深颜色的致密岩石，由海底火山生成，富含铁和镁基硅酸盐；另一个子类是花岗岩，它的颜色比玄武岩浅，没有那么致密，经常出现在山脉中，主要成分是石英。

当已经存在的岩石破裂，其中的颗粒被风或者水搬运并在新的环境中沉积时，这些颗粒凝聚到一起形成了沉积岩。沉积岩的性质也取决于颗粒的组成和它们被压在一起时的环境。我们可以在陆地上或海底发现沉积岩。有时候，高温、高压改变了以前的岩石的性质。这种情况也可以通过岩石的挤压与拉伸发生，结果便形成了变质岩（metamorphic rocks）。形成变质岩的温度低于岩石的熔点（大约700摄氏度），但仍然高于使岩石产生化学反应而发生变化的温度（大约250摄氏度）。从火成岩出发，可以生成所有其他类型的岩石，每一种都是在特定的构造活动条件下形成的（专题框17.1）。

变化的大陆地貌、大洋和岩石

在构造板块理论的框架之内，导致大陆、山脉和海洋形成的过程都是相关的。海洋盆地的打开与关闭、山脉的出现和消失、大陆的面积和体量的演变，这些全都在一个大约持续了2.5亿年的周期内发生。人们称之为威尔逊旋回（Wilson cycle），以加拿大地质学家图佐·威尔逊（Tuzo Wilson，1908—1993年）的名字命名，而且，威尔逊旋回还有后续阶段，如图17.5所示。

图17.5 大陆的分裂、海洋盆地的打开，以及山脉的形成都可以通过威尔逊旋回解释，这一循环每2.5亿年发生一次

插图出处：图17.5: Copyright © Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research/United States Geological Survey (CC by 4.0.)

在一块大陆上的裂谷会导致地壳崩溃和新海底盆地打开，形成海洋地壳。这一过程是由于大陆地壳受到侵蚀与风化而变薄开始的。当大陆地壳分裂时，海洋盆地变大，在两块如今分开了的大陆之间形成一片海洋。海洋形成之后，以海洋地壳向大陆地壳下面俯冲为特征的汇聚开始，导致该地区火山群的形成。在俯冲发展时海洋变小，同时大陆地壳变厚。当大陆发生碰撞时，相交区域的地壳变厚，形成了山脉和新的超级大陆。超级大陆随后发生侵蚀，它的地壳因此变薄，循环重新开始（图17.5）。

在威尔逊旋回期间也会生成不同类型的岩石，其中一种类型会转变成另一种，这个过程叫作岩石循环（rock cycle）。当循环通过大陆断裂而开始时，来自大陆的沉积物发生侵蚀，并积蓄在断裂盆地中，形成沉积岩。当海底扩张在新形成的海洋盆地上发生时，岩浆在洋中脊中上升，形成火成岩。海洋盆地的闭合导致山脉的形成和大陆的碰撞。形成变质岩所需的高温、高压由此产生。通过这一过程形成的山脉使空气中的湿度上升，变得凉爽。这会造成风化以及随后的侵蚀，它们会剥离高山表面层。与此同时，水流会把物质和沉积层从碰撞区域搬运到海洋里，它们会在那里作为沉积岩沉积。

最后，有两个导致大陆生长的过程。其中一个过程是低密度且富含二氧化硅的岩石从地幔运动到地壳。大陆地壳通常是由俯冲的岩石圈熔化形成的岩浆在俯冲区形成的。这些岩浆运动到表面，形成地球的地壳。另一个让大陆生长的过程是积聚。之前从地幔分离的物质在板块运动时聚集到一起，增加了大陆的体量。一旦大陆地壳形成，它们就会因为山峰形成的过程和断层而受到重大影响。当两个大陆碰撞时，它们会经历水平方向的压缩，使地壳的厚度增加。这将造成底层地壳的岩石熔化，产生的岩浆会上升，形成上层地壳。

总结与悬而未决的问题

大陆、海洋和山脉形成的现代假说于20世纪60年代开始成形，当时人们发展了大陆漂移的概念。利用大陆海岸线上的证据，以及世界各地的化石记录与地质年代确定方面的数据，地质学家们得出了结论：世界上的各大洲曾经都是一块叫作泛大陆的陆地的不同部分。泛大陆后来在大约2亿年前分解，并从那时起演变至今。当今的陆地分布大约于6 500万年前形成。

为了解释大陆漂移的过程，人们发展了构造板块理论。根据这一理论，地球的岩石圈分为13个固体板块，它们彼此相对运动。造成地球外层地壳分裂的是地幔对流（冷热物质由于温度不同发生的运动，较热的物质处于上层）产生的力。这是地球表面一切结构的形成原因。构造板块假说由于洋中脊的发现得到证实——来自地幔的物质在那里冷却，并在海底扩张，形成了固态海洋地壳。大西洋洋中脊出现在两个板块相交的地方。距离洋中脊最近的物质是年轻的玄武岩，随着地壳年龄的增加而离开洋中脊。

当两块构造板块彼此分离时会形成裂谷（分离型边界）。如果这种现象发生在两块海洋板块之间，热岩浆将涌出地表，形成海洋地壳，海洋地壳将不断生长，并在海底形成大洋中脊。如果是大陆板块，则将形成裂谷。当两块板块向一起靠拢（汇聚型边界）时，根据它们的类型（是两块海洋板块，还是一块海洋一块陆地，或者是两块陆地板块），最终会分别形成火山和岛弧，海沟和火山，或者是山脉。当海洋板块与大陆板块汇聚时，由于海洋板块更致密，它们会向大陆板块下面运动，进入岩石圈，在那里，有一部分物质会熔化并形成火山。

无论是大陆的分裂、海洋盆地的生成还是山脉的形成，都可以通过威尔逊旋回的板块运动来解释。这一循环也解释了不同类型岩石的起源和各种类型之间的转化情况。一旦大陆分裂为互相分开的陆地，它们便开始四处漂移。大陆漂移的概念得到了今天各种观察结果的支持，是世界上陆地和海洋分布的原因。大陆分裂并以分开的陆地的形式运动，这种状况造成了今天地球上的生态。不同陆地处于不同纬度上的位置，会使适于不同气候的生态得到发展。

我们可以从威尔逊旋回看出，许多事情的发生导致了今天世界的状况，它们之间是相互关联的。这些事情影响了需要维持生命的生态的发展，如稳定的温度、营养和生命需要的物质。因此，我们现在面对的悬而未决的问题包括：构造板块是怎样影响地球生命发展所必需的营养物质和物质的流通的？在我们的行星上，这些条件是如何在如此之长的时间内维持的？大陆现在的漂移将给未来的5 000万年带来什么？当研究其他行星上的生命时，我们应该注意构造板块运动中哪些可观察的效果？自从超级大陆罗迪尼亚时代以来的最近10亿年间，由构造板块活动引起的陆地运动对于地球上生命的发展与进化产生了重大影响，也形成了不同的气候和动植物生长需要的条件。由此形成的海洋哺育了地球上最初的生命。这些事件都是相互关联的。

回顾复习问题

1. 解释大陆漂移的过程和支持这种说法的观察事实。

2. 有哪些反对大陆漂移理论的论据？

3. 所有大陆都来自一片陆地。这种情况存在于多久之前？这片陆地的名字是什么？

4. 当前的陆地分布是在多久之前成形的？

5. 解释构造板块理论。

6. 一共有多少构造板块？它们是怎样形成的？

7. 什么是海底扩张？

8. 大西洋洋中脊有何重要意义？

9. 解释构造板块的不同类型。

10. 夏威夷群岛是怎样形成的？

11. 什么是俯冲过程？

12. 哪种板块更厚，是海洋板块还是大陆板块？解释其原因。

13. 喜马拉雅山脉是怎样形成的？

14. 解释不同的岩石类型及其起源。

15. 什么是威尔逊旋回？

参考文献

Marshak, S. 2012. Earth: Portrait of a Planet. 4th ed. New York: Norton.

Jordan, T.H., and J. Grotzinger. 2012. The Essential Earth. 2nd ed. New York: Freeman.