极地深海地球科学

作者简介

弗雷德里克·K. 卢金斯 在伊利诺伊中央学院担任教授长达30余年，长期从事气象学、地理学的教学与研究工作，以该学院荣誉教授身份退休。著有多部地球科学主题的图书。卢金斯教授凭借出/色的学术表现和对学生的奉献精神，被伊利诺伊中央学院评为“有影响力的教师”。 爱德华·J. 塔巴克 伊利诺伊中央学院教授。自1970年以来，与卢金斯教授一直是朋友和同事。拥有超过30年的大学教师教龄，以该学院荣誉教授身份退休。著有多部地球科学主题的图书。

内容简介

Q1 为什么不会游泳的恐龙也能越过海洋？ 科学家发现，相隔千里的大洋两岸存在相同的生物化石。一个典型例子是中龙，中龙是一种小型淡水爬行动物，其化石主要存在于南美洲东部和非洲西南部二叠纪（约 2.6 亿年前）的页岩中。南美洲和非洲现在相隔何止万里，中间是一片汪洋大海，中龙是如何跨越海洋，同时出 现在这两个地方的呢？ 德国气象学家、地球物理学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）断言，南美洲和非洲在中龙出现的时期肯定是连在一起的。魏格纳在1915年写成了《大陆和海洋的形成》（The Origin of Continents and Oceans），并提出了“大陆漂移假说”。这本书阐述了魏格纳的大陆漂移假说，大胆地挑战了长期以来大陆和洋盆具有固定地理位置的观点。 接下来，让我们一起追溯大陆漂移假说的发展，分析它最初不被学界所接受的原因，以及了解最终使后续理论——板块构造理论被人们所广泛接受的证据。 从大陆漂移到板块构造 直到20世纪60年代末，大多数地质学家仍认为洋盆和大陆的地理位置自古以来都是固定不变的。但实际上，大陆并不是静止的；相反，它们会在整个地球范围内逐渐迁移。这些运动使大陆板块相互碰撞，导致其间的地壳变形，从而形成地球上巨大的山脉，如喜马拉雅山脉（见图 3-1）。陆地板块偶尔会分裂，分裂的板块之间会出现一个新的洋盆。同时，海底的其他部分会陷入地幔。 科学思想上的这一深刻转变无疑具有革命性。这场革命始于20世纪初的一个假说，即大陆漂移假说。在接下来的50多年内，科学界断然否定了大陆能够运动的观点。北美的地质学家尤其不能接受大陆漂移假说，这也许是因为很多支持性证据都来自非洲、南美洲和澳大利亚，而北美地质学家多半可能对这些大陆并不熟悉。 “第二次世界大战”以后，现代仪器取代了岩石锤，成为许多地球科学家的首选工具。包括地球物理学家和地球化学家在内，研究者们有了几项令人惊讶的发现，这些发现重新激起了人们对大陆漂移假说的兴趣。到了1968年，这些进展引出了一个更具包容性的解释理论，即板块构造理论。板块构造是指岩石圈板块的运动，这种运动改变了大陆，引发了火山活动、地震和造山运动。板块构造过程使地壳变形，形成山脉、大陆、海洋盆地等主要构造特征。 大陆漂移：一种超前观念 在17世纪，随着世界地图越来越完善可靠，人们注意到某些大陆可以像拼图一样拼合在一起，特别是南美洲和非洲大陆。然而，直到魏格纳写成《大陆和海洋的形成》一书时，人们才意识到这个发现的重要性。 魏格纳认为，曾经存在过一个由地球所有陆块共同组成的超大陆。他将这片巨大的陆地命名为泛大陆（Pangaea，英文发音为 Pan-jee-ah，意思是“所有陆地”），如图 3-2 所示。他还进一步假设，大约在 2 亿年前，在中生代时期，这个超大陆开始分裂成较小的陆块，它们在随后的数百万年内“漂移”到目前所在的位置。 魏格纳等人收集了大量证据来支持大陆漂移假说。南美洲和非洲轮廓的契合，以及化石和古气候的地理分布，似乎都佐证了这种观点。 证据：大陆“拼图” 魏格纳和一些人注意到，大西洋两岸的海岸线之间存在着惊人的相似性，于是怀疑两岸的大陆可能曾经是连在一起的。然而，其他地球科学家对这一证据提出了质疑。这些反对者认为，海岸线会不断地被波浪的侵蚀和沉积过程所改变（事实的确如此）。即使发生了大陆漂移，现在两岸的海岸线也不太可能吻合。因为魏格纳最初对大陆的拼合（见图3-2）比较粗糙，所以想来他也应该意识到了这个问题。 科学家们后来确定，位于海平面以下几百米深处的大陆架向海一侧的边缘更加贴近大陆外边缘。20世纪60年代初，爱德华·布拉德爵士（Sir Edward Bullard）和他的两位同事绘制了一幅将南美洲和非洲大约 900 米深的大陆架边缘拼合在一起的地图（见图 3-3）。通过这些测量得到的拼合非常精确。 证据：跨洋的化石匹配 魏格纳了解到，人们在南美洲和非洲的岩石中都发现了相同的生物化石。事实上，那个时代的大多数古生物学家（研究古生物化石的科学家）一致认为，需要某种方式的陆地联系，才能解释为何在分离的大陆上会广泛存在相似的古生代生命形式。正如北美洲本土的现代物种与非洲和澳大利亚的现代物种截然不同，在古生代，相隔甚远的大陆上的生物应该也是如此。中龙属动物和舌羊齿属植物。魏格纳记录了在如今相距甚远的陆地上发现的几种生物化石（见图 3-4），并且这些生物不太可能跨越广阔海洋的屏障。 魏格纳还认为，舌羊齿化石的分布也可作为泛大陆存在的证据。舌羊齿是种子蕨舌羊齿目最重要的代表属。这种植物有着舌头形状的叶子，它的种子因为太大而无法被风吹走，但它们广泛分布在非洲、澳大利亚、印度和南美洲。后来，人们在南极洲也发现了舌羊齿化石 a。魏格纳还了解到，种子蕨类植物和相关的植物群只生长在气候凉爽的地方，比如加拿大中部。因此他得出结论，在这些大陆还未分裂时，它们所处的位置离南极更近。 大陆漂移的反对者如何解释相隔数千千米的大洋两岸存在着相同的生物化石呢？关于这种生物迁移，科学家给出的最普遍的解释包括漂流、地峡连接（跨洋陆桥）和岛屿跳板（见图 3-5）。例如，我们知道，在大约8 000年前结束的冰期，随着海平面逐渐下降，包括人类在内的哺乳动物才得以穿越分隔现今俄罗斯和阿拉斯加半岛的狭窄的白令海峡。那么，有没有可能，非洲和南美洲也曾由陆桥连接，但后来陆桥被海洋吞没了呢？不过，现代的海底地图显示，沉没的陆桥并不存在，这证实了魏格纳的论点。 全球畅销40年，荣获“麦格菲奖”。 内容全部出自名校杰出教授的课堂，趣味地球科学问题引入+细致前沿解答，指引好奇心，在探究中构建通识思维。 北京大学地球与空间科学学院教授季建清、北京大学科学传播中心教授刘华杰、中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授苟利军，青年古生物学者、知名科普作家邢立达，国内权威自然科普作家、科学教育专家陈睿联袂推荐！ 湛庐文化出品。