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地球考察的进展

发布日期:2010-12-24 14:12:32 来源:市科协 字体:【    

  当代开始以来,人们利用各种先进的调查手段,对地球的大陆和大洋进行了广泛而深入的考察,取得了超过以往任何时代的丰富资料及一些重大发现,对地球的历史及构造有了更为深刻的认识。

  (1)对地球历史的考察

  大约6 亿年前的地球地质时期称为前寒武纪时期。它是研究地球起源、元素起源和生命起源问题的重要时期。同位素地质年代学的发展,航天考察的出现,极大地促进了对前寒武纪地质历史的研究。

  1902年,卢瑟福提出了不稳定元素衰变原理,为同位素地质年代学的产生奠定了基础。1907年,美国的波特伍特(1870-1927)取得了第一个矿物放射性铅的年龄数据。英国地质学家霍姆斯(1890-1965)写出了《地球的年龄》等专著和论文,并于1947年首次提出了地质时间表。他对地球年龄的估计为45.5亿年。这一估计后来被普遍认可。50年代以来,由于质谱仪和同位素稀释技术的广泛应用,使地质年代学的研究取得很大成就。1978年,原苏联在乌克兰发现了地球上距今40亿年前形成的岩石。1990年和1991年,美国在加拿大西部和拉布拉多北部发现了39.6亿年前和38亿年前的岩石。此外,在格陵兰、南极、澳大利亚、中国的辽宁鞍山和河北迁安都发现了35亿-43 亿年前的岩石。这些发现都表明,地球的球壳早在40多亿年前就形成了。

  1969年,美国" 阿波罗" 登月的成功,为人类认识地球的早期历史又打开了一扇大门。" 阿波罗"6次登月,采集月岩和月壤标本270 公斤,并将月震仪、磁强针、太阳风能谱仪送上月球。通过对月球的综合考察,人们对月球的构造、矿物和元素都有了深入的认识。60年代以来同位素年龄测定表明,地球、月球、陨石大约是在46亿年前同时产生的。月球质量小,能量不足,生成到30岁亿年前左右,演化基本停止,保持了30多亿年前的构造特征。地球能量大,继续演化,后期的地壳运动破坏了前期的地形、地貌和构造。因此,月球成为认识地球30亿年前演化历史的重要参照物。

  70年代以来,美国、原苏联利用深钻和超深钻技术直接研究古老地盾深部的构造特征,使对前寒武纪构造分析和分区由地表、近地表的研究进入到地壳深层和上地幔阶段。

  有关前寒武纪古生物地层学的研究也有重大进展。60年代后,人们应用电子显微镜,发现了许多化石如苦泉群体、贡佛林特微植物群等。采用化学方法,人们于60年代在澳洲陨石中发现了十几种氨基酸,还有人分析了5 亿年前的三叶虫甲壳里的游离蛋白质。这些研究对探明地球上生命的起源和生物发展都具有重要意义。同时,分子古生物学也逐步形成。

  由于前寒武纪地层中蕴藏着丰富的铁矿等矿产,所以对前寒武纪地质史的研究不仅有理论价值,而且也有重要的经济意义。

  (2)海洋地质学与海洋调查

  海洋地质学是研究海岸和海底的地质、地貌的一门科学。第二次世界大战以后,随着军事、海洋渔业及石油等海底资源开发的日益增长的需要,海洋地质学发展异常迅猛。

  海洋调查始于19世纪70年代。英国的" 挑战者" 号在环球航行期间,进行过较大规模的深海调查。此后,不少国家都开展了海洋调查。1947-1948 年,瑞典的" 信天翁" 号进行了海洋综合性调查,获取了相当丰富的海洋资料。

  第二次世界大战中潜艇的频繁活动、声纳的发明、50年代海上石油勘探的广泛进行,使人们对海洋有了进一步的认识。海洋地质学逐步成为一门独立学科。60年代以来,人们应用海底探测新技术,开展大规模的国际性联合大洋综合调查和勘探,获得了许多新资料,并发现了遍及各大洋的洋中脊、洋底磁异常条带、地幔对流和海底沉积物厚度变化的规律。1968年到1977年,美国的" .挑战者" 号钻探船航行25万海里,遍及世界各大洋,在海底钻探429 处,总进尺达62.5万英尺,获取了大量的大洋底沉积层和玄武岩样品,同时还进行了其他考察工作。大量海底考察资料表明,所有海洋盆地岩石样品都不老于1.6 亿年。离洋中脊越远,海底沉积层的地质年代就越老。

  他们还发现,自白垩纪以来,南大西洋板块单侧扩张速度为 2 厘米/年。这些发现为海底扩张学说的提出提供了大量证据。

  潜水调查在当代也有很大发展。1949年,瑞士人皮卡尔(1884-1962)

  研制成可以自行升降的深潜器。1960年,他的儿子J .皮卡尔与其他美国人一起,乘坐" 的里雅斯特" 号深潜器下潜到上万米深的马里亚那海沟。1971 -1974年的" 法美洋中脊潜水研究" 规模宏大,取得了丰富成果,其中有大洋裂谷的第一手资料。这些资料对板块边界扩张的研究起了重要的推动作用。这次潜水研究的另一项重大成果是证实了火山活动把地球深处的新物质沿着大裂谷的中线喷射出来。日本建造了以考察海底矿物资源和研究海洋生物等为目的的6500潜水船" 深海6500" 号及支援船" 横须贺" 号,19894 月开始试航。

  在海洋调查和勘探过程中,人们发现了极其丰富的海洋矿产资源。1872年," 挑战者" 号首先在大洋中发现锰结核。它是一种含有20多种有用元素的结核体。1974年,日本对冲绳以东海域和其他海域的调查发现,锰结核密度为5-26公斤/平方米,平均粒径为2-4 厘米。锰结核还以每年1000万吨的速率在生长着。海底石油和天然气的开发近几十年也蓬勃发展。现在石油、天然气的勘探和开采多在大陆架和浅水海域。1968年,美国的" .挑战者" 号在墨西哥湾的3000深的海域钻探,发现了含油沉积层,表明深海区也可能有石油。1948年,瑞典在红海裂谷地区2000深的深海中发现了重金属软泥。它是一种富含铁、锰、金、银等多种金属的未固结的泥质沉积物,其储量很可观。

  4.板块构造理论的形成

  本世纪初,德国的魏格纳(1880-1930)提出了大陆漂移说。到30年代末,这学说因缺乏有力的证据而沉寂下来。50年代,由于古地磁学及其他方面研究的进展,以及用新探测技术作出的发现,大陆漂移说又神奇地复活了,并逐步发展成新的理论——板块构造理论。

  (1)海底扩张说的产生

  50年代以来,英国的布莱克特(1897-1974)和兰康(1922-  )对英国、印度等地的古地磁场测量后发现,它们在地史时期所处的纬度与现在不同。1957年,他们根据英国和欧洲的岩石标本测定的磁化方向以及北美的标本测定的磁化方向,画出了两个地磁极移动的轨迹图,发现两个地磁移动的轨迹很相似,却又不一致。但是,只要将北美大陆向东转30°\u65292X不仅两条轨迹重合了,而且北美大陆和欧洲大陆也连接起来,其间的大西洋并不存在。

  两大陆现在的分离状态是后来大陆发生大规模相对水平位移造成的。这一有力的证据,使大陆漂移说开始复兴了。

  除了古地磁学外,海洋地貌学、地震学、地热学及重力测量技术等都推动了地学理论的发展。60年代初,美国的赫斯(1906-1969)和迪茨(1914 - )几乎同时提出了海底扩张假说。它是建立在1928年霍姆斯(1890- 1965)提出的地幔对流说的基础上,其事实根据有两个:①存在着环绕全球的高热流的大洋中脊和断裂谷体系;②海底比大陆年轻得多。海底扩张说认为:地幔中有对流存在;洋中脊是洋壳生成的地方;对流环驱使热的地幔物质从洋中脊的断裂谷涌出,凝成新的海底,并由洋中脊同时向两侧对称扩张;扩张引起两种变化,一种是扩张的洋底同时把两侧的大陆推开,大陆块固定在相邻的海底上与海底一起向同一方向移动,新海底不断生长、扩张,另一种是扩张的海底在海沟处钻入地幔深部,海底不断产生、扩张、潜没;大陆地壳前缘被挤压抬升形成山脉或岛弧;由于洋壳不断更新,海底没有比白垩纪更老的岩石;因此,海洋不是永恒不变的,大陆并非固定不动的。与魏格纳大陆在地幔上独立地漂移的学说不同,海底扩张说认为新的海底是在海洋中脊顶部形成,同其相邻的洋底一起被地幔对流体所带动而缓缓地前进。

  1963年,英国的凡因(1939-  )和马修斯(1931-  )提出有关海底磁异常条带的假说。几乎与此同时,加拿大的莫利和拉罗什耳也独立地提出相同看法。1964年,美国的考克斯把古地磁倒转与同位素测年法相结合,完成了地磁倒转年表,定量地论证了海底扩张说的正确性。

  1965年,加拿大的威尔逊推测,横切大洋中脊的断裂带不是人们通常熟悉的平移断层,而是一种特殊断层——转换断层。它是由于海底扩张致使沿着断裂的水平位移转换了性质,故称转换断层。地震分析的结果恰好证明横切大洋中脊的断裂是转换断层。所以转换断层的发现和验证,为海底扩张说提供了直接证据。

  1968年,美国的" .挑战者" 号深海钻探取得的资料表明,海底最老的沉积物的年龄不超过1.6 亿年,与地磁异常条带假说预测的完全一致;洋底地壳的年龄以大洋中脊为对称轴,向远离洋中脊的两个方向有规律地增加;洋底沉积层的厚度自中脊部向两侧也是逐渐增大的,一般由0 增至1.3 公里左右。

  上述这些发现都成为支持海底扩张说的证据。至此,海底扩张说被更多的人接受了。

  (2)板块构造学说的建立

  从转换断层和大陆边缘的完好拼接复原,可以自然地引申出板块的概念。板块概念最早是威尔逊在关于转换断层的论文中提出来的。1968-1969 年间,美国的摩根、勒比雄和美国的麦肯齐、帕克等人在大陆漂移、地幔对流和海底扩张等学说的基础上,对板块的概念和板块的运动进行探索,提出了板块构造学说。板块是位于转流层上的刚性块体。它的运动方向与转换断层平行。板块的边界处是构造运动最活跃之处。板块之间的相对运动是全球构造运动的基本原因。板块有分离型、平错型和汇聚型3 种边界。大洋中脊轴部是分离边界,板块在此分离、扩张,相背运动。转换断层是平错边界,两侧板块相互错动。海沟及年轻造山带是汇聚边界,两侧板块相对而行,在俯冲带和地缝合线俯冲、缝合,形成海沟和褶皱山脉。勒比雄将整个地球岩石圈划分为6 大板块:欧亚板块、非洲板块、美洲板块、澳洲板块(印度板块)、南极洲板块和太平洋板块。板块构造学说引入球面几何学来描写板块运动,从而能对地壳的总体运动进行定量的计算。这是地学的一大进步。

  板块构造学说提出后,得到越来越多的验证。按照板块构造说,分离型边界两侧的两个板块上的两点之间的距离在不断扩大,汇聚型边界两侧的两个板块上的两点间的距离在不断缩小。从大地测量得到的资料表明,纽约到伦敦的距离在增加,而公元7 世纪以来中国西藏同印度之间的距离已经缩短了60。板块构造学说认为板块刚性强,所以地震应发生在板块的交界处。

  从历史上看,地震分布情况与板块构造学说一致。另一个科学事实是,造山运动也发生在板块的汇聚边界。1973-1979 年,对中国青藏高原的大规模综合考察证实青藏高原的形成是印度板块向北漂移并与欧亚板块碰撞的结果。

  时至今日,印度板块仍以每年4.5 厘米的速度向北移动,喜马拉雅山目前平均以0.33-1.27 厘米的速度在上升。根据板块构造学说,大洋在不断张开和闭合。深海钻探等资料也证实了这一点。自联合古陆分离以来,古太平洋萎缩为今天的太平洋,面积减少了三分之一左右。大西洋和印度洋是新生的大洋,由于地幔对流撕裂了陆地和海底,才使这两大洋产生并不断张开。因此,大西洋和印度洋将不断扩大,而太平洋将不断缩小。

  大陆漂移理论以板块构造学说的建立取得了新的形式。威尔逊认为,板块构造学说在地质学史上犹如哥白尼的太阳中心说,是" 地质学的一次革命".但板块构造学说还是一种假说,因为地幔对流到目前为止还没有得到直接的验证。不过,大陆漂移、海底不断更新已成为无法否认的事实。板块构造学说现已在探讨山脉和高原的成因、地震活动、矿带分布、古气候状况、生物演化等各方面发挥了指导作用。                                                                                                   摘自世界全史百卷本第097卷世界当代科学技术史

 

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