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【前沿論壇】Dan McKenzie: 板塊構造50年
2019-12-25 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  報告人:Dan McKenzie | 整理:吳子木(巖石圈室) 

摘要20世紀60年代,板塊構造理論的誕生標志著人類在對地球運作方式的認識上有了革命性的進步,五十年來該理論始終是固體地球科學研究領域中的基本理論框架。McKenzie教授為我們簡要回顧了板塊構造理論創立之前地球科學的發展狀況,分析了板塊構造沒有在之前誕生的原因,并從理論創立者的角度講述了板塊構造理論逐步建立的過程,闡釋了觀測和相關研究在其中起到的關鍵性作用。

  大家上午好,今天我報告的題目是“Plate Tectonics at 50 or Downward Bound or Seismology and Something Else (the Something Else being my contribution)”。實際上,我完成板塊構造這部分研究工作的時候距今已經不止50年了。我現在的研究方向則是關于核幔邊界處熔融形成機制的,正如標題中“Downward Bound”所形容的那樣,在我的整個學術生涯中,我自己的研究興趣是從地表向地球深部不斷轉移的。同時,雖然我并非地震學家,但幾乎在我的每個工作中都會涉及到地震學,這是因為地震學的內容比起地質學在一開始更易于被物理學畢業的我所理解,我與地震學家們的合作習慣也因而一直保持了下去。但那些地震學領域外的工作才是我個人的學術貢獻,也就是這里提到的“my contribution”。 

  我在板塊構造方面所做的工作主要是在博后期間完成的,當時我可能是研究板塊構造的學者中年紀最小的,我今天并不打算講太多這些工作的具體內容,而是想談談在此之前為什么沒有板塊構造。如今,在GPS技術的幫助下,板片的水平運動對我們來說是顯而易見的,人們甚至很難想象前人為何理解不了如此簡單的一個道理。但是當我把半個世紀前的實際觀測和模型展示出來時,你們可能就會覺得當年的那些科學家并非真的那么愚鈍。以Hess1960年發表的海底擴張的模型為例(圖1),它想表達的觀點是新生洋殼在擴張的洋中脊處不斷形成,但除此之外的很多細節都是錯誤的,比如上升的地幔對流位于擴張洋中脊的中心,比如洋殼是蛇紋巖構成的等等,如此就給人們帶來了很多的誤導。再讓我們來對比一下GutenbergRichter1954年所繪的全球震源分布與現今的結果(圖2),從前者的結果中幾乎看不出任何板塊邊界存在的跡象,但這在后者當中卻一目了然。此外,相比于地震密集分布的洋中脊,大陸內部地震分布稀疏,這也可能是過去普遍專注于大陸研究的地質學家們沒有意識到板塊構造的重要原因之一。由此可見,高精度觀測資料的不足極大地阻礙了人們對板塊構造這一概念的認知。 

1  Hess提出的海底擴張模型(Hess, 1962 

2  1954年全球震源分布結果與現今結果對比(Gutenberg and Richter, 1954;轉引自McKenzie教授報告PPT

  上世紀六十年代,伴隨著美國海軍大規模海底測量工作的開展,Raff and Mason (1961)首次發現海底普遍存在磁異常條帶,且相鄰條帶的極性相反,但在一開始這些條帶關于洋脊的對稱分布并沒有被人們注意到,磁異常條帶是如何形成的也并沒有得到解答。幾年后,VineMatthews等人通過聯系海底擴張模式和地磁倒轉假說對這些條帶的形成做出了解釋,但同時也引來了極大的爭議,因為在當時無論是海底擴張還是地磁倒轉均未得到廣泛認同。盡管洋底擴張可以很好地解釋磁異常條帶的對稱性,但當時沒有人知道轉換斷層將這些磁異常條帶錯斷達1000公里之后為何突然截止于大陸邊緣處。在后期,我和Jason Morgan1969)用三聯點(triple junction)理論很好地說明了這個現象。 

  觀測資料的限制同樣存在于對板塊構造理論的另一個關鍵環節——島弧地區的研究中。盡管人們當時在日本已經發現了一些深源地震,但沒有人能從當時的定位結果中確定這里有板片俯沖的存在(圖3)。那時候很多學者都試圖解釋島弧地區的地震分布,Gutenberg1959)認為地球內部可能存在深達700公里的巨大逆沖斷層并導致了地震發生(圖4),但這在物理上是完全不可能的。同時,由于數據精度的不足,過去有段時間里人們甚至認為島弧地區的震源機制都是走滑成因的。 

3  1965年日本俯沖帶地震定位結果與1994年結果對比(轉引自McKenzie教授報告PPT

4  Gutenberg對島弧地震帶形成機制的解釋(Gutenberg, 1959

  一個有趣的小插曲發生在1967年的AGU春季會議上,Jason Morgan在關于洋底擴張的專題提交了一份摘要,但他在會場上講的卻是與之完全無關的內容——板塊構造,而我對此并不知情。同年夏天,在我重讀了我以前的導師Teddy Bullard利用歐拉定理進行大陸重構的文章之后,我萌發了和Morgan相似的觀點,于是和Bob Parker完成了關于板塊構造的文章。當我們11月將文章投給Nature之后才得知Morgan在之前已經有過相似的發現但還沒有發表,于是我給編輯部發了封電報希望等Morgan的文章發表之后再接收我們的文章,但編輯的回信卻告訴我們文章已經接收了,于是我們關于板塊構造的工作恰好趕在1968年之前發表了。 

  在板塊構造理論正式誕生之前,Hess在他的海底擴張模型中指出擴張是洋中脊之下上升的地幔對流導致的,甚至直到1980年,他的學生Ronald Oxburgh仍認為洋中脊之下普遍存在著熱柱從而導致了海底擴張,然而這種機制從物理學的角度根本無法解釋擴張的對稱性。1966年,我在等待自己博士論文的評閱意見期間,就已經論證了這種位于洋中脊之下的地幔對流是完全不必要的,洋中脊本身具有明顯的被動擴張的特征。現在,在豐富的地質和地球物理資料積累的基礎上,我們對洋中脊的熱結構有了更深入的認識(圖5),這些證據都表明被動上涌(passive upwelling)過程更符合實際的觀測事實。 

  通過今天的報告,我希望能讓大家認識到,缺乏準確可靠的觀測資料是在上世紀60年代以前板塊構造理論沒有出現的主要原因,而并非是因為當時的科學家們不夠出色。同時,自上個世紀60年代末三聯點模型提出后,板塊構造理論在運動學方面至今沒有發生多少改變,而我也并不認為今后會有多大的改動產生。盡管如此,在地球動力學方面,我們相比過去有了非常大的進步。當我還是本科生的時候,當時的地質學家們并不認為用物理學可以解釋他們觀察到的現象。現在的很多地質學家在觀察現象的同時會更多地考慮涉及到的地質過程,而在當年這屬于地球物理學家的工作范疇。最后,我想在座的年輕人到我這個年紀的時候可能也會做一個和今天主題相近的報告,告訴后人們,科學家們在2019年對地球認識的種種不足同樣來自于當時觀測數據本身的限制。 

5 現今的洋中脊熱結構模型(McKenzie et al., 2005

  精彩問答節選 

  問:從您的報告中,我們了解到地球物理學在板塊構造理論的建立過程中起到至關重要的作用,我想知道您如何評價地質學家在其中起到的作用?地質學家是否也在其中做出了一些原創性的貢獻?
  答:如果我們把海洋地質學家與大陸地質學家區分開,那前者對板塊構造創立的貢獻顯然更大一些。但如John Deway等大陸地質學家在推動板塊構造學說發展的過程中同樣起到了重要作用,他們證明了地質學家在過去百年來發現的許多地質現象都可以用板塊構造模型來解釋。然而,這種對板塊構造的應用與我和Morgan所做的工作并不完全一致,我們的工作涉及更多的理論計算,比如剛體的球面運動等,這需要運用計算機程序和代數矩陣等工具,這在當時是一個相當新穎的研究思路和方式。     

  問:相比于發展新的理論方法,我們是否有必要在新儀器設備的研制上投入更多的精力?
  
答:這是一個有趣且重要的問題。我對新儀器設備一向很感興趣,不僅在于它們本身,也在于人們運用物理知識去創造這些儀器的過程。以衛星為例,我此前一直利用它獲取重力數據,對我來說是一種不可思議的工具,它們飛行在數千千米的高空之上,能夠不受地形限制地獲取全球數據,為我的研究帶來了極大的幫助。同時,我剛才所講的故事就是伴隨著人類第一次完成海底磁異常測量開始的。技術的進步可以幫助你實現你之前做夢都想不到的事,而且往往能夠賦予你一個看待事物的全新視角。很多人沉溺于新技術的本身,而我更關心利用新技術能夠做到哪些事。    

  問:過去二十年里,關于地球系統科學的研究越來越多,您認為我們是否真正有能力做到對地球系統科學的研究?
  
答:這些研究很重要,但是我并沒有從事過太多這方面的工作。一直以來我致力于對地球上正在發生的物理過程的研究,我想這些工作是建立一個復雜全面的地球系統模型的前提和基礎。其實我本人并不熱衷于構建復雜的模型,這一點你可以從今天的報告中感受到。一旦當你試圖通過調整過多的變量來擬合觀測結果時,我可能會對你的結果產生嚴重的懷疑。但是系統地認識我們的地球有助于我們在如環保等領域做出正確的判斷和決策。 

  主要參考文獻 

  Gutenberg B, Richter C F. Seismicity of the Earth[M]. Princeton: Princeton Univ Press, 1954. 

  Gutenberg B. Physics of the Earth's Interior[M]. New York, London : Academic Press, 1959. 鏈接 

  Hess H H. History of Ocean Basins//Engel A E J, James H L, Leonard B F (eds.). Petrologic Studies: A Volume in Honor of AF Buddington[C]. Geological Society of America, 1962: 599-620. 鏈接  

  McKenzie D, Jackson J, Priestley K. Thermal structure of oceanic and continental lithosphere[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2005, 233(3-4): 337-349.鏈接

  延伸閱讀 

  McKenzie D P, Parker R L. The North Pacific: an example of tectonics on a sphere[J]. Nature, 1967, 216(5122): 1276-1280.鏈接 

  Morgan W J. Rises, trenches, great faults, and crustal blocks[J]. Journal of Geophysical Research, 1968, 73(6): 1959-1982.鏈接 

  McKenzie D P, Morgan W J. Evolution of triple junctions[J]. Nature, 1969, 224(5215): 125-133.鏈接 

  Raff A D, Mason R G. Magnetic survey off the west coast of North America, 40 N. latitude to 52°N. latitude[J]. Geological Society of America Bulletin, 1961, 72(8): 1267-1270.鏈接 

  Vine F J, Matthews D H. Magnetic anomalies over oceanic ridges[J]. Nature, 1963, 199(4897): 947-949.鏈接 

  Wilson J T. A new class of faults and their bearing on continental drift[J]. Nature, 1965, 207(4995): 343.鏈接     

  更多信息見英國倫敦地質學會為McKenzie教授制作的主頁(鏈接 

 
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