板塊構造理論五十年 | NSR專欄

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?來源：RON BLAKEY/WIKIMEDIA COMMONS (CC BY-SA 3.0)

https://www.sciencenews.org/article/tethys-ocean-implicated-pangaea-breakup

撰文 | 鄭永飛

翻譯 | 高 嬋

校譯 | 蔣海宇

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曆數二十世紀最偉大的科學革命，哪些會榜上有名？遺傳學？廣義相對論？或許是有關量子力學的科學？當之無愧的一項就是板塊構造理論——那個講地球剛性外殼（岩石圈）如何運動和再循環的理論。這個理論為以往地球科學中毫不相關的學科提供了一個統一的格架，並迅速被1960年代末期的地質科學界所接受。從那時起，板塊構造論可以說是成了地球科學領域的標準模型。它自1967-1968年出現，在過去五十年間得到不斷發展。

在板塊構造理論形成前，地質學研究就是收集那些看上去毫不相關的事實和記憶信息。構造地質學專註於描述和理解變形本身。地球化學則僅僅豐富了無數岩石類型（主要是火成岩）的成分信息。沉積岩堆積的盆地一直被理解成神秘過程所產生的地槽。人們忽視地層學和地質時間，有些會影響沉積岩堆積及其中生物信息的環境變化也得不到重視。

板塊構造理論認為地球外殼是在不斷運動的，即使速度緩慢。陳舊的世界觀忽視了岩石圈的水平移動。1960年以前，大陸漂移的說法幾乎不被接受；之後，一切都改變了。這是因為不僅海底擴張得到了證實，而且大洋地殼形成於洋中脊、消亡於俯衝帶的認識也得到了證明。這些過程不是隨機現象，而是呈現出幾何學和運動學的有序性。

真正偉大的科學構想一旦明了，不僅簡潔和直觀，還會具有出色的解釋力，能夠回答諸多以前不能回答的問題，完善我們對世界的科學理解。就這一點來說，板塊構造理論堪稱典範。它為解釋當今地表附近發生的構造活動和地震活動提供了絕佳框架。然而，要將其應用於地質歷史時期（三億年前）的地球過程，在當時還沒那麼直截了當。

經過五十年的不懈努力，板塊構造理論取得了長足的進步。在其初期，人們以為地幔對流是板塊運動的驅動力。進一步的研究卻表明，弧下深度（80-160 km）大洋岩石圈的重力下沉是導致板塊運動的主要驅動力。早期，人們認為只有大洋岩石圈能俯衝到地幔深度，大陸岩石圈由於密度較低而不能。然而，在變質礦物中發現的柯石英和顯微金剛石等結晶包裹體，使人們認識到大陸板塊也會俯衝到地幔深度。

起初，在描述板塊運動及其邊界活動時，一般假定岩石圈板塊是剛性的。地震帶便是剛性板塊間發生差異移動的區域。然而，板塊是可以像彈性體一樣，在其邊界聚積相當大的應力，繼而通過地震將其釋放。板塊邊緣也在高溫下變得極具韌性，使山脈在匯聚板塊邊緣形成。因此，我們需要修改俯衝板塊在不同深度力學行為的描述。

在多數情況下，板塊俯衝引起了造山運動、使岩石圈加厚，並因擠壓而形成了增生造山帶和碰撞造山帶。隨後，這些加厚的造山帶在俯衝結束後變薄甚至破壞。人們起初認為，這一現象源於與板塊構造活動不相干的其它構造運動。不過造山運動也會發生在洋中脊，從而產生伸展型造山帶。這類造山帶起初變薄，繼而疊加到擠壓型造山帶之上，通過再活化導致部分熔融和伸展作用。這些構造過程其實也是板塊構造作用的一部分，可以統稱為裂熔造山運動。在威爾遜循環（指一個超大陸如何分裂形成大洋盆地和兩塊大陸，兩塊大陸又如何匯聚到一起）中，這種裂熔造山作用是超大陸裂解以形成新大洋盆地的先兆。

雖然板塊構造理論所催生的許多地質學進展初看起來都基於推測，但隨著先進技術手段應用到地球科學研究，這些進展已經得到驗證，並且將繼續得到驗證。這也得益於人們對多個學科觀測結果的綜合解讀。這些結果正對我們理解火成岩成因及其在古板塊邊界的成礦作用產生深遠的影響。

版權聲明：英文原文2018年2月發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR），原標題為「Fifty years of plate tectonics」。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲NSR和牛津大學出版社授權刊發該文中文翻譯。如需閱讀英文版請點擊以下鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwy024或點擊文末「閱讀原文」可跳轉。

製版編輯：包德強 |

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