古地磁学如何证明大陆漂移学说

古地磁学如何证明大陆漂移学说

通过测定岩石和某些古物的天然剩余磁性，分析它们的磁化历史，研究导致它们磁化的地磁场的特征的一门学科。其中以古物（如古陶器和古砖瓦）为对象研究史前期地磁场特征的称为考古地磁学。 实测记录表明，地磁极有围绕地理极作周期性运动的趋势，其运动的周期可能为104～105年 。上新世以来的岩石磁性的测量表明 ，在最近的500万年期间 ，地磁极是均匀分布在地理极四周的，其平均位置与现代地理极重合。 关于古地磁极位置的研究促进了大陆漂移学说的发展 。20世纪50年代以后，大量的研究结果表明，由同一大陆、同一地质时代的岩石标本得出的古地磁极位置基本一致。但由不同大陆、同一地质年代的岩石标本得出的古地磁极位置却往往不同。由同一大陆不同地质年代所得到的古地磁极位置连成的曲线叫做极移曲线。这种极移只是一种表观现象，而不是真实的过程。据推断，真实的过程可能是各大陆在地球上的相关位置在不同地质年代中发生了变动。不同的大陆运动情况不同，各自得出的极移曲线的形状和走向也就不同 。古地磁极移第一次为地壳水平运动提供了有力的证据，从而导致了沉寂多年的大陆漂移学说的复活和板块大地构造学说的建立． 从岩石磁性测量发现的另一个关于古地磁场特征的事实是地磁极性倒转。古地磁极移和地磁极性倒转是古地磁学的两大研究成果。 ==================================================================== 古地磁极移与大陆漂移: 20世纪50年代以来，大量的研究结果表明，由同一大陆、同一地质时代的岩石标本得出的古地磁极位置基本一致。但由不同大陆、同一地质年代的岩石标本得出的古地磁极位置却往往不同。由同一大陆不同地质年代所得到的古地磁极位置连成的曲线叫做极移曲线。这种极移只是一种表观现象，而不是真实的过程，因此这种极移曲线亦叫做视极移曲线。实际上视极移曲线反映了大陆在不同地质年代的位置发生了变动。不同的大陆运动情况不同，因此各自得出的视极移曲线的形状和取向也就不同。由此可以追溯各个大陆的运动历史和它们之间的相互关系。古地磁极移第一次为地壳水平运动提供了强有力的证据，从而导致了沉寂多年的大陆漂移学说的复活和板块大地构造学说的建立。这方面的成就引起了地学家的极大重视，也促进了古地磁学的迅速发展。 ==================================================================== 海底扩张说的验证 以新的地质研究成果为依据的海底扩张说，对于海底地质现象的解释如此引人入胜，从而高度激发了人们进一步探讨的欲望。在海底扩张说提出后的短短几年时间里，新的研究成果又纷纷涌现，进一步证实了海底扩张说。其中最有意义的是海底磁异常条带研究、深海钻探成果及转换断层的发现，它们被称为验证海底扩张说的3大论据。 （一）海底磁异常条带研究 1.大陆上岩石古地磁的极性反转现象 50年代以来大陆上岩石古地磁的研究成果表明，在所研究的岩石中有将近一半是正向磁化（即磁化方向与现代地磁场方向相同），而另一半则是反向磁化（即磁化方向与现代地磁场方向正好相反）。这说明在漫长的地质历史中，地磁场南、北极的极性并不是固定的，而是发生着周期性的反转，有的时期地磁南、北极方向与现在一致，有的时期则正好相反。所以，极性反转现象是地磁场演化的一个基本特征，通常把保持一定的地磁极性的大阶段（大约相隔100万年以上）称为极性期，把每个极性期内的短期转向时间称为极性事件。如果根据不同时期岩石磁化的方向排列出地磁场转向的先后顺序，并利用岩石同位素年龄测定方法测出各个极性期和极性事件的延续时间，就可以建立古地磁场转向年代表。如图9.8是根据世界各地大量层状熔岩的古地磁资料建立的最近4.5Ma的地磁场转向年代表。 2.海底磁异常条带及其成因 海底磁异常条带是50年代后半期发现的，其特点是大致平行于洋中脊轴线延伸，正负异常相间排列并对称地分布于大洋中脊两侧，单个磁异常条带宽约数公里到数十公里，纵向上延伸数百公里以上而不受地形影响，在遇到洋底断裂带时被整体错开（图9.9）。对于这种磁异常条带的成因，曾一度使人们困惑不解，有人认为这是洋底岩石磁性强弱不同所引起的，但这种观点不能解释磁条带分布的规律性，也与当时所获得的海底地质资料不吻合。1963年，英国学者瓦因和马修斯结合海底扩张假说与地磁场倒转现象，对海底磁异常条带作了极为成功的解释。他们认为海底磁异常条带不是由海底岩石磁性强弱不同所致，而是在地球磁场不断倒转的背景下海底不断新生和扩张的结果（图9.10）。高温的地幔物质不断沿大洋中脊轴部上涌冷凝形成新的海底，当它冷却经过居里温度时，新生的海底玄武岩层便会沿当时地磁场方向磁化。随着海底扩张，先形成的海底向两侧推移，在中脊顶继续不断地形成新的海底，如果某个时候地磁场发生转向，则这时形成的海底玄武岩层便在相反的方向上被磁化。这样，只要地磁在反复地转向，海底又不断地新生和扩张，那就必然会形成一条条正向和反向磁化相间排列、平行洋脊对称分布的磁化条带。扩张的海底就像录音磁带那样记录了地磁场转向的历史。正向磁化的海底条带由于加强了地磁场强度而形成正异常，反向磁化的海底条带由于抵消了一部分地磁场强度而形成负异常。 上述推断不仅合理地解释了海底磁异常条带的成因，而且也与大陆岩石和深海沉积的古地磁研究成果相吻合。60年代中期，一些学者通过将洋脊两侧的海底正、负磁异常条带与大陆岩石古地磁研究获得的地磁场转向年代表进行对比发现，海底正、负磁异常的排列，与地磁场转向年代表中的正向段和反向段完全可以一一对比，而且磁条带的宽度也与地磁场转向年代表中极向的时间长短成正比关系。与此同时，对取自海底的沉积物岩心的弱剩余磁性研究也取得了重要成果。在沉积岩心中交替地出现正向和反向磁化段，正向、反向磁化段的厚度可以与地磁场转向年代表中正极性期和反极性期的时间长短一一对比，也可以与海底正、负磁异常条带相对比（见图9.10）。这3种相互独立的磁性测量资料服从于统一的变化规律，充分证实了它们是在地磁场频繁倒转的统一背景下形成的（有人称为：“三位一体”）。这不仅说明了上述海底磁条带成因的正确性，同时也为海底扩张说取得了决定性的证据。 （二）深海钻探成果 深海钻探工作开始于1968年，在几年的时间里，著名的深海钻探船“格罗玛挑战者”号在世界各大洋进行了广泛的钻探和取样，取得了丰硕的成果。深海钻探证实，深海沉积物由洋脊向两侧从无到有，从薄到厚，沉积层序由少到多，最底部沉积物的年龄愈来愈老，并且与海底磁异常条带所预测的年龄十分吻合，深海钻探所采得的最老沉积物的年龄不老于1.7亿年（晚侏罗世）。因此深海钻探成果令人信服地证实了海底扩张理论。 （三）转换断层的发现 洋脊被一系列横向断层切割，断层长度可达数千公里，断层两侧洋脊被明显错断，错距可达数百至千余公里。断裂带多已成为很深的沟槽，从海底地貌图上看得十分清楚。这种巨大规模的横向断层早在50年代即已发现，曾被认为是一般的平移断层，并用以证明地壳中存在着巨大规模的水平运动。但是，它的实际意义远不止于此。1965年，加拿大学者威尔逊（Wilson，1965）指出，这种横断中脊的断裂带不是一般的平移断层，而是自中脊轴部向两侧的海底扩张所引起的一种特殊断层。威尔逊称之为转换断层（transform fault）。 转换断层具有不同于一般平移断层的特征（图9.11）。其一，如果是平移断层，则随着时间的推移，断层两侧的洋脊将越离越远；但如果是转换断层，虽然中脊轴两侧海底不断扩张，断层两侧洋中脊之间的距离并不一定加大。其次，如果是平移断层，错动是沿整条断裂线发生的；至于转换断层，相互错动仅发生在两侧中脊轴之间的段落上（BC段），在该段落以外的断裂带上，断层两侧海底的扩张移动方向相同，其间没有相互错动。第三，转换断层中相互错动段的错动方向，恰好与平移断层中把洋脊错开的方向相反，这一点是转换断层和平移断层的最重要区别。 沿洋底的这种转换断层记录到频繁的地震活动，这显然是断层两侧岩块发生相对错动引起的。调查表明，地震活动几乎都集中在被错开的洋脊之间的断层段上，而其余部分一般没有地震发生。而且对来自洋底断裂带上的地震的分析证明，断层错动的方向与转换断层所要求的方向完全相符。这就证实了转换断层是确实存在的。转换断层是由洋中脊的海底扩张引起的，转换断层的错动方向也就是海底扩张的方向，所以转换断层的发现和验证，为海底扩张说提供了又一有力的依据。