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【前沿论坛】Dan McKenzie: 板块构造50年
2019-12-25 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  报告人:Dan McKenzie | 整理:吴子木(岩石圈室) 

摘要20世纪60年代,板块构造理论的诞生标志着人类在对地球运作方式的认识上有了革命性的进步,五十年来该理论始终是固体地球科学研究领域中的基本理论框架。McKenzie教授为我们简要回顾了板块构造理论创立之前地球科学的发展状况,分析了板块构造没有在之前诞生的原因,并从理论创立者的角度讲述了板块构造理论逐步建立的过程,阐释了观测和相关研究在其中起到的关键性作用。

  大家上午好,今天我报告的题目是“Plate Tectonics at 50 or Downward Bound or Seismology and Something Else (the Something Else being my contribution)”。实际上,我完成板块构造这部分研究工作的时候距今已经不止50年了。我现在的研究方向则是关于核幔边界处熔融形成机制的,正如标题中“Downward Bound”所形容的那样,在我的整个学术生涯中,我自己的研究兴趣是从地表向地球深部不断转移的。同时,虽然我并非地震学家,但几乎在我的每个工作中都会涉及到地震学,这是因为地震学的内容比起地质学在一开始更易于被物理学毕业的我所理解,我与地震学家们的合作习惯也因而一直保持了下去。但那些地震学领域外的工作才是我个人的学术贡献,也就是这里提到的“my contribution”。 

  我在板块构造方面所做的工作主要是在博后期间完成的,当时我可能是研究板块构造的学者中年纪最小的,我今天并不打算讲太多这些工作的具体内容,而是想谈谈在此之前为什么没有板块构造。如今,在GPS技术的帮助下,板片的水平运动对我们来说是显而易见的,人们甚至很难想象前人为何理解不了如此简单的一个道理。但是当我把半个世纪前的实际观测和模型展示出来时,你们可能就会觉得当年的那些科学家并非真的那么愚钝。以Hess1960年发表的海底扩张的模型为例(图1),它想表达的观点是新生洋壳在扩张的洋中脊处不断形成,但除此之外的很多细节都是错误的,比如上升的地幔对流位于扩张洋中脊的中心,比如洋壳是蛇纹岩构成的等等,如此就给人们带来了很多的误导。再让我们来对比一下GutenbergRichter1954年所绘的全球震源分布与现今的结果(图2),从前者的结果中几乎看不出任何板块边界存在的迹象,但这在后者当中却一目了然。此外,相比于地震密集分布的洋中脊,大陆内部地震分布稀疏,这也可能是过去普遍专注于大陆研究的地质学家们没有意识到板块构造的重要原因之一。由此可见,高精度观测资料的不足极大地阻碍了人们对板块构造这一概念的认知。 

1  Hess提出的海底扩张模型(Hess, 1962 

2  1954年全球震源分布结果与现今结果对比(Gutenberg and Richter, 1954;转引自McKenzie教授报告PPT

  上世纪六十年代,伴随着美国海军大规模海底测量工作的开展,Raff and Mason (1961)首次发现海底普遍存在磁异常条带,且相邻条带的极性相反,但在一开始这些条带关于洋脊的对称分布并没有被人们注意到,磁异常条带是如何形成的也并没有得到解答。几年后,VineMatthews等人通过联系海底扩张模式和地磁倒转假说对这些条带的形成做出了解释,但同时也引来了极大的争议,因为在当时无论是海底扩张还是地磁倒转均未得到广泛认同。尽管洋底扩张可以很好地解释磁异常条带的对称性,但当时没有人知道转换断层将这些磁异常条带错断达1000公里之后为何突然截止于大陆边缘处。在后期,我和Jason Morgan1969)用三联点(triple junction)理论很好地说明了这个现象。 

  观测资料的限制同样存在于对板块构造理论的另一个关键环节——岛弧地区的研究中。尽管人们当时在日本已经发现了一些深源地震,但没有人能从当时的定位结果中确定这里有板片俯冲的存在(图3)。那时候很多学者都试图解释岛弧地区的地震分布,Gutenberg1959)认为地球内部可能存在深达700公里的巨大逆冲断层并导致了地震发生(图4),但这在物理上是完全不可能的。同时,由于数据精度的不足,过去有段时间里人们甚至认为岛弧地区的震源机制都是走滑成因的。 

3  1965年日本俯冲带地震定位结果与1994年结果对比(转引自McKenzie教授报告PPT

4  Gutenberg对岛弧地震带形成机制的解释(Gutenberg, 1959

  一个有趣的小插曲发生在1967年的AGU春季会议上,Jason Morgan在关于洋底扩张的专题提交了一份摘要,但他在会场上讲的却是与之完全无关的内容——板块构造,而我对此并不知情。同年夏天,在我重读了我以前的导师Teddy Bullard利用欧拉定理进行大陆重构的文章之后,我萌发了和Morgan相似的观点,于是和Bob Parker完成了关于板块构造的文章。当我们11月将文章投给Nature之后才得知Morgan在之前已经有过相似的发现但还没有发表,于是我给编辑部发了封电报希望等Morgan的文章发表之后再接收我们的文章,但编辑的回信却告诉我们文章已经接收了,于是我们关于板块构造的工作恰好赶在1968年之前发表了。 

  在板块构造理论正式诞生之前,Hess在他的海底扩张模型中指出扩张是洋中脊之下上升的地幔对流导致的,甚至直到1980年,他的学生Ronald Oxburgh仍认为洋中脊之下普遍存在着热柱从而导致了海底扩张,然而这种机制从物理学的角度根本无法解释扩张的对称性。1966年,我在等待自己博士论文的评阅意见期间,就已经论证了这种位于洋中脊之下的地幔对流是完全不必要的,洋中脊本身具有明显的被动扩张的特征。现在,在丰富的地质和地球物理资料积累的基础上,我们对洋中脊的热结构有了更深入的认识(图5),这些证据都表明被动上涌(passive upwelling)过程更符合实际的观测事实。 

  通过今天的报告,我希望能让大家认识到,缺乏准确可靠的观测资料是在上世纪60年代以前板块构造理论没有出现的主要原因,而并非是因为当时的科学家们不够出色。同时,自上个世纪60年代末三联点模型提出后,板块构造理论在运动学方面至今没有发生多少改变,而我也并不认为今后会有多大的改动产生。尽管如此,在地球动力学方面,我们相比过去有了非常大的进步。当我还是本科生的时候,当时的地质学家们并不认为用物理学可以解释他们观察到的现象。现在的很多地质学家在观察现象的同时会更多地考虑涉及到的地质过程,而在当年这属于地球物理学家的工作范畴。最后,我想在座的年轻人到我这个年纪的时候可能也会做一个和今天主题相近的报告,告诉后人们,科学家们在2019年对地球认识的种种不足同样来自于当时观测数据本身的限制。 

5 现今的洋中脊热结构模型(McKenzie et al., 2005

  精彩问答节选 

  问:从您的报告中,我们了解到地球物理学在板块构造理论的建立过程中起到至关重要的作用,我想知道您如何评价地质学家在其中起到的作用?地质学家是否也在其中做出了一些原创性的贡献?
  答:如果我们把海洋地质学家与大陆地质学家区分开,那前者对板块构造创立的贡献显然更大一些。但如John Deway等大陆地质学家在推动板块构造学说发展的过程中同样起到了重要作用,他们证明了地质学家在过去百年来发现的许多地质现象都可以用板块构造模型来解释。然而,这种对板块构造的应用与我和Morgan所做的工作并不完全一致,我们的工作涉及更多的理论计算,比如刚体的球面运动等,这需要运用计算机程序和代数矩阵等工具,这在当时是一个相当新颖的研究思路和方式。     

  问:相比于发展新的理论方法,我们是否有必要在新仪器设备的研制上投入更多的精力?
  
答:这是一个有趣且重要的问题。我对新仪器设备一向很感兴趣,不仅在于它们本身,也在于人们运用物理知识去创造这些仪器的过程。以卫星为例,我此前一直利用它获取重力数据,对我来说是一种不可思议的工具,它们飞行在数千千米的高空之上,能够不受地形限制地获取全球数据,为我的研究带来了极大的帮助。同时,我刚才所讲的故事就是伴随着人类第一次完成海底磁异常测量开始的。技术的进步可以帮助你实现你之前做梦都想不到的事,而且往往能够赋予你一个看待事物的全新视角。很多人沉溺于新技术的本身,而我更关心利用新技术能够做到哪些事。    

  问:过去二十年里,关于地球系统科学的研究越来越多,您认为我们是否真正有能力做到对地球系统科学的研究?
  
答:这些研究很重要,但是我并没有从事过太多这方面的工作。一直以来我致力于对地球上正在发生的物理过程的研究,我想这些工作是建立一个复杂全面的地球系统模型的前提和基础。其实我本人并不热衷于构建复杂的模型,这一点你可以从今天的报告中感受到。一旦当你试图通过调整过多的变量来拟合观测结果时,我可能会对你的结果产生严重的怀疑。但是系统地认识我们的地球有助于我们在如环保等领域做出正确的判断和决策。 

  主要参考文献 

  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. 链接 

  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. 链接  

  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.链接

  延伸阅读 

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

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

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

  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.链接 

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

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

  更多信息见英国伦敦地质学会为McKenzie教授制作的主页(链接 

 
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