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漂流了數億年— 大陸與大洋的起源--《科學月刊》

吳依璇/臺大海洋所畢業,目前是《滔滔》的編輯。曾經在物理界裡載浮載沉,隨著洋流漂到地質界裡慢慢沉降。

「分久必合,合久必分。」

三國演義裡訴說天下大勢的句子,卻也能用來解釋韋格納提出的大陸漂移學說。

距今一百年前,即1915 年,32 歲的韋格納(Alfred Lothar Wegener)正式出版《大陸與大洋的起源》(The Origin of Continents and Oceans),內容闡述著韋格納發現到的現象,用以支持「大陸是會移動的」的想法。雖然「大陸是會移動的」這個想法被當時大部分的科學家們嗤之以鼻,但也有少部分的科學家們支持著韋格納。而韋格納的後半生為了證實這句話不斷奔走,直至喪命於格陵蘭考察一行中,享年50 歲。韋格納執著於為大陸漂移學說找出任何可能的證據,儘管因此犧牲,但提供了後人最詳盡的描述。

Prof. Dr. Alfred Wegener, ca. 1924-1930

德國氣象學家韋格納。

大陸會漂移?

韋格納雖出版《大陸與大洋的起源》一書,卻不是第一位提出大陸漂移想法的學者。早在1596年,奧特柳斯(Abraham Ortelius)就提出美洲、非洲和歐洲原本可能是合在一起的說法。到了1620 年時,培根(Francis Bacon)也發現大陸與大陸之間的海岸線非常吻合,似乎可以拼起來一樣,但是培根也沒有更進一步的討論,僅止於空想。直到1858 年,佩萊格里尼(Antonio Snider Pellegrini)注意到北美洲與歐洲有著相同的植物化石,於是在他出版的《創造和其祕密的顯露》(The Creation and its Mysteries Unveiled)書中表示所有的大陸於距今約三億年前的石炭紀晚期(賓夕法尼亞期,Pennsylvanian Period)曾聚合在一起,也認為大陸是受到大洪水的影響而移動;於是漸漸地有些科學家開始思考,是否大陸真的會移動呢?

該想法受到了丹納(James Dwight Dana)強烈的抨擊,並在《地質學手冊》(Manual of Geology) 中主張大陸早就有它們原本的輪廓,反對大陸會移動的看法。韶光荏苒,數十年過後,泰勒(Frank Bursley Taylor)於1908 年在美國地質學會(Geological Society of America)上表示,非洲西側的海岸線與南美洲東側的海岸線幾乎可以拼合在一起,並分別在非洲西側和南美洲東側的山脈作了廣泛的研究,於是泰勒認為陸塊會在地球表面上移動,現在的高山則是因為陸塊相互碰撞形成,且原本地球的南北極各有個陸塊,而在白堊紀時,陸塊受到月亮的引力緩緩移向赤道,逐漸形成現今的樣子,但是泰勒的想法慘遭當時科學家的忽略與反對。

接著曼托瓦尼(Robert Mantovani)也在1889 和1909年時發表他的看法,他認為現今的大陸原本曾經是一個很大的陸塊,而這大陸塊覆蓋了整個地球,當時的地球比現在還來得小一些,直到火山活動使得地球因熱膨脹造成大陸塊分裂,海洋隨之形成,地球表面漸漸變成現今的樣貌。

1911 和1928 年,貝克(Howard Baker)將現今各大陸重建成一個大陸塊,並提出是金星接近地球時的引力提供動力使大陸塊分裂。在今日看來,雖然這些科學家提出的大陸漂移機制並不合理,但是他們種下「大陸不是靜止不動,也非各自獨立不相干的存在」之種子,等著讓後人將這想法發揚光大。

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不被接受的學說

在泰勒發表論文的幾年後,韋格納也注意到大陸之間似乎可以「拼」在一起。1912 年1 月,韋格納在德國地質學會上發表並支持「大陸漂移」的概念,震驚了許多科學家。

在韋格納提出論文之前,科學家們一般認為地球是由熔融的狀態漸漸冷卻收縮形成現今的樣貌;在這個過程中,比較重的元素,例如鐵,慢慢沉入地球內部;比較輕的元素,例如矽和鋁,則慢慢浮到地球表面。地球慢慢冷卻收縮的時候,地球表面也如同乾癟的蘋果一般出現了皺紋,這也就是現今山脈形成的原因;相較於在收縮時壓力比較大的地區,部分地表則陷落形成海盆。隨著時間推移,陸地和海洋的位置也會漸漸改變,這是因為有些陸地陷落得較周圍陸地區域快速,形成了海洋,也使原本為海洋的地區被擠壓成陸地。

除了陸地和海洋的形成原因以外,科學家們認為在大洋兩側的陸地會發現到有相類似甚至是一樣的植物和動物化石,是因為大陸之間曾有條陸橋可以連接,動物們就可以藉這條陸橋來往於兩大陸,只是最後這條陸橋沉入海底。科學家們也在地層紀錄裡看到海水向著陸地「海進」與遠離陸地的「海退」,海進與海退的現象被認為分別是陸地的沉積物逐漸填滿海洋盆地與海洋盆地陷落而形成。

然而,韋格納發現了許多與「地球收縮理論」相矛盾或無法解釋的現象,而這些現象支持大陸漂移說。例如,韋格納發現如果將大西洋兩岸的非洲和南美洲拼在一起時,非洲西側和南美洲東側大陸棚裂的分布位置非常吻合;全世界的山脈分布大多呈曲線形,如果山脈是因為地球收縮而形成的,那麼山脈的分布應該是像顆乾癟蘋果上的皺紋一般隨機分布才合理。在韋格納測量全球地表的地形起伏時,包括山有多高與海有多深,發現地形起伏的高度分布出現兩個峰值,若是依照地球收縮理論,地形起伏的高度分布應該會比較傾向於常態分布。韋格納認為這是因為地殼主要由兩層不同密度的岩石所組成,密度較小的花崗岩會在上層、形成陸地;密度較大的玄武岩則在下層、形成海床。

韋格納身為一位氣象學家,其中一項能使他深切相信南美洲與非洲曾經合併在一起的證據就是古氣候的指標;他在重建古老的大陸塊時,將在不同大陸上所發現的冰川、熱帶雨林和沙漠等氣候所形成的沉積物重新分布在相近的位置上,最後,韋格納按照這些方法拼出一塊大陸塊來。例如韋格納彙整了南美洲、非洲、澳洲、印度和南極洲上古冰川留下的痕跡,用以指示當初冰川流動的方向,發現這些陸地可以被拼湊成一塊大陸塊,且冰川由此大陸塊中心向四面八方流動;但是現在南美洲、非洲、澳洲、印度這些地方都不太有冰川活動,所以當初這些小陸塊可能是曾經位處南極地區的大陸塊分裂而成。種種發現都讓韋格納相信大陸不只會漂移,而且現今的各大陸應該是由一塊超級大的大陸塊分裂而成,並且在1915 年出版的《大陸與大洋的起源》一書中詳細描述大陸漂移的構想。

分久必合,合久必分

韋格納在《大陸與大洋的起源》中,結合了所發現的各項資料,最終描繪出來的大陸塊被命名為盤古大陸(Pangaea或Pangea),這個名字也代表著「全陸地」的意思。

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儘管韋格納提出曾經有超大陸存在的證據相當有力,但他卻沒有辦法合理解釋大陸漂移的動力機制。他當時提出是天體引潮力和地球自轉所產生的離心力作用下,使原本一塊很大的陸塊破裂成許多小的陸塊,反對者指出這些作用力太小,不足以移動整個大陸橫跨海洋,地球物理學家杰弗里斯(Harold Jeffries)曾假設潮汐能夠克服海床造成的摩擦力來推動大陸,使大陸漸漸的移動,按照計算的結果,地球將在一年後停止轉動;更何況韋格納計算出大陸漂移的速率約是每年250 公分(現今美洲相對於歐洲和非洲的分離速率約是每年2.5 公分),想當然爾,其他科學家根本不接受大陸移動的速率是如此地快,也連帶地不接受韋格納提出的大陸漂移說。

光陰似箭,歲月如梭,至今大陸漂移說也漸漸發展成板塊構造學說,科學家們也相信在約距今3 億年前地球上有個盤古大陸的存在。這塊盤古大陸也就如同韋格納所相信地那樣,約在1 億7 千5 百萬年前開始分裂。和現今的大陸分布大為不同的是,盤古大陸大部分都集中於南半球,並由一超級大洋包圍著,這片超級大洋稱之為泛大洋或盤古大洋(Panthalassa)。

在盤古大陸分裂後,形成兩大陸塊,一塊漸漸向南邊移動的是岡瓦那大陸(Gondwana);另一塊漸漸朝北邊移動的是勞亞大陸(Laurasia)。向南邊移動的岡瓦那大陸後來又再分裂成南美、非洲、印度、澳洲和南極洲等小陸塊;向北邊移動的勞亞大陸則漸漸分裂成北美、非洲和歐亞大陸等小陸塊。盤古大陸是目前地球歷史上最後一塊超級大陸,但大陸仍舊不斷地漂移,估計未來會形成終極盤古大陸。

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結語

雖然韋格納的大陸漂移說在當年飽受抨擊,他的研究也因其在1929 年第三次格陵蘭考察中喪生戛然而止,然而到1950 年代中期至60 年代以後,隨著古地磁學、海底測勘的技術發展,科學家們奠基於韋格納在百年前的研究成果,發展出現今的板塊構造學說;以現在科學的發展,應是當年強烈反駁大陸漂移說的科學家們始料未及的結果,也印證叔本華所說:「所有真理都會經過三個階段:人們先認為是可笑的,再強烈反對,最後才會接受它是不證自明的。」

201510〈本文選自《科學月刊》2015年10月號〉

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