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漂流了數億年— 大陸與大洋的起源--《科學月刊》

科學月刊_96
・2015/12/27 ・3481字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

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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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被世人遺棄 30 年後,每次世界大戰都成為它的力量之源:板塊構造理論的誕生
活躍星系核_96
・2020/10/30 ・3729字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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  • 周碩君|國立中央大學地球科學學系四年級

居住在這顆藍色的星球這麼久,身為人類的我們自然而然、習以為常地生活在陸地上。

然而,為什麼世界分成七大洲?七大洲從哪裡來?我們為何需要遠渡重洋才能到達彼方呢?

這些問題的答案,直到近百年科技發達,使得地球科學有了很大的進展,科學家才逐漸了解在岩石與海水之下那個隱藏著支撐我們家園的秘密——板塊。

圖一:當世界各地亮起屬於我們的燈火時,人類也不斷詢問大自然,為什麼我在這裡,這塊土地又是從何而來?圖/Pixabay。

國、高中時,我們都學過「板塊構造學說」,主張地球最外層由十幾個大小不一的板塊拼湊而成,而身為臺灣人的我們,也都知道臺灣位處在歐亞板塊與菲律賓海板塊之間,島上的陡峭山脈來自於板塊的碰撞。

雖然如今板塊構造學說人人都能琅琅上口,但自 20 世紀初期以來,它可是歷經了千辛萬苦才得以引起近代科學家的注意,耗費三十年,才逐漸壯大為地球科學的知名理論。

在板塊構造學說的誕生故事前,有一位至關重要的科學家——魏格納。

魏格納玩的拼圖遊戲,是一個整個地球

魏格納 (Alfred Lothar Wegener) 是一位德國地球物理學家、氣象學家和天文學家。 1908 年魏格納被馬爾堡大學聘為氣象學、天文學和宇宙物理學應用講師。

任教期間,魏格納留意到世界地圖上,非洲大陸西岸和南美洲東岸,也就是大西洋兩側的海岸線輪廓很相似,就像是兩片可拼起的拼圖邊緣:一凹一凸,彼此密合。因此,魏格納想像兩邊陸地原本可能相連,開啟了關於大陸漂移的研究,也是往後地球物理學與地質學的重要基礎。

圖二:1912年左右的魏格納。圖/wikipedia

1911年,魏格納在馬爾堡大學圖書館,讀到一篇奧地利地質學家修斯 (Eduard Suess, 1885) 有關岡瓦那大陸 (Gondwanaland) 1 的文章,內容提到根據南半球各大陸上有相似的地質沉積岩層和古代動植物化石,假設在南半球曾經存在過一個統一的大陸。

魏格納是一位氣象學家,利用影響全球氣候帶分布控制因素的專業知識,判斷這些反應古氣候的沉積物證據,與當時全球氣候分布不相符。經過全球古生物化石和沉積地層的資料分析,獲得不符合現今緯度的證據,於是魏格納不僅可以支持修斯的假說,更進一步認知到大陸可能會漂移

我們曾經都黏在一起?大陸漂移學說

1915 年魏格納正式出版《大陸與海洋的起源》2一書,以多面向的證據解釋「大陸漂移理論」。在這本書裡,魏格納主張大約在二億年前,地表有一塊「盤古大陸」稱作「泛蓋婭」 (Pangaea) 3,經過分裂變成兩個陸塊,再繼續分裂與漂移,直到形成今日的樣貌。

魏格納以古生物的資料作為證據,將目前幾個分離的大陸:南美洲、非洲、印度、南極洲、澳洲接合起來,如圖三所示4。這四種古生物,皆不能跨越海洋,到其他陸地生存,所以能支持這些陸塊曾經連在一起的理論,呈現帶狀且連續的動植物分布範圍。

圖三:古生物的分布色帶。圖/wikipedia

在二疊石炭紀時期冰川中,也可以找到關於古氣候的證據。冰磧遺跡中的苔原植物很矮小、貼近地面生長,會利用陽光照射地表空氣和土壤的溫度存活,生長期更長,應該分布在高緯度、甚至極地地區。這些古苔原植物能在現今南半球各大陸發現,就可以作為這些板塊,從原先高緯度環境,慢慢移動到現在中低緯度的證據。

雖然魏格納提出了大陸漂移的種種證據,但因為沒有辦法解釋移動的機制,加上他並非地理學或地質學出身的學者,使得當時學界對他的想法嗤之以鼻。

戰爭埋葬了生命,也催生了偉大的新科技

他的研究被世人遺忘了三十年,直到世界大戰,人們發明許多新科技,地球科學的研究才再次嶄露曙光。

第一次世界大戰為了探測潛水艇而發明聲納觀測,這項發明可以用來測繪海底地形。當探勘船發出聲波、從海面向海底傳播後,探測員就可以利用從海床反彈的聲波的時間差來計算海底深度,借此測繪出海底地形,此時,人們也因此發現了大西洋中部的海底山脈——大西洋中洋脊。

到了第二次世界大戰,磁力儀誕生了,磁力儀原先是運用於戰爭的利器,軍方將其裝置在飛機並偵查海底下的潛艇,而科學家綜合以上兩項技術、岩漿冷卻成岩石的磁性特徵5之後,他們發現:

以中洋脊為中心,兩側海底岩石的磁力分布對稱,而且,磁極正反交錯呈現條紋狀分布,就像是超商每樣商品上條碼的樣子,記錄了過去地球磁場方向的每次反轉。

以中洋脊為中心,左右對稱的磁力分布!影片/BrainPOP

為什麼海底岩石的磁力會這樣分布呢?科學家海斯 (Harry H. Hess) 與狄茲 (Robert S. Dietz) 在 1960 年代利用同位素定年法6推斷:由中洋脊冒出的岩漿,生成出海洋地殼並不斷擴張,到了海溝7再隱沒到地球內部,像是輸送帶一樣運轉。海斯和狄茲順利解釋了海洋地殼的誕生與消逝,形成「海底擴張學說」。

直到此時,「海底擴張學說」配合魏格納的「大陸漂移理論」,再配合許多研究資料(如海溝處地震定位資料)之後,才逐漸發展出你我熟知的「板塊構造學說」。

這顆古老的地球,仍有無數難以參透的秘密

雖然當代地球科學界普遍認可板塊構造學說的概念,但這個理論並非毫無疑點,尚有許多疑惑等待科學家一一挑戰並且破解。

我們藉由魏格納及近代地球科學家的研究成果,了解地球板塊形成的原因。但是利用各種證據方法,推測陸地過去詳細的模樣,追溯到十八億年前就算是極限了,更久以前的地球板塊又是如何分布的呢?

從現實面來說,沒有任何地質學家能親眼觀察地球內部的物質成分和構造。絕不可能像法國小說家凡爾納的《地心歷險記》8,主角李登布洛克和他的姪子進入火山,通過地心,看遍地下所有秘密,再從地球的另一端出現,卻毫髮無傷。

小說《地心歷險記》在 2008 年被翻拍為 3D 電影《地心冒險》,在地球的地心展開奇幻冒險。

或許在未來,科技更加進步,研究儀器的功能更強大,地球科學家能找到更多關於地球板塊變化的證據。到時候,或許能在板塊構造學說的基礎上,發展出合理解釋地球誕生到現在完整演變的學說,更進一步結合其他領域的科學家,預測未來地球的陸地將如何變化。這些發展,我們都可能參與,也值得我們期待。

註釋

  1. 「 Gondwana 」是印度的一個地名,在此地發現的岩石相似於南半球其他大陸,修斯以此稱之。
  2. 原文「 Die Entstehung der Kontinente und Ozeane 」。
  3. 「Pangaea」原文為希臘語「Παγγαία」,是「πᾶν」(全部)和「γαῖα」(陸地)的合字,即「全陸地」。其中 「Γαῖα」也是前面介紹過的大地之母神。
  4. 圖三古生物分帶說明:
    • 橙色:犬頜獸屬 (Cynognathus) 是種三疊紀中期的陸生肉食性犬齒獸類,在非洲、南美洲、南極洲可以發現化石。
    • 藍色:中龍屬 (Mesosaurus) 是一種小型水生爬行動物,在二疊紀早期的南美洲和南非地層中可以被發現。
    • 棕色:水龍獸屬 (Lystrosaurus) 為陸生的中型脊椎動物,存活在二疊紀晚期到三疊紀早期,化石分布於南極洲、印度、南非。
    • 綠色:舌羊齒屬 (Glossop-teris) 是一屬已滅絕的種子蕨類,生存於二疊紀至侏羅紀晚期,化石主要分布於南半球及印度。
  5. 岩石中的磁鐵礦會記錄當時地球磁場的磁性,與現今地磁場方向一致稱為「正磁極性」,反之則為「反磁極性」。
  6. 利用岩石中的元素,其元素包含不穩定的放射性同位素,具有規律的衰變週期,可作為測量地質年代的方法。
  7. 簡單來說,為一種海洋地殼與大陸地殼交界的構造,形成深且狹窄的峽谷。
  8. 書名原文「Voyage au centre de la Terre」,為法國小說家凡爾納於 1864 年出版的科幻小說。

資料來源

  1. 《板塊構造學說紀事》,W. Jacquelyne Kious, Robert I. Tilling,(陳建志、馬家齊譯),五南,2005。
  2. 《海陸的起源》,魏格納,(李旭旦譯),北京大學出版社。

作者後記

作者/周碩君

我喜歡閱讀科學家的故事,認識一個人的成長背景,配合其學術成果,讓我體會到科學發展一直與人緊密相關。我很幸運在 2019 年修了一門通識課,由單維彰老師和鄭芳祥老師共同教授的「知識寫作與思考」,每位學生期末成果就是產生一篇屬於自己的知識寫作。非常感謝老師們對我的文章不斷給予建議,還鼓勵我將作業成果投稿。我的作品選擇了自然科學領域,是一篇結合地球科學和歷史的科普文章,期待透過像說故事的內容,能夠讓更多人透過閱讀獲得有趣的地科知識。

  • 責任編輯|儀珈
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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令人難以置信的大陸漂移說–魏格納誕辰|科學史上的今天:11/1
張瑞棋_96
・2015/11/01 ・1180字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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多年以後,當德國氣象學家魏格納格最後一次在陵蘭島面對暴風雪侵襲時,將會想起26歲那年,初次跟著探險隊踏上冰天雪地的格陵蘭島時心中的悸動。那次他留在基地建造氣象觀測站,隊長與兩名隊員出外探勘人類足跡尚未抵達之處,卻就此一去不回,命喪冰原。那是他初瞥死神的陰影,但這並未令他打退堂鼓,否則他就不會一而再、再而三的來到格陵蘭島。只是這一次,死神似乎終於來到他面前……。

魏格納。圖片來源:wikipedia

魏格納雖然是氣象學家,但卻不是為了研究氣象才重返格陵蘭島,而是為了蒐集證據,向世人證明他於1912年就提出的大膽理論:大陸漂移說。他相信遠古時期地球只有一片完整的盤古大陸,後來破裂漂移才形成現今的七大洲和五大洋。這個主張聽起來一點兒也不像科學假說,反倒比較像是妄想的古老神話,難怪飽受嘲諷。

盤古大陸破裂飄移示意圖。圖片來源:Tbower@wikipedia

魏格納當然有其根據,最明顯直觀的線索就在地圖上。看看南美洲東邊與非洲西邊的海岸線是如此吻合,絕不可能是巧合,甚至其它大陸也大致可以湊在一起。這絕不是異想天開的拼圖遊戲,因為還有其它許多現象唯有用這個理論才說得通。例如各大陸冰河期的冰川從南北兩極往前延伸,照理說最前緣都應該會推進到氣溫相當之處,也就是緯度位置應該差不多,但實際上卻相差甚大。如果把這些大陸拼湊在一起,冰川前緣就都落在約莫相同的緯度了。

還有化石證據。一些被大海阻隔的大陸都出現相同的動植物化石,而其中許多根本是無法飛翔或不會游泳的物種,若非這些大陸以前彼此相連,它們如何擴散出去呢?1912年,英國探險家史考特(Robert Falcon Scott)在南極找到舌羊齒植物化石,更可證明這一點。但這些證據仍不足以令學界信服,他們寧願相信曾經存在橫越大洋的陸橋將各大陸連接起來。

魏格納的大陸漂移說之所以無法令世人接受,在於他無法提出一套理論,解釋是怎樣的動力機制竟能使大陸移動。限於當時的科學知識,的確找不出有說服力的解釋,但魏格納仍堅持信念,他決定測量格陵蘭島相對於歐洲大陸的位移,直接證明大陸真的會移動。於是他於1930年第四度來到格陵蘭島,但卻被困在風雪之中……。

魏格納終究沒有機會提出證明了。就在他剛過五十歲生日的第二天,魏格納死於冰天雪地之中。他的屍體半年後才被發現,但他的大陸漂移說卻深埋逾三十年,直到海底擴張的現象被證實後,才終於獲得平反。

延伸閱讀:史考特誕辰|科學史上的今天:6/6

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。