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海底扩张说催生的新成果

编著:中科院地质地球所     来源:https://mp.weixin.qq.com/s/LEqQyqJOniz16YsPh3QqxA

海底扩张说对海底地质现象的解释非常引人入胜,极大地激发了地质学家的探索欲望。


在海底扩张说提出后的短短几年内,大批研究新成果纷至沓来。其中最突出的当属海底磁异常条带的发现、深海钻探与海底岩石测年、洋壳剖面的发现、海山与地幔柱的确认、海底转换断层的发现与确定等,为板块构造学说的诞生奠定了坚实的基础。

海底异常条带的发现

地磁场专项年代表的建立

地球是磁性体,有磁北极和磁南极,好似有一个巨型磁棒穿插地球,并通过球心,在地球外面形成巨大磁场。地球上的一切磁性物体都受到它的影响。地磁极与地轴之间有一交角(约11°),因而罗盘磁针指向总会偏离地理上的南、北方向,这一偏离角称为磁偏角(magnetic declination)。

磁针平行于磁力线方向,在赤道附近呈水平状态,在地表其他部位并不水平。在北半球,指北的一端向下倾,在南半球,指南的一端向下倾。磁针与水平面之间的这一偏离角,在赤道上,磁倾角为0°;在两极,磁倾角达90°,磁针直立。


地球的任意一点上均有固定的磁偏角和磁倾角。地磁场上任何一点都有磁力,磁力大小称为磁场强度(magnetic filed intensity),单位为奥斯特(Oe)。地磁场较弱,一般只有十分之几奥斯特。


地磁场是怎么产生的呢?

一般认为,由于地球外核高温金属对流体的对流(流速nkm/a),引起电流并导致地磁场的产生。

一个重大发现是,地质历史中地磁极的南、北极方向与现在的有时一致,有时则相反:前者称为正向,后者称为反向。地极的转向是周期性变化的,长周期者大约1Ma变化一次。在转向过程中,磁场强度减弱甚至趋零。这时太阳的辐射对地球上的生命活动会造成影响,有人认为这是一类生物消亡,另一类生物新生的导因。


在这些持续时间较长的磁极变化期中,还有多次持续时间较短(以万年计)的转向。保持稳定地磁极的大阶段,称为(episode);每个期内发生过得短期转向,称为事件(event)。精确测定每一期和每一事件所延续的时间,就可以制定出古地磁场转向年代表,它记载着古地磁场转向的历史。


目前已经制定出中生代以来的古地磁场转向年代表,现已查明,在最近3~4Ma间,有三次重要转向,每次转向持续时间约1Ma。他们分别是:0.69Ma-现在,布容正向;2.43-0.69Ma,松山反向;3.32-2.43Ma,高斯正向;3.32Ma之前,吉尔伯特反向。地磁场转向年代表的建立是古地磁学(paleomagnetism)研究的最重要成果之一,为论证海底扩张打下了坚实的基础。


地磁场为何转向?

有人推测是金属流体在其对流过程中出现某种瞬时流,从而改变了对流方向。


美国学者格拉兹迈尔(Glatzmaier G.A)和罗伯茨(Roberts P.H)通过计算机模拟后提出,地球的固体内核比其余部分的旋转速度快。这样,只需经过约3500年地磁场便会自行倒转,而不需要附加任何外力(Glatymaier et al ., 1995)。


为了验证这一观点,宋晓东与理查兹(Richards R.G)分析了从20世纪60年代到90年代源自桑威奇群岛(阿根廷南段与南极半岛之间)的38次地震资料(从震中到阿拉斯加科勒监测站的地震波走时详细记录),据此计算出内核的旋转比地幔旋转角每年快1.1°,内核正以1°/a的速度相对于地幔向东转动(Song & Richard,1996),从而验证了格拉兹迈尔等的认识。

海底地磁条带的发现

从洋脊裂谷带涌出来的玄武岩浆当其冷却到距离点温度(650℃)时,会因地磁场作用而被磁化,其磁化方向与地磁方向一致。而古地磁场的极性方向是反复转向的,因而海底玄武岩所记录到的磁性方向应该是正向与反向交替排列,而且沿脊轴两侧,不同年龄玄武岩的磁性条带也应是对称式分布。


1963年,英国剑桥大学博士生瓦因和讲师马修斯(Vine & Matthews,1963)在分析海底地磁资料时,最早发现了上述现象。在垂直于洋脊方向的洋底剖面中,存在着对称分布的磁性条带。正、反方向磁性条带的宽度和地磁场转向期(时间)持续的时间长短成正比关系。


将玄武岩磁性条带宽度所代表的的距离除以该条带的时间跨度,就能求出海底扩张的速度。大约是每年数厘米。各大洋的扩张速度不尽相同,同一大洋的不同部分以及同一大洋在不同地质时期内的扩张速度不完全相等。

>南海海盆条带磁异常分布(图自文献《地磁条带与海底扩张》)

目前已知的几个大洋的海底扩张速度是:大西洋1~2.25cm/a,印度洋1~1.1cm/a,太平洋1~4.9cm/a。


根据海底扩张速度和海底的宽度,可以计算出整个洋底的年龄,结果表明,全球最老的海底为侏罗纪,它和下一章叙述的海底钻探岩心测出的年龄数据是非常吻合的。

内容摘录自舒良树版《普通地质学》

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