歷史 物理

E pur si muove(它就是在動啊):大陸漂移說的早期支持者

Print Friendly and PDF
撰文者:高崇文
發文日期:2021-05-10
點閱次數:418

  • 上一回阿文介紹了韋格納的生平,雖然他壯志未酬,殞身於冰雪之中,但是他開創的大陸漂移說卻依然在人間引發爭論。普遍來說,反對與質疑的聲音遠高於贊同與支持。大陸漂移說被抨擊最厲害的是它無法明確地給出使大陸產生漂移現象的動力來源。雖然韋格納主張動力的來源可能是地球自轉引起陸塊移往赤道的「離心力」,還有就是太陽與月球對地球的「潮汐力」,但是英國的哈羅德·傑弗里斯爵士(Sir Harold Jeffreys,1891年-1989年)在他的1924年的著作中《地球的起源、歷史與物理構造》( The Earth, Its Origin, History and Physical Constitution)一書中,算出這兩種力只能提供大陸漂移及山脈生成所需力的百萬分之一!這讓韋格納的理論似乎變成只是一場妄想。順便一提,哈羅德·傑弗里斯爵士非常長壽,但是一直到死他都拒絕接受大陸漂移學說呢!不但物理學家跳出來反對大陸漂移,古生物學家也不甘寂寞地參一腳。1943年著名的古生物學家喬治·辛普森在1943年寫了一篇文章(Mammals and the Nature of Continents),強烈攻擊韋格納的大陸漂移理論。由於喬治·辛普森的影響力很大,導致韋格納的大陸漂移假設在美國仍然普遍遭到學界的懷疑。辛普森認為這些大陸是固定的,他認為已滅絕生物化石的分佈可以通過大陸漂一以外的過程來解釋。



    但即便如此,還是有一些學者跳出來支持韋格納。像是加拿大出身的地質學家戴利 (Reginald Aldworth Daly, 1871-1957)是韋格納的大陸漂移學說的支持者。戴利在其1926年的專著《Our Mobile Earth》的標題頁,小字印有伽利略的名言"E pur si muove(它就是在動啊)"。據傳這是伽利略在聆聽宗教裁判所宣判自己的罪刑時忍不住喃喃自語所講的。而地質學家亞歷山大·洛吉-杜·杜托伊特甚至曾在1944年寫了一篇文章反駁辛普森,為韋格納的主張辯護。這位”路見不平,拔刀相助”的學者是何來歷呢?且讓阿文來介紹一下這位奇人。


    亞歷山大·洛吉-杜·托伊特(Alexander Logie-du Toit ,1878年至1948年)是來自南非的地質學家,1878年出生於開普敦的紐蘭茲(Newlands),並在朗德博斯(Rondebosch)的主教管區學院(Diocesan College)和好望角大學(University of the Good Hope)接受教育。他的父親被一位在來自蘇格蘭的陸軍上尉收養,這位上尉姓Logie,他在南非退伍後留在南非還娶了一位法國Huguenot後裔姓du-Toit的女士,所以他們家的姓氏就成了Logie-du Toit了。而他的母親則是他父親養父弟弟的女兒。所以他們家與蘇格蘭頗有淵源。洛吉-杜·托伊特後來去蘇格蘭求學,並於1899年從格拉斯哥皇家技術學院的採礦工程科畢業。在倫敦皇家科學學院短期學習地質學後,回到格拉斯哥之後,在格拉斯哥大學和皇家技術學院講授地質,採礦和測量學。

    1903年,杜·托伊特回到南非,被任命為好望角地質委員會的助理地質學家,他開始繪製南非著名的階地 (當地稱為卡魯, Karoo)大部分地區及其白雲石侵入體 (dolerite intrusions) 的地圖,由此他開始接觸非洲南部地質,親身得到了非常廣泛且深刻的理解,並發表了許多相關論文。隨後,他通過繪製從德維卡(Dwyka)岩礦到龍山山脈(Drakensberg)整片玄武岩的完整地層,完成了整個卡魯的地圖。 他的工作效率奇高,但是成果卻以細緻入微而著稱。這項工作非常耗費心力。他獨自探索了從北部的赫歇爾山(Herschel)到南方的卡拉 (Cala)之間廣大的區域。他還特別研究了Molteno層的煤層,Stormberg熔岩的巨大厚度以及穿透該系列沉積物和熔岩的引人注目的火山筒(火山筒的形成為深層原始火山爆發的結果)由於沒有可靠的地圖供他使用,他必須步行或用腳踏車來探勘,而且得將他的平板儀背在背上東奔西跑!他辛勞的成果是一系列的野外工作表和地質圖,其細節和準確性使今天的年輕人感到驚訝和羨慕呢!

    1920年,杜托伊特加入南非政府的聯合灌溉部,擔任水地質師;1923年,杜·托伊特獲得了華盛頓卡內基研究所的一筆研究經費,並用它前去南美東部,研究阿根廷、巴拉圭和巴西的地質情況。 從他在《我們的漂泊大陸》中的描述可以明顯看出,這次探險不是一時興起,而是他要檢驗他對兩大洲地質之間對應關係的預測而安排的。 果不其然,他真的發現了原先預期在南部非洲出現的南美大陸特定特徵的延續性。儘管對於外行人來說似乎沒什麼了不起,但與先前韋格納所提出的兩個大陸棚可以契合這個論證相比,這個證據對地質學家而言,要更具說服力的多了。杜托伊特後來發表《南美洲與南非的地質比較》(1927年)裡頭包含了許多支持韋格納觀點的地區地層和放射性同位素證據,在他最著名的出版物《我們的漂泊大陸》(1937年)擴大並改進了整個工作。在這本代表作《我們的漂泊大陸》"Our Wandering Continents"一書中。它的創造性和經過充分論證後得到的論據,並且與現代板塊構造原理保持清晰的一致性,使它成為時至今日仍然算是地質學的名著呢。與韋格納有所不同的是,杜托伊特提出了兩個最初的超大陸,它們被特提斯海洋(Tethys Ocean)分割成北部/赤道的勞拉西亞 (northern/equatorial Laurasia)和南部/極地的岡瓦納蘭 (southern/polar Gondwanaland)。

    1927年,杜托伊特成為戴比爾斯綜合礦業公司(De Beers Consolidated Mines )的首席諮詢地質師,他擔任這個工作直到1941年他屆齡退休為止。1943年他成為皇家學會院士,這對出身南非的科學家來講是一大殊榮。杜托伊特於1948年在南非過世。他過世後一年南非地質學會開始每兩年舉辦一次以他為名的講座。遺憾的是,當他過世時,韋格納的學說還是普遍被視為錯誤的。 

    另一位支持韋格納的學者是英國的地質學家亞瑟·霍爾姆斯(Arthur Holmes 1890年至1965年)。霍爾姆斯終身擁護韋格納倡導的大陸漂移理論,當時他的保守同僚們都反對這個理論。霍爾姆斯本人在1953年都承認:“我從未成功地擺脫了對大陸漂移的偏見。”主要的障礙當然還是在於大陸漂移的動力機制。但是霍爾姆斯卻是第一個提出關於大陸漂移的可能的動力來源的科學家。他主張地球內部高溫的岩漿在地函中造成對流現象,進一步使得地殼移動到地表,造成大陸漂移。他的代表作《自然地質學原理》正是以關於大陸漂移的一章做為結尾!霍爾姆斯不僅提出的理論精彩,他自己的人生故事更是遠比杜托伊特更加曲折,阿文當然不會放過!還請大家聽阿文慢慢道來:

    霍爾姆斯出生在英國杜倫郡的赫本(Hebburn),靠近泰恩河畔紐卡斯爾,父親是櫥櫃製造商。他在17歲時就讀於皇家科學學院(現為倫敦帝國學院)本來要攻讀物理,但在他的第二年改讀地質。這卻要”歸咎”當時物理界的大老開爾文勳爵。當時開爾文勳爵與地質學家展開了一場長期的爭論。開爾文從地球從融化狀態冷卻下來的假設開始,估計自從凝固起,經過的時間不超過4000萬年。地質學家則認為,地球冷卻需要更長的時間。霍爾姆斯對這個問題深感興趣,逐漸被引入地球科學領域,他在閱讀奧地利地質學家愛德華·修斯(Eduard. Suess,1831-1914)的地質學傑作《 地球的面貌Das Antlitz der Erde》後進一步激發了他的興趣。這是他改念地質學的因緣。

    也許是他對物理的熟悉讓他很幸運地搶搭上放射性測年的第一班列車。1905年,英國物理學家拉塞福提出,放射性礦物質以粒子和射線的形式釋放出的能量可以用來對礦物質進行年代測定,這正是放射性測年的濫觴,只要測量礦物中所含某些不穩定原子(例如鈾)的衰變速率,就能能夠確定礦物的年齡。霍爾姆斯還在念大學時就曾為挪威的泥盆紀岩石(Devonian rock from Norway)進行了首次精確的鈾-鉛放射性測年(專門設計來測量岩石的年齡),確定該樣本的年代約為370 Ma。該結果在霍爾姆斯於1910年畢業後才於1911年發表。[1 Ma 代表一百萬年]

    原本霍爾姆斯留在母校繼續念研究所,但是獎學金太少了,迫於生計,他在1911中斷學業,找了個葡屬東非(今天的莫三給克)的礦場工作,結果做了六個月後,他不但沒有發現礦產,還患上了瘧疾,他的死亡通知還被送到家裡。幸好他幸運地康復了,之後他只能乘船回英國。

    1912年,霍爾姆斯回到帝國理工學院繼續他的學業,還負責帶學生做實驗(demonstrator),同時繼續他的研究,他的指導教授是著名的物理學家第三任瑞利男爵的兒子,第四任瑞利男爵Robert John Strutt (1875-1947),他是放射性的專家,尤其擅長利用放射性來鑑定礦物的年代。1913年霍爾姆斯出版了他的第一本書《地球的年代》,在這本書中中他強烈主張採用放射性方法,而不是基於地質沉積或地球降溫的方法。當時許多人仍然堅持開爾文勳爵的計算方法 認為地球年齡小於100 Ma呢。 他估計最古老的岩石年齡為1600 Ma!後來同位素的發現讓這一類的計算變得更複雜了,1927年,他根據阿爾弗雷德·奧尼爾·尼爾(Alfred O. C. Nier)對鈾同位素相對豐度的測量,該數字被修改為3,000 Ma ,並在1940年代被修改為4,500±100 Ma。 1953年,美國地球化學家克萊爾·帕特森(Clair C. Patterson)最終確定了地球的真實年齡為45.5億年。現在放射性測年通用的是以1946年弗里茲·霍特曼斯(Fritz Houtermans)於1946年發表的方法而著稱為Holmes-Houterman模型。霍爾姆斯對這一理論的推廣為他贏得了現代地球年代學之父的稱號。

    霍爾姆斯於1917年拿到博士學位之後結婚生子,為了養家活口,他在1920年加入緬甸的一家石油公司擔任首席地質師。沒想到公司後來垮了。在緬甸陪伴他的三歲的兒子,不幸染上痢疾而夭折。傷心的霍爾姆斯在1924年一文不名地回到了英國。所幸霍爾姆斯在回到英國後,很快就杜倫大學(Durham University)剛成立的地質學系聘去任教。霍爾姆斯在杜倫待了十八年,1942年他終於成為皇家學會會員。次年,他被任命為愛丁堡大學地質學系主任,他一直任職至1956年退休。1944年,他出版了《自然地理學原理》第一版。成為英國及其他地區的標準教科書。霍爾姆斯一直在愛丁堡任職到1956年退休為止。他於1965年在倫敦過世。享年七十五。

    霍爾姆斯會提出熱函對流其實也不是靈光一現,而是來自他擅長的放射性研究。


    重回英國在杜倫大學任教的時後,他讀到了他的指導教授,第四任瑞利男爵的論文,這篇論文主張以放射性元素衰變釋放的能量來解釋造山、產生岩漿和火山噴發等地質現象的主要能量來源。霍爾姆斯想到如果這熱能能夠讓岩漿升溫,高溫的岩漿從地底深處上湧至地函上部與地殼交界帶間,經漸漸冷卻、密度變大的過程後,再緩緩下沉回地核,而在軟流圈間形成一個熱流體的對流循環。這樣就能夠解釋大陸漂移了。

     
     15913669_s
    圖片來源:123rf
     


    所謂軟流圈(Asthenosphere)指的是是地函的一部分弱塑性變形區域,位於岩石圈(lithosphere)的下面、中間圈(mesosphere)的上面。岩石圈堅硬,因此無法對流,但下方的軟流層弱得多,得以對流。軟流圈的想法其實老早就出現了。在1914年-1915年間美國地質學家巴雷爾·約瑟夫(Joseph Barrell  1869 – 1919)發表8篇關於地殼均衡的系列研究文章,他從力學的角度(剛性和流變性)提出了岩石圈與軟流圈的分野並給其命名。軟流圈(Asthenosphere)該詞來源是希臘語單詞asthenēs(weak)與單詞sphere的組合;岩石圈板塊在軟流圈之上受到對流體的驅動而漂移。但是當時由於缺乏證據,並不是所有人都把岩石圈與軟流圈的存在當作事實。


    問題就在於地底下具有的熱能是否大到足以推動大陸造成漂移。霍爾姆斯計算了自然界中,常見的放射性元素衰變時每克所會放出的熱能。他還從鑽探調查中確認了,玄武岩基質層(Basaltic substratum;主要分布在海洋地殼和地函上部)和花崗岩性上層岩層(Upper granitic layer;主要分布在大陸地殼)中,含有的放射性元素的含量。依此他計算這些放射性元素,衰變到變成穩定狀態時,大概會放出的能量。他接著利用玄武岩樣本的熔點分析出岩漿的溫度約在攝氏1000度,和根據地底的溫度梯度,推測地函處約保持攝氏300度,霍爾姆斯由此算出每年地函內的固態岩石熔化成岩漿,噴出地表需要多少的熱能。並與地函與地殼中的放射性元素衰變時,每年所產生的熱能值做比較。依據他的計算,地殼和地函產生的放射性元素衰變熱,不足以造成大陸漂移和岩漿噴出地表等地質作用,真令人失望!


    但是霍爾姆斯並沒有放棄,他想起了1913和1926年古騰堡(B. Gutenberg)與傑弗里斯(H. Jeffreys)藉由地震波的陰影帶(shadow zone)等資訊,推測出在地表下2900公里處,存在一液態的地核(外核)區 。(體波穿越地球液態層時,P波在經過下部地函與外地核時會稍許折射。造成P波在104°至140°間會有陰影區,令地震儀無法記錄。)結合1897年維切特根據隕石樣本和地球表面採集到的岩石之密度數值來計算,得出地球內部存在富含鐵元素核心的結論,霍爾姆斯推論,由於要使金屬物質保持液態的狀況,會需要極高的溫度,岩漿的熱能不會因為長時間的熱傳導、散失等作用,導致熱能和岩漿消失殆盡而保持。因此,霍爾姆斯認為,在比地函和地殼的地底更深處的地核處存在著高溫的液態金屬。


    (後來丹麥女性地震學家暨地球科學家Inge Lehmann 在1936年發現了地球的地核不是單一的熔融球體,而是有物理狀態相當不同的内核和外核兩層,外核雖然有著和內核一樣的成分,但因為沒有足夠的壓力使它成為固體,所以呈現液態。外核的溫度範圍大約從外側的4400°C向內增加至接近內核的6100 °C,內地核的溫度與壓力可以通過理論與試驗方式估計出鐵在內地核與外地核邊界壓力(約330 GPa)時的融化溫度。溫度估計為攝氏5,400度 。)


    霍爾姆斯為發現地殼與地函中的放射性元素衰變放出的熱能再加上液態地核具有的熱能,遠大於使地質結構拉伸和推動的能量。霍爾姆斯接著重新計算地函與地殼處所含的,以放射性鉀元素為主的物質所含的劑量和衰變時可放出的熱,發現剛好可維持地底"每深1公分就高0.00032度C"的溫度梯度,所以地函能保持約攝氏300度的環境溫度,不至於因為每年地表所會散失的熱能量60 calories/ mL而冷卻。因此,霍爾姆斯得出一個重大的結論:地(外)核高溫岩漿的熱量就足以導致大陸漂移等現象!


    1928年1月12日,霍爾姆斯在格拉斯哥地質學會(the Geological Society of Glasgow)發表演講,之後撰寫成”放射性與地球的運動”(Radioactivity and Earth Movements)一專文,發表於格拉斯哥地質學會(the Geological Society of Glasgow)的學術刊物上。他建構了一個如何解釋大陸漂移、造山和岩石形成等地質作用的動力源的模型。但是科學界還是普遍反對大陸漂移說。霍爾姆斯本人在1953年都承認:“我從未成功地擺脫了對大陸漂移的偏見。”


    但是E pur si muove(它就是在動啊)!就在霍爾姆斯構思"地函熱對流"學說的這幾年,美國的古騰堡(B. Gutenberg),在1926年從震波圖發現,地表下約200至250公里深處出現地震波異常降速的低速帶 (low‐velocity zone ,LVZ),古騰堡(Gutenberg)繼續在南美和加利福尼亞州(Gutenberg&Richter,1939)在內的多個地點調查LVZ,並使用包括S波陰影帶和導波在內的各種觀測,他開始陸續發表相關的論文,用地震波的觀點,證明了這個巴雷爾和霍爾姆斯口中的、地下的高溫、保持熔融態,而且具有熱對流性質的位置真的存在!後來他在1959年把這些結果整理成論文”軟流圈低速帶”(The asthenosphere low-velocity layer, 1959)發表在期刊”地質學年鑑”(Annals of Geophysics)上 。


    由霍爾姆斯的研究結論中得到的大陸漂移模型,是利用岩漿的熱對流流動而造成大陸陸塊變化的,所以他預測會在地球某處找到,因熔岩對流上湧、拉伸產生的陸塊張裂和隆起處,並且,也應該能夠找到因熔岩對流而使陸塊相互擠壓及下沉的位置。也就是地球的岩石圈中對流的沉降流(downwelling)所在的地區。這就是地質學中所謂的隱沒帶(subduction zone),也稱俯衝帶、消減帶。


    當岩石圈比地函的軟流圈部份的密度要高的時候,岩石圈容易沉入地函裡,形成了隱沒帶;隱沒帶與地球最深的地震有關。地震通常發生在地殼較淺、較容易碎的部份,深度通常淺於20公里。然而在隱沒帶發生的地震深度可達到700公里。這些地震的震源勾勒出了一塊 向內陸傾斜的地震活動地區。1954年日本地震學家和達清夫與美國地質學家班尼奧夫就是由此發現連接海溝與火山島弧底下的震源分布,有一向內陸傾斜的帶狀區域,今天稱之為和達-班尼奧夫帶。這也是支持霍爾姆斯學說的佐證。


    但是板塊學說真正得到學界的認同,還是要從五零年代對海底中洋脊(Mid-ocean ridge)講起,這段精彩的故事太長了,只好留到下回囉!

    參考資料:
    (一)英文 中文 維基相關條目
    (二)https://www.amnh.org/learn-teach/curriculum-collections/earth-inside-and-out/geologist-arthur-holmes
    (三)https://www.encyclopedia.com/science/dictionaries-thesauruses-pictures-and-press-releases/du-toit-alexander-logie
    (四)https://www.amnh.org/learn-teach/curriculum-collections/earth-inside-and-out/geologist-arthur-holmes
    (五)https://geologyglasgow.org.uk/archive/arthur-holmes/
    (六)Arthur Holmes’ paper of 1929 on convection currents within the Earth as a cause of continental drift by David Oldroyd
    ====================================
回上一頁