邁向勝利之路的大陸漂移說(上):古地磁學與海洋熱流

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2022-07-31
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阿文之前曾經介紹了提出大陸漂移說的韋格納以及早期支持大陸漂移說的幾位科學家。這一回要把大陸漂移說贏得最終勝利的完整故事說完,有趣的是這個過程還與拉塞福的兩位高足有關。到底是哪兩位呢?還請大家聽我慢慢道來......


關於大陸漂移說的新發展來自一個意想不到的學科:古地磁學 (Paleomagnetism)。 古地磁研究之所以可能,是因為構成岩石的一些礦物——特別是磁鐵礦——在它們形成時就沿著地球磁場的方向永久地磁化了。來自熱液體岩漿的岩石,甚至是由在低溫下生長的晶體組成的礦物,都可以獲得磁化。此外,當磁化礦物因侵蝕而從母岩中解體並被帶入盆地而沉澱時,它們將傾向於平行於地球磁場排列。當它們沉澱的沉積物硬化成岩石時,磁化強度也會固定。

早在 20 世紀初,法國學者布魯內斯 (Bernard Brunhes 1867–1910) 於1905年在Auvergne的火山區域Clermont-Ferrand,就曾發現許多岩石被磁化的方向與目前地球的磁場方向相反!隨後瑞士地質學家默坎頓 (Paul-Louis Mercanton 1876–1963) 於1926年發表了論文,他發現在古老的熔岩流和烘烤的粘土中觀察到反向磁化。但是從1931年以後,默坎頓全心全意投入氣象觀測的工作,就沒有再從事與地磁有關的研究了。無獨有偶地,也是從1926年起,日本地質學家松山基範 (1884-1958) 在日本和滿州地區收集玄武岩樣本,並在1929年發表論文,他指出岩石磁極性和地層位置有明顯關聯。他並提到在258到78萬年前的地磁場磁極方向和今日是相反的,這段時期今日被稱為「松山反向極性期」(Matuyama reversed polarity chron),而磁極方向轉換到和今日地磁場磁極方向相同的「正向」事件即為「布魯內斯-松山反轉」(Brunhes–Matuyama reversal)。

 

松山基範的父親是寺院的住持,當時政府還不認可僧人娶妻,所以剛出生時是隨母姓,後來才改回父姓。後來他進入松山家成為養子,並娶了松山家的女兒,所以改姓松山。他於1907年進入京都大學,他師事新城新藏與志田順,並曾到芝加哥大學研究冰河學。1921年回日本後創設京都帝国大学理工科大学地質学鉱物学科第一講座 (理論地質学講座)。順便一提,松山基範除了是一流的科學家,同時也是位能樂師!(能樂是是日本獨有的一種舞台藝術,為佩戴面具演出的一種古典歌舞劇,從鎌倉時代後期到室町時代初期之間創作完成。能樂是過去專屬武士階級的娛樂,明治維新之後才成為大眾共賞的戲曲。) 

 

松山基範於1927到1932年間在日本、朝鮮半島和滿洲地區進行重力探測。並且他在潛水艇中以韋寧-邁內茲擺儀 (Vening Meinesz pendulum) 進行日本海溝周圍的重力探測。同時也展開岩石磁性的研究。當時要測量岩石磁性必不容易,因為用的還是磁針而非無定位磁力計,測量一次要花四小時!現在地球物理學家通過仔細收集不同年代的岩石標本並確定它們的磁場排列,已經能夠追踪地球磁場方向隨地質時間的變化。該技術提供了正常和反向極性時期的時間表,顯示了過去 7600 萬年地球磁場的 171 次逆轉。雖然古地磁學技術發展神速,但是在六零年代時,它怎麼能夠支持大陸漂移說呢?這又有一段曲折了。



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韋寧-邁內茲擺儀 (Vening Meinesz pendulum) 圖片來源:Wikimedia Commons

當松山基範在1929年提出磁極方向曾經倒轉的理論,並沒有太大的迴響。一般的看法是岩石內部殘留磁場可能產生與地球磁場反向的磁化。然而這種說法隨著新型的磁力計被採用而不攻自破。發明這種新型的磁力計的可是大有來頭,他是1948年的諾貝爾物理獎得主英國物理學家,帕特里克·梅納德·斯圖爾特·布萊克特 (Patrick Maynard Stuart Blackett 1897-1974)!他本來是海軍軍官,一戰之後他被送去劍橋受訓,在這段時間,他接觸到卡文迪許實驗室 (Cavendish Laboratory),並且對它留下深刻的印象,後來他從海軍退伍,成為拉塞福的學生。他於1921年從劍橋的抹大拉學院 (Magdalene College) 畢業後,在卡文迪許實驗室工作了10年,並於1923年成為劍橋國王學院 (King's College) 的研究員,一直任此職至1933年。1937年,他前往曼徹斯特維多利亞大學,在那裡他接替William Lawrence成為Langworthy教授。第二次世界大戰結束後,曼徹斯特大學恢復了對宇宙射線的研究。他的團隊在曼徹斯特大學從事宇宙射線的研究而發現所謂的奇異粒子,他也因此得到諾貝爾獎。

布萊克特在戰後開始對星際磁場的起源產生興趣,他甚至提出了一種理論,試圖將地球磁場與地球自轉連結起來,他希望將電磁力和重力統一起來。為了檢驗他的理論,他花了很多年時間開發非常敏感的磁力計。從1950年代起他和他的學生,朗科恩 (S. K. Runcorn,1922-1995) 就開始在全球各地測量陸地上岩層的殘磁偏角及磁傾角,目的是要決定沈積岩岩層在形成時的地球磁極的方位。結果發現這些沈積岩岩層形成時的的地球磁極方位與今天的磁極方位差異甚大,一開始科學家只是單純地將這件事當作地球磁極曾經改變過的證據。但是隨著古地磁測量結果的不斷累積,朗科恩與他的學生歐文注意到從北美洲的古地磁測量結果來推測的磁極移動路徑與從歐洲的結果所推測的磁極移動路徑居然沒有重合,而是兩條分歧的路徑!如果硬是把兩大陸的磁極移動路徑強迫重合在一起,就會發現大西洋兩岸的大陸剛好可以拼合在一起!這真是個令人意想不到的發現。

朗科恩與歐文都是英國人,朗科恩 (Stanley Keith Runcorn 1922-1995) 出生於蘭開夏郡的紹斯波特,曾就讀於喬治五世國王語法學校以及劍橋的岡維爾和凱斯學院,並於1942年在兩年內從工程部門畢業。在第二次世界大戰期間進行了一段時間的雷達研究之後,他加入了曼徹斯特大學的物理系,在那裡他對地球磁場的各個方面進行了研究,並於1949年獲得博士學位。他的指導教授正是布萊克特。朗科恩攻讀博士時他開始對古磁性研究的興趣,該研究是對岩石磁性的研究,他首先在劍橋大學地球物理系繼續研究,後來在紐卡斯爾大學 (Newcastle University) 任教,並於1956年被任命為物理學主任。在紐卡斯爾,朗科恩建立了一個強大的地球物理學研究小組,他對包括地球和月球的對流,月球和行星的形狀和磁場,地球核心的磁流體動力學 ,極地漫遊,大陸漂移和板塊構造等都頗有貢獻。 1988年退休後,他繼續從事各種研究活動,直到1995年在美國聖地牙哥的旅館房間中被一個扒手殺害為止。他會出現在聖地牙哥是因為斯克里普斯海洋研究所 (Scripps Institution of Oceanography) 就座落於此。它成立於1903年,是全世界最古老和最大的從事海洋和地球科學研究、公共服務、本科和研究生教育的機構之一。 在這裡數以百計的海洋和地球科學家利用海洋研究船和岸基實驗室開展研究。SIO隸屬於加利福尼亞大學聖地牙哥分校。很遺憾地,朗科恩居然成為罪犯覬覦的對象而失去性命。

至於朗科恩的學生,歐文 ( Edward A. "Ted" Irving ) 則是於1927年5月27日出生在英格蘭東蘭開夏郡。1945年時他應徵入伍。在中東步兵部隊服役。 1948年,他開始在劍橋大學學習地質學,並於1951年獲得學士學位。隔年他在地質與地球物理系擔任朗科恩的研究助理,之後成為他的研究生。當歐文開始當研究生時,使用了布萊克特設計的磁力計來分析岩石中的鐵礦物質賦予岩石的磁方向。他發現當前磁場方向的方向與蘇格蘭高地前寒武紀岩石中記錄的方向之間存在著不小的差異。他推測,唯一的解釋可能是蘇格蘭的方位相對於地磁極發生了變化。歐文還確定印度向北移動了6000公里,並旋轉了30度以上。這些結果證實了阿爾弗雷德·韋格納 (Alfred Wegener) 在1912年的大陸漂移理論中所作的預測。但是1954年,歐文卻在博士學位考試中被判出局。原因是這個領域太新了,以至於他的博士學位審查者對該主題不夠熟悉,居然無法認可他的研究成果。 他們拒絕授予他學位。幸運的是,沒有博士學位這回事,並沒有阻止他獲得在坎培拉的澳大利亞國立大學擔任研究員。他迅速從澳大利亞顯生宙的岩石 (Phanerozoic rocks) 中確定了一條明顯的磁極移動的路徑,該路徑與英國路徑和同時由朗科恩得出的來自北美的路徑大相徑庭。這一結果發表在皇家天文學會地球物理學雜誌上,對許多人來說,這是大陸漂移說的決定性證據。在接下來的十年中,歐文研究了澳大利亞的古代緯度,並發表了約30篇論文。 1965年,他向劍橋提交了一些論文,並獲得了 ScD。理學博士 (Doctor of Science, Sc.D., D.Sc., S.D., Dr.Sc)(這是一種學位及榮譽學位,一般是指在大學科學等相關科系的研究所博士班畢業後可獲得之學位,但亦有純粹因自然科學上的成就貢獻而獲得者。) 也算是彌補當年沒拿到哲學博士的遺憾。

歐文在澳大利亞時遇到了他的妻子希拉 (Sheila)。她是加拿大公民。所以他們於 1964年移居加拿大安大略省渥太華,歐文開始擔任礦山與技術測量部與Dominion天文台的合聘研究人員。 1966年,歐文回到英國,在利茲大學教授地球物理學。 1967年他回到渥太華,在能源、礦產和資源部地球物理處擔任研究科學家。 1981年,歐文搬到加拿大的不列顛哥倫比亞省的雪梨,在太平洋地球科學中心建立了古磁性研究實驗室。 該分支後來將併入加拿大地質調查局。 他繪製了溫哥華島和科迪勒拉山脈其他部分向側面運動並相對於前寒武紀加拿大地盾旋轉的運動的地圖。(加拿大地盾 (英語:Canadian Shield) 是北美大陸,從加拿大中部延伸到北部的前寒武紀 (約45億年前-5.4億年前) 古岩盤。大致上圍繞哈德遜灣,是非常穩定的地盤。)2005年歐文半退休後,跑去調查了前寒武紀地磁場的性質,以了解地殼如何變形以及緯度如何變化。他於2014年在不列顛哥倫比亞省薩尼奇 (Saanich) 逝世。享壽八十七。

除了古地磁的證據之外,另外一位拉塞福的學生主導的另一項研究也意外地支持大陸漂移說。約在同一個時期的1950年代初期,英國劍橋大學地熱學先驅愛德華·泰迪爵士·克里斯普·布拉德爵士 (1907-1980) (Edward "Teddy" Crisp Bullard ,1907-1980) 和同事成功設計出可在海裡測量地熱流的儀器後,觀測陸地熱流值的工作擴展到海底去。他們觀測到較薄的海洋地殼的熱流值並不遜於大陸地殼,因而推翻了以往認為地熱主要是來自於地殼的看法。可是新的困難馬上就出現了。如果地熱不是來自地殼,而是來自於地函或更內部的深處的話,假如只靠岩石的傳導來形成地表的熱流量,那麼地函的溫度會高到讓岩石熔融,這與地震震波觀測的資料完全不符。因此布拉德和同事主張地函的熱必須是比傳導更有效率的傳播方式傳到地表,對流是最有可能的方式。就這樣霍爾姆斯的地函對流理論又重新受到學界的重視,連帶地,大陸漂移說也逐漸又受到青睞。

說起布拉德爵士這位英國地球物理學家,可是與美國科學家莫里斯·尤因 (William Maurice Ewing,1906-1974) 一起,被認為建立海洋地球物理學的開山祖師爺。他發展了地球發電機理論,開創了利用地震學研究海床,測量通過地殼的地熱流的方法,並為大陸漂移理論提供了新的證據。(所謂地球發電機理論 (dynamo theory) 是主張地球磁場是由於地球外核中熔融鐵、鎳的對流以及整個行星自轉的科里奧利力作用造成的。當導電流體流經已形成的磁場時,會產生電磁感應及其磁場。感應磁場對原磁場有補償作用,如此一來可維持自身電力的發電機就形成了。)

布拉德出生於英國的一個富裕釀酒家庭。他在諾威奇學校 (Norwich School) 受過教育,後來在劍橋克萊爾學院 (Clare College) 學習自然科學。他在劍橋大學卡文迪許實驗室的拉塞福的指導下學習,並在1930年代獲得了核物理學家的博士學位。由於當時發生了經濟大蕭條,偏偏他又新婚,他必須找到一份職業來養家活口。 在1930年代,原子核物理學似乎難以糊口,所以他轉而從事地球物理學研究。 在第二次世界大戰期間,他曾是弗農號 (HMS Vernon) 的實驗人員,並致力於消磁技術的開發,以保護航運免受磁性地雷的傷害。戰後,他在1948年至1950年間曾在多倫多大學擔任系主任,並在1950年至1955年間擔任國家物理實驗室的負責人。他在1953年被封為爵士。他於1955年回到劍橋,首先是研究助理,然後是講師,最後1964年成為講座教授。他也是劍橋丘吉爾學院的創始成員。布拉德後來成為當時最重要的地球物理學家之一。即使他患有暈船並且很少能在海洋上進行科學旅行,但這沒有影響他研究海床的興致。

1960年代初,布拉德和他的同事們使用一台計算機嘗試將所有大洲融合在一起。他沒有像其他地球物理學家那樣使用海岸線,而是使用了海平面以下914米 (3000英尺) 的深度。該深度大約相當於海岸線和海盆 (Oceanic basin) 之間的一半,代表了大陸的真正邊緣。通過這樣做,他發現在各大洲之間幾乎完美地契合了起來。有了這一發現,他進一步推動了超大陸的構想,早期的地球物理學家韋格納曾建議稱其為Pangaea。事後證明,法國地質學家鮑里斯·喬伯特 (Boris Choubert, 1906-1983) 早在30年前就發表了非常類似的結果,但是因為發表在國際影響力不大的法語期刊上,所以實際上仍然鮮為人知。(Choubert, B. (1935). "Recherches sur la genèse des chaînes paléolithiques et antécambriennes"Revue de géographie physique et de géologie dynamique (in French))。1974年布拉德從劍橋退休後,他就職於加利福尼亞大學聖地亞哥分校。 布拉德於1980年在加利福尼亞去世。他的論文由邱吉爾檔案中心保存。

但是大陸漂移說的最後勝利說到底還是與確認海底擴張最為密切。1955年,時任英國帝國學院講師的梅森 (Ronald G. Mason, 1916-2009) 休假,來到加州理工學院時,斯克里普斯 (Scripps) 海洋研究所主任羅傑·雷維爾 (Roger Revelle) 獲悉,美國海岸與大地測量局正計劃與西海岸附近的 前鋒 (Pioneer) 船將以緊密間隔的網格進行水文測量。在調查期間,他獲得了測量海底磁力的許可,並將梅森帶到斯克里普斯海洋研究所來進行這項工作。斯克利浦海洋研究所的瑞夫 (Arthur D. Raff, 1917-1999) 負責組裝磁力計並進行維修,然後他在先驅號的許多巡航中出海。這一次是三週的旅行,然後停留在港口一周。梅森向拉夫展示瞭如何分析數據,他們成為 1961 年兩篇重要論文的合著者。(Mason, Ronald G.; Raff, Arthur D. (1961). "Magnetic survey off the west coast of the United States between 32°N latitude and 42°N latitude". Bulletin of the Geological Society of America. 72 (8): 1259–66)

斐奎爾 (Victor  Vacquier) 則是從 1957 年起繼續並擴展了他們的研究計劃。他們所作的海底磁力調查研究,發現東北太平洋地區的海底地殼的磁性指向呈現了非常規則的排列,這些南北走向的磁向帶狀區域呈線形排列,每個正向極性帶寬約20至30公里,與負向極性帶交互出現。這種有規則的線形排列在陸地上從來沒有被發現,顯然指出在海底必有某種特別的構造或機制才造成此一特殊現象,然而到底是什麼原因,則一時尚為無解。但是最後揭開謎底的關鍵卻不在太平洋,而是在大西洋。而這個謎底正是大陸漂移學說得到接受的關鍵!欲知詳情,還請下回分解。



參考資料:

(一) 中文 英文 日文維基相關條目

(二) Variability of heat flux through the seafloor: discovery of hydrothermal circulation in the oceanic crust by John G. Sclater