7.古地磁：板块构造的证据7.1古地磁的介绍地球外核中液态铁合金的流动产生了磁场，环绕着地球。地质学家将接近北极的称为北磁极，南极称为南磁极。地球的磁极并不完全覆盖地理极，即地球旋转轴与地球表面相交的点。在有记录的历史中，北极磁极沿着一条迂回的路线到达现在的位置，即加拿大北部海岸的北冰洋，但磁极似乎并没有偏离地理极太远。 地球磁场的特征，地球的磁轴与自转轴不平行；过去2000年北极磁极位置的变化 1500多年前，中国水手发现利用磁石可以做指南针。磁石由一种具有天然磁性的氧化铁矿物构成的。磁性材料会自发的与磁场线对齐。某些类型的岩石含有磁铁矿或其他磁性矿物，使岩石整体上表现得像一个弱磁铁。这种行为使岩石保存了数百万年甚至数十亿年地球磁场方向的记录。对过去磁性的记录称为古地磁。在岩石形成的过程中，岩石中的磁性矿物颗粒与地球磁场一致并保持不变。 7.2磁极漂移在20世纪早期，研究人员有了一个惊人的发现：在很久以前形成的岩石中，古磁偶极子与现在的磁极并不一致。起初，他们将这一发现解释为，在岩石形成的时候，地球的磁极与现在的磁极处于不同的位置。古磁偶极子所指向的位置后来被称为古极。接下来的研究表明，在同一地区不同年代的岩石中记录的古极位置，似乎随着时间变化。事实上，当在地图上绘制时，一个地区陆续出现的较年轻岩石的古磁极位置在地球表面表现为一条曲线。这条线称为磁极漂移路径。 各大陆具有独特的磁极漂移路径佐证了板块构造作用 为了解释明显的磁极漂移路径，研究人员首先采用了固定论者的猜想，并假设在整个地质时代中，大陆的位置一直保持不变，磁极漂移代表了地球磁极的位置随时间的迁移。但不同大陆具有不同的磁极漂移路径这一事实打破了这一猜想。每个大陆都有一个独特的明显的磁极漂移路径，大陆不仅相对于磁极移动，还相对于彼此移动。这项发现证明了Wegener在所有方面都是对的——大陆是会移动的！这一发现是对板块构造的一次检验。 7.3磁极反转和海洋磁异常罗盘的总是指向北方吗?不，对古地磁的研究表明，在过去的不同时期，地球磁场会突然翻转。有时地球的极性是正常的，就像今天一样，北极靠近地理北极，有时则相反，北极靠近地理南极。这被称为地磁反转。这可能是由于外核中液态铁合金的循环模式发生了变化所致。在反转期间，只有磁场的极性发生了变化——地球本身并没有颠倒过来。 地球磁场的极性不时地倒转 在磁极反转发现前不久，地质学家开发了一种新的工具，称为同位素测年，它可以提供以年为单位的岩石年龄。通过记录由同位素测年法确定年龄的玄武岩地层的古地磁极性，研究人员建立了一个磁极反转年表，显示反转发生的时间以及反转之间的间隔。一个主要极性间隔称为极性时。有些极性时包括一些短时间间隔，称为极性亚时。由于同位素定年精度的限制，第一张磁极反转年表只代表了最近的年代450万年的地球历史。 地磁反转及其年代表 一些地质学家在研究地磁逆转的同时，其他地质学家使用一种叫做磁强计的仪器来测量地球磁场强度的区域变化。在表面的任何给定位置地球的磁场包括两种成分:一种是由地球的主偶极子产生的，另一种是由近地表岩石的磁性产生的。地质学家发现，磁力仪探测到的磁场强度会随着位置的不同而略有变化，于是他们创造了“磁异常”一词，用来表示某一地点预期的地球主偶极子磁场强度与该地点实际观测到的磁场强度之间的差异。强于预期的场强为正异常，弱于预期的场强为负异常。 北美西海岸正异常(暗异常)和负异常(亮异常)区域的地图 在大陆上，磁异常的模式反映了不同地点地下岩石的组成。例如，含铁较多的岩石往往具有更强的磁性，因此它们的存在会产生正磁异常。由于磁性岩体的形状有些不规则，大陆上的磁性异常模式往往相当复杂。当地质学家第一次绘制海底磁场异常图时，他们期望看到的是与大陆上相同的复杂模式。但他们又遇到了另一个惊喜！当他们拖着磁力仪在海洋中来回移动，并绘制出海底上方测量到的磁场强度的变化图时，他们发现海洋磁场异常表现出一种明显的交替模式，这种交替带与洋中脊轴线平行。如果我们把正异常涂成深色，负异常涂成浅色，图案就像斑马上的条纹。洋中脊一侧条纹宽度的变化反映了另一侧的变化，而最靠近洋中脊异常的相对宽度与过去450万年的极性时的相对持续时间相一致。 1963年，研究人员意识到，条纹图案是在海底扩张过程中发生磁场逆转时形成的。当地球正极性时，海底会产生正异常，而当地球反极性时，海底会产生负异常。当海底扩展发生时，形成不同极性的海底带，然后远离脊轴。由于海底沿着给定的脊段以相当恒定的速度扩展，因此条纹的相对宽度与极性时的持续时间相对应。带状构造模式的发现和带状宽度与时间的关系的对应，成为海床发生扩张和板块构造的证据。通过假设板块运动的恒定速率，地质学家可以估计出海底的年龄。据估计，目前地球上最古老的海底形成于200 Ma左右。 磁异常条带宽度和其持续时间 8.板块运动的速度8.1什么驱动了板块运动Wegener无法回答是大陆漂移的动力问题，1928年，英国研究人员Arthur Holmes提出大陆漂移可能是由于地幔中的对流，地幔足够热可以塑性流动。当大陆漂移学说发展为板块构造学说时，地质学家最初把板块运动完全归因于对流，暖的岩石在大洋中脊上升，冷的岩石在俯冲带下降。 板块被看作筏，被地幔对流携带 最终，地质学家意识到不可能绘制出一个可以解释真实的板边界构造复杂性的全球对流系统。地幔中的对流确实发生，长久影响了板块的运动，板块运动的细节被沿着板块边界的力控制。这里我们描述两个力：洋中脊推力和俯冲板块拉力。 洋中脊推力的形成是因为大洋中脊之下的岩石圈高于邻近深海平原之下的岩石圈。由于重力作用，岩石圈侧向扩散，运动驱动板块向远离脊轴的方向移动。同时海洋岩石圈地幔温度较低，密度大于软流圈，由此形成了板拉力。俯冲部分缓慢地将剩余的板块拉到后面。地质学家仍在争论作用在板块上的不同力量的相对作用。最有可能的是，我们看到的运动反映了各种力量的复杂组合。 洋中脊推力与俯冲板块拉力 8.2相对和绝对板块速度板块移动有多快?这个答案取决于你的参考系。地质学家相对速度和绝对速度来描述板块的运动。 全球板块速度，黑色的代表相对速度红色的代表绝对速度 确定板块相对速度的一种方法是测量一个已知年龄的海洋磁异常条带距离洋中脊的距离。为了测量板块的绝对速度，至少近似地，我们可以测量板块相对于热点的运动。我们假设热点的位置在很长一段时间内没有太大的变化，那么板块在地幔柱上移动的热点轨迹就提供了板块运动速度和方向的记录。 8.3GPS实时观测板块运动利用上述方法，地质学家们确定，如今地球上相对板块运动的速度约为每年1至15厘米，大约是指甲生长的速度。这些速率虽然小，但在地质时间的浩瀚中却能产生巨大的位移。例如，在100万年中，一个每年移动1厘米的板块移动了10千米。现在，通过使用全球定位系统(GPS)，地质学家们可以探测到板块每年几毫米的位移。直接观察板块运动的能力是板块构造的最终证明。 GPS测量现在可以精确地跟踪现代板块的运动，箭头的长度表示了箭头末端地壳上的运动速度 8.4古地理学对海洋磁场异常位置的了解，使地质学家能够将现代海洋的开放时间推回约200Ma。确定早期大陆的相对位置和纬度需要使用其他数据。例如，古地磁研究可以推测过去几次大陆的纬度以及大陆是作为一个整体，还是分开移动。对岩石单元和化石的研究也有助于确定大陆何时合并，何时分离。 通过这些数据考虑，地质学家们完善了大陆漂移的图像，并且描述出地球表面随时间变化的复杂方式。这项工作表明，泛大陆并不是地球历史上唯一的超大陆。在过去的几十亿年里，大陆至少经历了四次合并形成超大陆，然后分裂。板块的相互作用产生了多种不同的岩石类型，这将在接下来的几章中进行讨论。 过去4亿年间泛古大陆的聚集和分裂 |
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