高中地球科学/海底扩张

也许令人惊讶的是，正是第二次世界大战为科学家提供了发现大陆漂移机制的工具，而这一机制一直困扰着魏格纳及其同事。科学家利用战争期间收集的地图和其他数据，发展了海底扩张假说。这个假说追踪了洋壳从洋中脊起源到在深海**海沟**中消亡的过程。科学家意识到，海底扩张可能是他们一直在寻找的大陆漂移机制。

课程目标

• 列出海底的主要特征：洋中脊、深海海沟和深海平原。
• 描述海底磁性告诉科学家关于海底的哪些信息。
• 描述海底扩张的过程。

海底测深

在战争期间，战舰和潜艇配备了**回声测深仪**来定位敌方潜艇（图6.8）。回声测深仪发出向各个方向传播的声波，声波撞击到最近的物体后反射回船只。然后记录声波的往返时间。通过知道海水中的声速，科学家可以计算出声波撞击到的物体的距离。在战争期间，声波很少遇到敌方潜艇，因此大多数声波都从洋底反射回来。

**图6.8**：船只发出声波，以创建下方海底的图像。图中所示的回声测深仪具有多个波束，因此可以创建船只下方海底的三维地图。早期的回声测深仪只有一个波束，并创建了一系列深度测量值。

战后，科学家将海底深度拼凑起来，制作了海底地图。这被称为**海底地形图**，类似于陆地表面的地形图。海底地形图测量海底低于海平面的距离，而地形图则给出陆地表面高于海平面的高度。海底地形图揭示了洋底的特征，就好像水被移走了。

当时制作的海底地形图令人震惊！大多数人认为洋底完全平坦，但地图显示的情况完全不同。正如我们现在所知，雄伟的山脉呈线状延伸穿过深海。令人惊奇的是，这些山脉相互连接，仿佛是棒球上的缝线。这些山脉被称为洋中脊。**洋中脊**及其周围区域高耸于深海之上（图6.9）。

**图6.9**：东太平洋和大西洋的现代地图。深蓝色表示更深的海域。可以看到一条洋中脊贯穿大西洋中部。在中美洲和南美洲西海岸以及南美洲南端以东的中大西洋地区发现了深海海沟。还可以看到孤立的山脉和平坦无特征的区域。

另一个令人惊奇的特征是深海海沟，它们位于大陆边缘或靠近火山链的海域。海沟是地球上最深的地方。最深的海沟是西南太平洋的马里亚纳海沟，其深度约为海平面以下11公里（35840英尺）。在海沟附近，海底也特别深。

除了这些显著的特征外，还有许多平坦区域，称为**深海平原**，正如科学家预测的那样。但许多这些平原上都点缀着火山山脉。这些山脉有大有小，有尖的有平顶的，既有单独存在的，也有成线排列的。当他们第一次观察这些地图时，这些惊人的差异让科学家们想知道是什么形成了这些特征。

海底磁性

在上一课中，你了解到陆地上的磁力仪在识别表观极移方面很重要。磁力仪在了解深海岩石的磁极性方面也很重要。在二战期间，安装在船上用于搜索潜艇的磁力仪发现了许多关于海底磁性的信息。

事实上，利用磁力仪，科学家发现了地球磁场的一个惊人特征。有时，没有人真正知道为什么，磁极会交换位置。北变南，南变北！当南北极像现在这样对齐时，地质学家说极性是正常的。当它们处于相反的位置时，他们说极性是反向的。

**图6.10**：科学家发现海底的磁极性在洋中脊处是正常的，但在远离脊中心的地方呈对称模式反转。这种正常和反向的模式在海底继续存在。

科学家们惊讶地发现，海底玄武岩的正常和反向磁极性形成了磁条带的图案！请参阅居里温度退磁以了解原因。有一条长条带具有正常极性，旁边有一条长条带具有反向极性，依此类推，一直延伸到洋底。脊顶具有正常极性，在脊的两侧各有大约等宽的两条反向极性条带。更远处是大致相等的正常极性条带，再往外是大致相等的反向极性条带，依此类推。磁极性图还表明，磁条带在大陆边缘突然结束，大陆边缘有时与深海海沟相连（图6.10）。

科学家们利用地质年代测定技术来确定具有不同磁极性的岩石的年龄。事实证明，正常极性的岩石位于洋中脊轴线上，它们是海底最年轻的岩石。岩石的年龄在脊的两侧以相等且对称的方式增加。

科学家们还发现，在脊轴线上海底几乎没有沉积物，但沉积物层厚度在远离脊轴线的方向上增加。这是进一步的证据，表明最年轻的岩石位于脊轴线上，并且岩石随着远离脊的距离而变老（图6.11）。科学家们惊讶地发现，最古老的海底年龄不到1.8亿年，而最古老的大陆地壳年龄约为40亿年。他们意识到，某种过程导致海底在相对较短的时间内产生和消亡。

**图6.11**：海底在洋中脊附近最年轻，并随着远离脊的距离而逐渐变老。橙色区域显示最年轻的海底。最古老的海底靠近大陆边缘或深海海沟。

科学家们还发现，海底在脊轴线上较薄，随着地壳变老而变厚。这是因为随着时间的推移，更多的岩浆冷却形成岩石。新增的沉积物也增加了较古老地壳的厚度。

海底扩张假说

科学家们在20世纪60年代初将所有这些观察结果整合在一起，提出了**海底扩张**假说。他们认为，热的幔状物质从洋中脊上升到地表。这种热物质具有浮力，导致脊隆起，这也是洋中脊比海底其他部分更高的原因之一。

脊处的热岩浆以熔岩的形式喷发，形成新的海底。当熔岩冷却时，其磁铁矿晶体呈现出当前的磁极性。当熔岩凝固并且磁铁矿晶体被固定在位置时，极性被锁定。反转以磁条带的形式出现在脊轴线的两侧。随着更多熔岩的喷发，它会将位于脊处的海底水平推离脊轴线。随着新海底的形成，这会持续下去，迫使较老的海底水平远离脊轴线。

磁条带继续延伸到海底。如果洋壳与大陆碰撞，它也会将大陆推离洋脊轴线。如果洋壳到达深海沟，它将沉入其中并消失到地幔中。无论哪种情况，最古老的地壳温度最低，位于海洋最深处。

因此，洋壳的产生和消亡是魏格纳大陆漂移的机制。大陆并不是漂浮在海洋上，而是像传送带一样，搭乘洋壳绕地球表面移动。

大陆漂移的基本证据之一是大西洋两侧大陆海岸线的吻合方式。因此，让我们更仔细地观察上图 6.11，了解海底扩张是如何在大西洋中移动大陆的。新的洋壳正在大西洋盆地中央贯穿的洋中脊（称为大西洋中脊）形成。在大西洋中脊的两侧发现了不同磁极性的条带。这些条带一直延伸到位于大西洋两侧的大陆。因此，在大西洋中脊形成的新海底正在导致美洲和欧亚大陆朝着相反的方向移动！

课程总结

• 科学家利用二战期间开发的技术，收集了数据，使他们认识到海底扩张是魏格纳大陆漂移的机制。
• 测深图揭示了高耸的山脉和深海沟。
• 磁极性条带为海底年龄和洋中脊在洋壳形成中的重要性提供了线索。
• 海底扩张过程在洋中脊产生新的洋壳，并在深海沟消亡旧的洋壳。

复习题

1. 描述如何利用声波绘制海底地貌图。
2. 为什么迄今为止还没有发现超过 1.8 亿年的洋壳，而最古老的大陆地壳却有大约 40 亿年的历史？
3. 描述洋中脊、深海沟和深海平原的主要特征及其相对年龄。
4. 描述为什么大陆像在传送带上一样穿过洋盆，而不是像魏格纳最初的想法那样漂移。
5. 解释为什么以下情况不可能发生：洋壳没有在海沟处被破坏，但新的地壳仍在洋中脊处形成。
6. 如果你是一位研究非常古老生命形式化石的古生物学家，在哪里寻找非常古老的化石是最好的地方：陆地还是海洋？
7. 假设地球的磁场固定不动，磁极性不发生反转。这对我们对海底玄武岩的观察会有什么影响？

词汇表

深海平原

构成大部分海底的非常平坦的区域。

测深图

根据水深测量绘制的海底地图。

回声测深仪

利用声波测量海底深度的装置。

洋中脊

海底岩浆上涌并形成新海底的位置。洋中脊是存在于海洋中的离散板块边界的主要特征。

海底扩张

大陆移动的机制。在扩张脊形成的新海底推动地球表面的岩石圈板块。

海沟

海底的深坑，发生俯冲的地方。海沟是地球上最深的地方。

思考点

• 为赢得二战而开发的技术是如何被科学家用于发展海底扩张假说的？
• 磁力数据如何以两种方式帮助科学家更好地理解大陆漂移和板块构造？
• 海底扩张是如何为大陆漂移提供机制的？
• 大西洋盆地的特征是用海底扩张和大陆漂移来描述的。现在，观察一下北太平洋盆地的特征，并用这些术语来解释它们。