地球/6b. 板块构造：你疯了，阿尔弗雷德·魏格纳
当阿尔弗雷德·魏格纳出现在格陵兰岛冰原中心的中部冰站时，人们感到非常惊讶。1930 年 10 月 19 日，冬季开始，他的狗拉雪橇穿过北极的寒冷，运送着物资，这些物资将使 3 人组成的团队在冬季留在气象站。他们的任务是在巨大的冰盖上记录全年的天气，但在夏季，物资减少了，新的物资供应延迟到秋季末。他们将不得不放弃气象站，但阿尔弗雷德·魏格纳和他的年轻助手拉斯穆斯·维卢姆森的到来改变了他们的计划。这两位旅行者在刺骨的寒冷中受苦，气温降至 −60 °C (−76 °F)，到达气象站时，他们只穿着厚厚的毛皮和长袍来御寒。拉斯穆斯在旅途中冻掉了脚趾，他们看着气象站的 3 人组，仿佛站在死亡的严峻门口。他们只带了足够的食物和燃料来养活 3 人组并保持温暖，希望能够返回他们的主营地。但随着冬季的来临，天气越来越冷。最初，他们带了更多物资，但为了避免人员伤亡，只有魏格纳和他的助手带着最少的物资继续前进，为冰盖上孤立的前哨站的 3 人组人员提供冬季物资。如果魏格纳拒绝踏上旅程，气象站的团队将没有足够的食物，他们将饿死，因此，他和拉斯穆斯·维卢姆森驾着狗拉雪橇，穿过冰雪，进入格陵兰岛的中心。到达气象站后，他们将物资卸给感激的团队，这两位庄严的人消失在冰雪覆盖的世界里。
15 年前，年轻的阿尔弗雷德·魏格纳在德国马尔堡大学教授物理、气象学和应用天文学，这是一个以马尔堡城堡为中心的大学城，这是一座 11 世纪的城堡，坐落在大学上方的山丘上。这是一个理想的教学场所，在第一次世界大战前的和平年代，魏格纳是一位受人尊敬的教授。过去十年来，他的研究重点是地球大气温度，在他的兄弟的帮助下，他一直在向空中发射气象气球，以记录大气不同高度的空气温度。当莱特兄弟在美国尝试开发飞行器时，魏格纳正在发射第一批气象气球，这些气球配备了温度计来测量气温随高度的变化。他的研究发表在一本广受好评的著作中，即《大气热力学》（Thermodynamik der Atmosphäre），其中还报告了他 1906 年短暂前往格陵兰岛探险期间对不同海拔高度的大气温度的测量结果。这次旅行使他接触了北极探险，这是一种他永远不会失去兴趣的迷恋。
在所有关于全球大气环流的研究中，魏格纳会盯着整个地球的地理地图，并注意到大陆似乎以奇怪的方式拼凑在一起。南美洲的东海岸似乎与非洲的西海岸镜像，而北美洲和欧洲似乎彼此相连，格陵兰岛夹在中间。如果你能切开海洋，大陆看起来就像一个拼图游戏，锁在一起形成一个单一的超大陆。
1912 年，魏格纳在著名的法兰克福森肯贝格自然博物馆的地质学会议上提交了他的疯狂想法，该博物馆最近安装了一具来自美国的大型梁龙恐龙骨骼。他的演讲认为，大陆已经漂移开来，它们的裂开导致了海洋盆地的形成。他最强烈和最直言不讳的批评者之一是一位名叫马克斯·森珀的地质学家，他研究化石贝壳以了解洋流的历史，他的研究强烈表明大陆没有移动，化石的分布意味着在地球漫长的历史中，海平面上下起伏，但大陆仍然固定。然而，对于听众中的许多其他地质学家来说，魏格纳的想法是一个有趣的想法，一个需要大量测试和证据收集才能证明大陆是否确实漂移开来的假设。魏格纳次年返回格陵兰岛，他在格陵兰岛冰盖上穿越了丹麦港和卡格苏亚克之间的距离，这个距离比挪威探险家弗里乔夫·南森穿越格陵兰岛的距离长得多。尽管这次探险为他这位年轻的科学家赢得了些许名声，但他差点死在这次旅行中。回到家后，他娶了著名俄罗斯地理学家和气候学家弗拉基米尔·科本的女儿，他也是自己的导师和老师。从 1913 年到 1915 年，魏格纳并没有放弃他关于大陆漂移的假设，并继续写关于古代超大陆（盘古大陆）及其如何随着时间的推移而分裂的想法。
1914 年，第一次世界大战将他带到了前线，他参加了战争，尽管战争仍在继续，但他仍然致力于制定自己的想法。在战争期间，他出版了一本关于他想法的综合书籍，名为《大陆和海洋的起源》（Die Entstehung der Kontinente und Ozeane）。魏格纳深入研究了等静力学理论；即脆性强烈的岩石圈在延性弱的地幔上的状态，以及这些层在更长地质时期内如何对大陆运动起作用，因为由地幔下面运动产生的岩石圈板块被运送。他写道，正如翻译成英文那样，“人们可以假设大陆地壳能够在地质运动中进行等静力补偿，不仅在垂直方向上（如山脉的隆起和下降），而且在水平方向上（随着大陆的运动）。”魏格纳将他的想法超越了仅仅是一个直觉或想法，将其发展成为一个正式的科学假设，其中包含大量关于如何进一步测试该假设的示例。但第一次世界大战将在欧洲继续肆虐三年。他的书和想法没有被广泛阅读，而且只用德语出版，所以它们没有传到英国或美洲。战争结束后，魏格纳没有放弃自己的想法，而是转向新的科学兴趣，包括与现在获释的塞尔维亚科学家米卢廷·米兰科维奇合作研究地球过去的冰期和地球的振荡轨道。1926 年，他前往美国，在纽约市发表了一场关于他想法的演讲，尽管到那时他已经将他的想法扩展到更完整的板块构造理论，即构成大陆的岩石圈厚板块的运动以及它们如何漂浮在弱地幔上。他的想法仍然被认为是激进的，即使是在美国地质学家中间，也没有得到很好的接受。他回到德国，在那里他获得了政府的资助，回到格陵兰岛继续他的气候研究，并在格陵兰岛冰原的中心建立一个气象站。他将负责整个探险活动，从 1930-1931 年冬季的冰盖中心收集温度数据。
两位男子从格陵兰岛中心的气象站出发，继续在冰冻的土地上前进。他们拯救了探险队免于灾难，船员将在接下来的冬天记录温度，但他们在一年中这么晚穿越冰盖，把自己置于极大的危险之中。冬天正在向他们逼近。他们带着狗拉雪橇，以及最少量的食物和用品，继续向主要的基地营前进。魏格纳已经50岁了，他一直很喜欢抽烟斗。当最后一只狗在寒冷中死去，他不得不自己拖着雪橇时，他并不想进行这次旅行。在穿越冰盖的一半路程上，在地球广阔的冰盖的冰冻景观中，他去世了。拉斯穆斯·维卢姆森匆忙地把他埋在冰里，然后继续前进，再也没有人见过他。随着阿尔弗雷德·魏格纳的去世，板块构造理论最主要的倡导者消失了。这一观点被地质学家搁置了几十年。需要新一代的科学家来发掘地圈运动的证据，并推进板块构造理论。
追求科学证据来检验板块构造理论的巨大局限性之一，来自于对海洋地质的实际了解不足。海底隐藏在黑暗的深海之下，虽然看不见，但它提供了关于大陆运动的最重要的信息来源。根据板块构造理论，海底是年轻的薄地壳，是由上升的熔融岩浆冷却而形成的，它将海底裂开并推动大陆分离。第二次世界大战的爆发，让公众意识到普遍缺乏对海底地形的了解。美国政府和美国海军急于资助绘制海底地图的项目。第二次世界大战在海上进行的程度与陆地上一样大。了解海底将有助于寻找潜伏在海岸附近深海中的敌方潜艇。新的水下勘测使用回声探测器进行，回声探测器向海底发射声波，并记录声波被漂浮在上面的船只接收的时间。这些船只的航行可以绘制海底深度图，这被称为测深；测量水深。第二次世界大战期间开发的另一个先进工具是磁力计，它可以拖在船后，记录海底的磁异常。潜艇主要由铁制成，因此它们在海洋中的存在会导致地球磁场发生扭曲，就像指南针靠近一堆铁块一样。磁异常可以表明船体下方有潜艇。在第二次世界大战期间和之后，这两项技术被用于开始对地球海底进行全面测绘——这项任务大部分是由一位名叫玛丽·塔普的女性完成的。
玛丽·塔普于1947年抵达纽约。她被聘为绘制地图，基于一个新的项目，该项目在哥伦比亚大学的拉蒙特地质实验室绘制世界海底地图。塔普在Geology和数学方面受过良好的教育。在战时，需要女性科学家学习地质学，以寻找为战争提供燃料的石油，她被招募到密歇根大学学习地质学，获得了硕士学位，并在俄克拉荷马州继续学习数学。抵达实验室后，玛丽·塔普与一位名叫布鲁斯·希森的地质学家组成了一个团队，他们共同执行了一个项目，寻找战争期间失踪的船只和飞机。作为团队中唯一的女性，玛丽·塔普不能乘坐任何海军舰艇，这意味着她必须留在后面，在她绘图桌上工作，而布鲁斯·希森则周游世界，记录海底信息。尽管缺乏第一手经验，玛丽·塔普还是利用团队其他成员收集的数据绘制了海底地图。这是一个历史性的机会，让她填补了地球表面最后一片未被绘制的空白区域，一个以前从未探索过的地方。整理大量的记录每艘船地理位置和测深的数据是一项枯燥的工作。但到了20世纪50年代，她发现了一条贯穿大西洋中轴的洋中脊。
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一条从海底升起的山脊，崎岖不平，沿着代表更小的垂直山脊和山谷的峡谷裂开和移动。地震勘测表明，莫霍面在这些洋中脊下非常浅，地壳薄且隆起于海底。布格重力异常进一步证实了这一点，这些洋中脊上的布格重力异常显示出下降，表明海底下方有高地形，以及构成这些山脊的密度较低、温度较高的岩石层。这些洋中脊就像蛋壳上的裂缝，将海洋一分为二。对东北太平洋沿岸的磁异常的调查，揭示了一种斑马图案的磁反转，这令当时的地质学家感到困惑。但对玛丽·塔普来说，她从海底地图中发现和收集到的所有这些证据都支持魏格纳的板块构造理论——海底正在从这些洋中脊生长和扩张，推动大陆进一步分离。它们从海底上升，由下伏软流圈的热对流驱动。洋中脊标志着海底的扩张，因为熔融岩浆以一系列长长的水下火山和火山喷口的形式被带到海底。这些洋中脊是推动海洋盆地扩张的离散板块边界。它们的高地形是由于热岩浆向上移动造成的，当地壳从高脊处发散时，冷却并沉入深海平原。垂直山脊和峡谷是海底扩张速度和速度不同的结果，导致横向断层。
太平洋海底的磁异常表现为海底富含铁的岩石磁场方向反转的带状分布，后来几乎在整个海底都发现了这种现象。这些带状结构似乎记录了从这些扩张脊生长和远离的歷史。
艾伦·考克斯在学校表现并不出色，在他选择的化学专业学习中也遇到了困难。第一个学期结束后，他从加州大学退学，加入了美国商船队。作为一名水手，他航行于世界各地的海洋，并在海上成为一个狂热的读者，他想重返学校，学习更多关于地球的知识。1950年，他被地质学家克莱德·沃哈夫蒂格雇用，帮助他绘制和研究阿拉斯加的冰川。这两位男子开始在阿拉斯加荒野中工作。在他们密切合作的过程中，两人坠入了爱河。艾伦·考克斯和克莱德·沃哈夫蒂格都是隐藏的同性恋，这是一个他们严守的秘密。克莱德·沃哈夫蒂格敦促考克斯重返学校。考克斯回到加州大学完成他的化学学位，但再次失败，并被征召入伍。在军队里，考克斯一直与克莱德·沃哈夫蒂格保持通信，并在两年后将专业改为地质学，并在阿拉斯加与克莱德·沃哈夫蒂格一起度过了更多夏天。1955年，考克斯意识到地质系没有教给他全部内容，阿尔弗雷德·魏格纳关于大陆漂移的著作是禁书，只有一位教授约翰·弗霍根博士在课堂上承认了它的存在。考克斯与其他学生组建了一个地质俱乐部，在当地一家酒吧里聚会，喝酒并讨论被禁止的地质学领域；大陆漂移和板块构造。
当岩浆或熔岩冷却和固化时，它所含的磁性铁矿物会平行于地球磁场磁化。岩石磁性的方向在冷却时固定下来。地球磁场随着时间的推移发生了变化，在过去出现了完全的反转，即磁极变成了南极，反之亦然。这些保存在曾经熔融的岩石中的极性反转成为了考克斯研究的基础，因为他认为它们可能提供了一种检验大陆漂移和板块构造理论的方法。
1959年，他获得地质学博士学位，并被美国地质调查局聘用，与一个团队合作开发地磁极性时间尺度。由于当时无法通过磁性地层学对沉积岩层进行年代测定，尽管人们知道地球磁场的极性在其历史进程中发生过反转，而地球的内核和外核在内部旋转，但这种极性反转记录的性质在时间上尚不清楚。艾伦·考克斯与理查德·多尔和布伦特·达尔林普尔组成了一个团队。这项研究需要测量曾经熔化的岩层中的磁性反转，并计算每个岩层的放射性年代，以制作出一个可用的地磁极性时间尺度。他们的研究成果对美国地质调查局的岩层年代测定具有非常重要的影响，被称为考克斯-多尔-达尔林普尔日历。
太平洋海底观察到的磁异常，呈斑马条状分布，与考克斯-多尔-达尔林普尔日历揭示的模式相符，就像两个匹配的条形码一样，洋中脊跨越的海底记录与其他地方岩层的相同精心测定的时间模式相吻合。1973年，随着艾伦·考克斯的《板块构造与地磁反转》和玛丽·萨普的1973年绘制的显示整个洋底中洋脊分布的图的出版，板块构造理论成为地质学中的标准模型。教科书被修改，两人都因收集了阿尔弗雷德·魏格纳首次提出的激进理论的证据而成为著名的科学家。
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