高中地球科學/海底擴張

也許令人驚訝的是，正是第二次世界大戰為科學家提供了發現大陸漂移機制的工具，而這一機制一直困擾著魏格納及其同事。科學家利用戰爭期間收集的地圖和其他資料，發展了海底擴張假說。這個假說追蹤了洋殼從洋中脊起源到在深海**海溝**中消亡的過程。科學家意識到，海底擴張可能是他們一直在尋找的大陸漂移機制。

課程目標

• 列出海底的主要特徵：洋中脊、深海海溝和深海平原。
• 描述海底磁性告訴科學家關於海底的哪些資訊。
• 描述海底擴張的過程。

海底測深

在戰爭期間，戰艦和潛艇配備了**回聲測深儀**來定位敵方潛艇（圖6.8）。回聲測深儀發出向各個方向傳播的聲波，聲波撞擊到最近的物體後反射回船隻。然後記錄聲波的往返時間。透過知道海水中的聲速，科學家可以計算出聲波撞擊到的物體的距離。在戰爭期間，聲波很少遇到敵方潛艇，因此大多數聲波都從洋底反射回來。

**圖6.8**：船隻發出聲波，以建立下方海底的影像。圖中所示的回聲測深儀具有多個波束，因此可以建立船隻下方海底的三維地圖。早期的回聲測深儀只有一個波束，並建立了一系列深度測量值。

戰後，科學家將海底深度拼湊起來，製作了海底地圖。這被稱為**海底地形圖**，類似於陸地表面的地形圖。海底地形圖測量海底低於海平面的距離，而地形圖則給出陸地表面高於海平面的高度。海底地形圖揭示了洋底的特徵，就好像水被移走了。

當時製作的海底地形圖令人震驚！大多數人認為洋底完全平坦，但地圖顯示的情況完全不同。正如我們現在所知，雄偉的山脈呈線狀延伸穿過深海。令人驚奇的是，這些山脈相互連線，彷彿是棒球上的縫線。這些山脈被稱為洋中脊。**洋中脊**及其周圍區域高聳於深海之上（圖6.9）。

**圖6.9**：東太平洋和大西洋的現代地圖。深藍色表示更深的海域。可以看到一條洋中脊貫穿大西洋中部。在中美洲和南美洲西海岸以及南美洲南端以東的中大西洋地區發現了深海海溝。還可以看到孤立的山脈和平坦無特徵的區域。

另一個令人驚奇的特徵是深海海溝，它們位於大陸邊緣或靠近火山鏈的海域。海溝是地球上最深的地方。最深的海溝是西南太平洋的馬裡亞納海溝，其深度約為海平面以下11公里（35840英尺）。在海溝附近，海底也特別深。

除了這些顯著的特徵外，還有許多平坦區域，稱為**深海平原**，正如科學家預測的那樣。但許多這些平原上都點綴著火山山脈。這些山脈有大有小，有尖的有平頂的，既有單獨存在的，也有成線排列的。當他們第一次觀察這些地圖時，這些驚人的差異讓科學家們想知道是什麼形成了這些特徵。

海底磁性

在上一課中，你瞭解到陸地上的磁力儀在識別表觀極移方面很重要。磁力儀在瞭解深海岩石的磁極性方面也很重要。在二戰期間，安裝在船上用於搜尋潛艇的磁力儀發現了許多關於海底磁性的資訊。

事實上，利用磁力儀，科學家發現了地球磁場的一個驚人特徵。有時，沒有人真正知道為什麼，磁極會交換位置。北變南，南變北！當南北極像現在這樣對齊時，地質學家說極性是正常的。當它們處於相反的位置時，他們說極性是反向的。

**圖6.10**：科學家發現海底的磁極性在洋中脊處是正常的，但在遠離脊中心的地方呈對稱模式反轉。這種正常和反向的模式在海底繼續存在。

科學家們驚訝地發現，海底玄武岩的正常和反向磁極性形成了磁條帶的圖案！請參閱居里溫度退磁以瞭解原因。有一條長條帶具有正常極性，旁邊有一條長條帶具有反向極性，依此類推，一直延伸到洋底。脊頂具有正常極性，在脊的兩側各有大約等寬的兩條反向極性條帶。更遠處是大致相等的正常極性條帶，再往外是大致相等的反向極性條帶，依此類推。磁極性圖還表明，磁條帶在大陸邊緣突然結束，大陸邊緣有時與深海海溝相連（圖6.10）。

科學家們利用地質年代測定技術來確定具有不同磁極性的岩石的年齡。事實證明，正常極性的岩石位於洋中脊軸線上，它們是海底最年輕的岩石。岩石的年齡在脊的兩側以相等且對稱的方式增加。

科學家們還發現，在脊軸線上海底幾乎沒有沉積物，但沉積物層厚度在遠離脊軸線的方向上增加。這是進一步的證據，表明最年輕的岩石位於脊軸線上，並且岩石隨著遠離脊的距離而變老（圖6.11）。科學家們驚訝地發現，最古老的海底年齡不到1.8億年，而最古老的大陸地殼年齡約為40億年。他們意識到，某種過程導致海底在相對較短的時間內產生和消亡。

**圖6.11**：海底在洋中脊附近最年輕，並隨著遠離脊的距離而逐漸變老。橙色區域顯示最年輕的海底。最古老的海底靠近大陸邊緣或深海海溝。

科學家們還發現，海底在脊軸線上較薄，隨著地殼變老而變厚。這是因為隨著時間的推移，更多的岩漿冷卻形成岩石。新增的沉積物也增加了較古老地殼的厚度。

海底擴張假說

科學家們在20世紀60年代初將所有這些觀察結果整合在一起，提出了**海底擴張**假說。他們認為，熱的幔狀物質從洋中脊上升到地表。這種熱物質具有浮力，導致脊隆起，這也是洋中脊比海底其他部分更高的原因之一。

脊處的熱岩漿以熔岩的形式噴發，形成新的海底。當熔岩冷卻時，其磁鐵礦晶體呈現出當前的磁極性。當熔岩凝固並且磁鐵礦晶體被固定在位置時，極性被鎖定。反轉以磁條帶的形式出現在脊軸線的兩側。隨著更多熔岩的噴發，它會將位於脊處的海底水平推離脊軸線。隨著新海底的形成，這會持續下去，迫使較老的海底水平遠離脊軸線。

磁條帶繼續延伸到海底。如果洋殼與大陸碰撞，它也會將大陸推離洋脊軸線。如果洋殼到達深海溝，它將沉入其中並消失到地幔中。無論哪種情況，最古老的地殼溫度最低，位於海洋最深處。

因此，洋殼的產生和消亡是魏格納大陸漂移的機制。大陸並不是漂浮在海洋上，而是像傳送帶一樣，搭乘洋殼繞地球表面移動。

大陸漂移的基本證據之一是大西洋兩側大陸海岸線的吻合方式。因此，讓我們更仔細地觀察上圖 6.11，瞭解海底擴張是如何在大西洋中移動大陸的。新的洋殼正在大西洋盆地中央貫穿的洋中脊（稱為大西洋中脊）形成。在大西洋中脊的兩側發現了不同磁極性的條帶。這些條帶一直延伸到位於大西洋兩側的大陸。因此，在大西洋中脊形成的新海底正在導致美洲和歐亞大陸朝著相反的方向移動！

課程總結

• 科學家利用二戰期間開發的技術，收集了資料，使他們認識到海底擴張是魏格納大陸漂移的機制。
• 測深圖揭示了高聳的山脈和深海溝。
• 磁極性條帶為海底年齡和洋中脊在洋殼形成中的重要性提供了線索。
• 海底擴張過程在洋中脊產生新的洋殼，並在深海溝消亡舊的洋殼。

複習題

1. 描述如何利用聲波繪製海底地貌圖。
2. 為什麼迄今為止還沒有發現超過 1.8 億年的洋殼，而最古老的大陸地殼卻有大約 40 億年的歷史？
3. 描述洋中脊、深海溝和深海平原的主要特徵及其相對年齡。
4. 描述為什麼大陸像在傳送帶上一樣穿過洋盆，而不是像魏格納最初的想法那樣漂移。
5. 解釋為什麼以下情況不可能發生：洋殼沒有在海溝處被破壞，但新的地殼仍在洋中脊處形成。
6. 如果你是一位研究非常古老生命形式化石的古生物學家，在哪裡尋找非常古老的化石是最好的地方：陸地還是海洋？
7. 假設地球的磁場固定不動，磁極性不發生反轉。這對我們對海底玄武岩的觀察會有什麼影響？

詞彙表

深海平原

構成大部分海底的非常平坦的區域。

測深圖

根據水深測量繪製的海底地圖。

回聲測深儀

利用聲波測量海底深度的裝置。

洋中脊

海底岩漿上湧並形成新海底的位置。洋中脊是存在於海洋中的離散板塊邊界的主要特徵。

海底擴張

大陸移動的機制。在擴張脊形成的新海底推動地球表面的岩石圈板塊。

海溝

海底的深坑，發生俯衝的地方。海溝是地球上最深的地方。

思考點

• 為贏得二戰而開發的技術是如何被科學家用於發展海底擴張假說的？
• 磁力資料如何以兩種方式幫助科學家更好地理解大陸漂移和板塊構造？
• 海底擴張是如何為大陸漂移提供機制的？
• 大西洋盆地的特徵是用海底擴張和大陸漂移來描述的。現在，觀察一下北太平洋盆地的特徵，並用這些術語來解釋它們。