《普通地質學》內容試閱

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CHAPTER

大陸漂移與海底擴張

3

2004 年，美國的一個古生物研究團隊在加拿大北極圈內的埃爾斯米爾 （Ellesmere）島上一處（圖中紅點位置），發現了 3.75 億年前生活在副 熱帶地區、有腳魚類的化石。顯示在 3.75 億年前，這個島上的氣候與環 境和今天所見很不一樣，也提供了大陸位置曾經移動的線索。

觀念焦點 • 韋格納的大陸漂移假說

• 如何運用古地磁研究大陸漂移

• 如何證明大陸曾經發生漂移

• 海底擴張假說及其與大陸漂移的關係

3.1 前言 大陸漂移假說的最初設想是由 1596 年比利時地圖繪製師奧特柳斯（Abraham Ortelius） 提出，在他的《地理百科全書》（Thesaurus Geographicus）中提及美洲是「因地震與潮汐 而從歐洲及非洲分裂出去」及「如果有人拿出世界地圖，然後仔細觀測三大洲的海岸線， 就會發現大陸分裂的痕跡」。但直到德國氣象兼地質學家韋格納（Alfred Wegener）搜集許 多證據，利用古生代冰河、煤、砂丘、化石、岩石組合和地質構造組合的分布，於其 1915 年出版的《大陸和海洋的起源》（The Origin of Continents and Oceans）一書加以闡述後， 才引起大家普遍的注意。在書中他除了進一步闡明各大陸邊緣輪廓的契合，也引用大量的 古生物、地層與地質之構造可橫越大西洋互連，以及各大陸所處的古地磁之磁場方向與古 氣候資料，證明所有的大陸很久以前連在一起，成為一整塊超大陸（supercontinent）或泛 大陸，名叫盤古大陸（Pangea；意思是 All land），四面為原始大洋（Panthalassa）所包圍。 之後，超大陸再分裂成數塊，逐漸漂移到現在所見各大陸分布的位置。 這個大膽的學說在當時是超時代的想法，由於無法提出令人信服的動力來源，故在韋 格納去世之前，未能適切地解釋大陸如何漂移而未受學界採信，此學說在他去世之後便被 眾人忽視、遺忘。直到近四十餘年後，大陸漂移假說的證據加上 1960 年代全球深洋洋底 的豐富研究成果，尤其是古地磁，啟發美國赫斯（Harry Hammond Hess）與迪茨（Robert Sinclair Dietz）提出海底擴張假說（sea-floor spreading hypothesis），認為當大陸漂移分 離，兩大陸之間由於海底擴張而形成新的海底。另外，當兩塊大陸間的老海底因隱沒作用 （subduction）而沉潛，重回地球內部時，兩大陸就面對面相向移動。到了 1968 年，地質 學者已發展出一套相當完整的大陸漂移－海底擴張－隱沒模型，在此模型中，地球外層較 剛性的岩石圈，分成大約 20 塊──稱為板塊（plate）──在軟流圈之上彼此緩慢地相對 移動，也就是我們可以用許多觀測加以驗證的板塊構造學說（plate tectonics）；「tecton」 源自希臘字 tekton，意為「建造者」（builder），表示板塊運動「建造」了區域地質特徵 與現象。在此值得一提的是，大陸漂移假說與板塊構造學說有一些根本的不同，前者假設 使大陸分離的動力是潮汐，後者認為動力是由於地函軟流圈的對流作用。 本章將介紹韋格納用以提出大陸漂移假說的證據，接著看能證明大陸漂移的關鍵── 也就是地球過去磁場紀錄（古地磁），然後了解二十世紀中期地質學者對洋底的觀察，如 何讓赫斯能夠提出海底擴張的觀念。在這些觀念的基礎上，第 4 章將敘述板塊構造學說的 許多面向。

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普通地質學

3.2 韋格納的大陸漂移證據 圖 3-1 的三張地圖上，韋格納繪出分別代表石炭紀晚期、第三紀中期和第四紀初期的 世界地圖。由這些地圖可以看出，在石炭紀晚期，北美和歐亞大陸、南美以及非洲是連接 在一起的；至於南美洲、澳洲及南極大陸也是依附在這塊大陸邊緣。韋格納把這假設的原 始超大陸命名為盤古大陸。盤古大陸存在的時間約在 265 ∼ 251 Ma（百萬年前）。在侏羅 紀與第三紀之時，盤古大陸開始裂開，向西及赤道方向移動。在白堊紀時，南美和非洲開 始往相反的方向移動，逐漸形成現今的大西洋。

過去

現在

圖 3-1 韋格納繪出代表大陸漂移的三幅地圖。

3.2.1 契合的大陸 大陸漂移假說緣起於大西洋兩岸拼圖似的海岸線形狀。非洲西北岸可以塞進北美洲的 東岸；凸出的南美洲東岸可嵌入非洲西岸，而格陵蘭、歐洲、亞洲可與北美洲東北岸比鄰 相依，就好像將一份報紙撕裂為兩半，然後再拼湊起來（圖 3-2），因而，美洲大陸曾與 歐洲及非洲大陸銜接起來的結論相當有說服力。

第 3 章 大陸漂移與海底擴張

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大陸的 「布拉德配合」 （1965）

北美洲 歐洲

非洲 南美洲

布拉德定義大陸坡的邊緣為 大陸的邊緣

間隙 重疊

圖 3-2 1965 年布拉德（Edward Bullard）以電腦連接大陸斜坡中點（水深約 900 公尺） 作為大陸輪廓，並完成拼貼組合，可以見到全球大陸宛如拼圖般合而為一。圖中粉紅 色區域為間隙帶（無法接合的部分），紅色區域為重疊帶（大陸輪廓重疊處）。

3.2.2 赤道上的冰河 約在二億六千萬到二億八千萬年前（即二疊紀），地球處於冰河時期。冰河的存在， 可由冰河帶來的不同粒徑沉積物和冰河移動時在岩床上所刻蝕的條紋而得到證明。目前大 部分的冰河位於高緯度地區，而韋格納認為如果能夠繪出晚古生代的冰磧石和條狀刻紋分 布的範圍，就可以得出晚古生代大陸分布的範圍。在南半球，非洲南部、南美洲、印度南 部和澳洲南部到處皆可發現冰河在岩床上刻蝕的遺跡或冰磧石分布。但在北半球，卻沒有 發現二疊－石炭紀的冰河遺跡。韋格納將這些發現古生代冰河遺跡的大陸聚集在一起，發 現那些冰河覆蓋過的區域侷限於盤古大陸的南邊，正是極區冰蓋的位置。由條狀刻蝕遺 跡，可以判斷冰河移動的方向大致是從非洲東南部向外擴展（圖 3-3）。

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普通地質學

70°

35°

0°

赤道

印度

非洲南部

−35 °

−70 °

澳洲南部

南美洲 南部

現今

南極洲

−120 °

−60 °

0°

60°

120°

180°

冰河刻蝕方向 非洲 90° 印度

南美洲

南極洲

澳洲

60°

重建盤古大陸 30°

圖 3-3 晚古生代冰磧物分布和冰河刻蝕條紋方向，無法以現今地理分布解釋。 但以盤古大陸觀點，則冰磧物分布和冰河移動方向乃沿著南極冰蓋周圍發展。

3.2.3 氣候分帶 今日地球上的氣候，從嚴寒的極區氣候至赤道附近的熱帶氣候一應俱全。在這兩個極 端氣候之間，可大致以緯度再區分為寒帶、溫帶及亞熱帶，不同的氣候帶也影響了動物群 及植物群的種類。若今日觀察到的現象能夠運用到地球過去的歷史上，古氣候學研究就可 以經由動物、植物的化石來推測該地區當時的緯度。這方面研究比較常用到的證據有：極 寒氣候下生長的苔原和熱帶氣候下生長的珊瑚。除上述所舉的化石和冰河遺跡外，乾燥氣 候的特徵，譬如岩鹽、石膏和某些種類的沙漠砂岩等，也都是很有用的證據。如果在盤古 大陸時代的南極、北美洲南部、歐洲南部和非洲西北部位於熱帶和亞熱帶氣候區，透過大 量研究古生代沉積岩的特性，就可以驗證當時的古氣候。例如在熱帶地區的沼澤和叢林， 經深埋後變成煤。熱帶地區的淺海有珊瑚礁大量生長。在亞熱帶的沙漠，存在風成砂丘； 強烈的蒸發作用使淺海和鹽湖累積大量的蒸發岩。因此韋格納認為，可以用古生代煤層、 珊瑚礁、砂丘和岩鹽定出盤古大陸的氣候分帶（圖 3-4）。

第 3 章 大陸漂移與海底擴張

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亞洲

歐洲 北美洲

特提斯海 非洲 印度 南美洲 沼澤煤 沙漠砂 珊瑚礁 鹽沉積

冰河作用 沙漠

南極洲

澳洲

熱帶

圖 3-4 晚古生代的沉積岩類型和氣候帶分布。

臺灣學者馬廷英教授發現珊瑚成長的速率與海水溫度有關：夏季生長快速，冬季緩 慢，產生像樹輪一樣的年層。赤道的珊瑚年層變化不明顯，而緯度較高的亞熱帶，因為有 明顯的季節變化，珊瑚也有明顯的年層變化。利用年層的顯著程度就可推估生長時期當地 和赤道的距離。馬教授從珊瑚研究發現不同的地質時代顯示不同的赤道位置，證實大陸是 會移動的，也直接證明了韋格納的大陸漂移假說。

3.2.4 化石的分布 不同的大陸可提供不同物種的棲息，某些陸棲生物無法飄洋過海，因此在各個大陸獨 立演化而形成不同的物種。在早期的地球歷史中，大陸曾經聚合在一起，陸棲動、植物可 以在不同大陸之間移動，因此韋格納繪出在晚古生代和早中生代（約在三億到二億一千萬 年前）的陸棲物種分布（圖 3-5），發現這些物種同時存在不同的大陸。韋格納認為從這 些物種的化石分布，顯示在晚古生代和早中生代，大陸應該是接合在一起的。

3.2.5 地質構造與岩石分布 假如大西洋的確是因大陸分開而形成的裂縫，則兩岸的地質構造也必能彼此相合。換 言之，大西洋沿岸的山脈，越過大西洋後必可找到它的延伸部分。根據韋格納的敘述，大 洋兩側的陸上地質構造非常地契合。

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普通地質學

歐亞大陸 大頷龍屬生活在 非洲及南美洲

水龍獸生活在非洲、 南極洲及印度

北美洲

非洲 印度

舌羊齒植物生存 在南部大陸

南美洲 澳洲

南極洲 中龍屬生活在非洲 及南美洲

圖 3-5 韋格納繪出陸棲物種化石在不同大陸的分布。

韋格納發現相同的前寒武紀（五億四千二百萬年前）的岩石組合和地質構造同時出露 在南美洲東岸和非洲西岸，但在今天被大洋分隔。如果這些分離的大陸曾連成盤古大陸， 那麼，契合的岩石組合和地質構造應是連接在一起的造山帶。韋格納也注意到在北半球的 北美洲與北歐之間，可發現一致的地質現象。如位於美國境內的阿帕拉契山脈和格陵蘭、 英國、斯堪地那維亞半島及非洲北部的山系類似，而南美東部的山脈和非洲西部及南部的 山脈相似（圖 3-6）。

非洲

南美洲

元古宙造山帶 太古代地殼

圖 3-6 除南極大陸外，南美洲和非洲大陸的造山 帶和岩石分布契合。

第 3 章 大陸漂移與海底擴張

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3.3 大陸漂移的古地磁證據 約 1,500 年前，中國的水手發明利用線繫上磁石，就能指示北方，幫助航行。因磁 石含有磁鐵礦（magnetite）和其他強磁性礦物（magnetic mineral），會順著地球磁力場 排列。很多岩石因含有細小的磁鐵礦或其他磁性礦物，整體表現像微弱的磁鐵。本節將 說明如何利用岩石的磁性，以了解岩石如何保有過去地球磁場的訊息，也就是古地磁學 （paleomagnetism）研究。

3.3.1 古地磁是什麼？ 在二十世紀初期，科學家發展出可以量測岩石微弱磁性的儀器，並有驚人的發現。一 塊百萬年前形成的岩石，其磁偶極（magnetic dipole）與現今地球的磁偶極方向並不一致。 地質學家透過量測各地的岩石樣本，可以得到岩石形成時的磁場方位。 古地磁是如何保留的呢？熔岩冷卻形成玄武岩是重要的過程。當熔岩開始冷卻，微小 的磁鐵礦晶體就開始成長。剛開始磁性礦物的磁偶極排列散亂，會互相抵消，但當岩石冷 卻到居禮溫度（Curie point）之下時，磁偶極會順著平行地球磁場的方向排列，並將此磁 性保留於岩石中。此外，不只玄武岩保有古地磁的紀錄，有些沉積岩也可保有過去的地磁 紀錄；當沉積物堆積時，岩石溶解出來的鐵，經由地下水帶入沉積物中，並在沉積物顆粒 間的孔隙沉澱出含鐵的新磁性礦物（如磁鐵礦與赤鐵礦），這些磁性礦物會依當時的地球 磁場排列（圖 3-7）。

3.3.2 表觀磁極點移動軌跡 為什麼老的岩石中，古地磁偶極並不指向現今地磁的方向？當地質學家嘗試回答上述 問題時，先假設「大陸是固定不動的」，而過去地磁極（magnetic pole）位置與現今的地 磁極位置不同。另外，以古地磁極（paleopole）代表過去地磁北極的假設位置，則量測在 同一位置、不同年代的連續地層之古地磁，即可得出古地磁極方向隨時間的改變，稱之 為表觀磁極點移動軌跡（apparent polar-wander path），在同一段時間內它應該是唯一。然 而，在實際研究不同大陸的磁極點移動軌跡後，我們發現不同大陸的磁極點移動軌跡並不 相同，這是不合理的。因此「大陸是固定不動」的假說，無法解釋實際量測的結果，必須 放棄上述的假設。實際上地磁極為固定不動，而大陸相對地磁極移動（圖 3-8）。此觀察 證明了韋格納的大陸漂移假說本質上是對的，大陸真的在移動！

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普通地質學

古地磁紀錄的磁偏 角與今日的磁偏角 全然不同。

今日地磁北極

古地磁 磁偏角

地球的偶極 赤道磁傾角 為0度

淨磁場等於 0 ( 因為↑+↓= 0)

在炙熱的岩漿中，磁性礦物 的排列方向改變迅速，因此 岩漿無法紀錄地球磁場。 古地磁磁 傾角非 0 度

熔 融 溫 度

炙熱的熔岩流

時 間 地球的偶極 當岩石冷卻時，磁性礦物順 著磁場排列。當岩石完全冷 卻後，就會將磁偶極的方向 保存在岩石中。

磁棒代表古地磁磁偶極

熔 融 溫 度

冷卻的玄武岩

(A)

磁偶極方向

(B)

水和岩石間的作用在部 分充填的孔隙中產生新 的磁性礦物 ( 白色區域 )。 這些新的礦物在生成時 會順著當時的地球磁場 ( 箭頭指示方向 ) 排列。

水攜帶溶解的鐵離子進入沉積物或沉積岩中

(C)

圖 3-7 保留在岩石中的古地磁紀錄：(A) 一個地質學家在赤道地區發現一個古老岩石樣本，當地現在 磁傾角為 0 度，但分析結果顯示該樣本的古地磁磁傾角卻不是 0 度；(B) 當熔岩冷卻形成岩石時，當時 的地磁狀態就能被記錄下來；(C) 藉由地下水將岩石中的鐵溶解並帶入沉積物中沉澱，生成含鐵新礦物， 古地磁也能保有在沉積岩中。

第 3 章 大陸漂移與海底擴張

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磁北極

地理北極 0

100 200

400 300

500 600

P

(B) 180°

90°E

北美洲

歐洲

非洲 0°

90°W

(A)

(C)

圖 3-8 表觀磁極點移動軌跡和其解釋。(A) 為 (B) 圖中 P 地區地層柱，由下而上，不同深度代表 不同時代，可以量測到一系列古地磁磁傾角及磁偏角的變化；(B) 藉由同一地點連續地層的古地 磁方向變化，可繪出表觀磁極點移動軌跡；(C) 北美洲、歐洲與非洲岩石量測所得的表觀磁極點 移動軌跡皆不同，只有「大陸移動」才能合理解釋。

3.4 海底擴張假說的序幕 3.4.1 新的海底地形資料 在二次大戰之前， 我 們 對 海 床 地 貌 所 知 甚 少， 主 要 來 自 零 散 的 海 底 聲 納 探 測。 1872 ∼ 1876 年期間，英國艦隊挑戰者號（HMS Challenger）進行海洋科學考察，發現 海床中存在海底山脈和深海槽谷，為海床地貌探測（sea-floor bathymetry）奠定了基礎。 二次大戰時，由於潛艇航行的軍事需求，需要水深變化的資料，加上聲納回聲探測技術 （echo sounding）的發明，開拓海床地貌探測的新境界。聲納回聲探測是利用探測船放出 聲波信號到達水底產生回應之時差來決定水深（圖 3-9）。當探測船持續航行，便可測繪 出水深剖面（bathymetric profile）；由多次航行測繪的水深剖面，便可組合出海床的地貌 資料（圖 3-10）。 在今天，地球科學家可利用衛星更快速得到海床地貌資料。海床地貌資料顯示下列幾 項重要的特徵： 1. 中洋脊（mid-ocean ridge）：在主要大洋中都有寬廣平坦的深海平原（abyssal plain），水深 4 ∼ 5 公里；另有長條狀的海底山脈，稱之為中洋脊，中洋脊的頂 點約在水面下 2 ∼ 2.5 公里，稱為中洋脊軸，而中洋脊兩側海床地貌大約對稱。

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圖 3-9 利用聲波探測海床地貌。

圖 3-10 全球主要海底地形及構造。

2. 深海海溝：分布於環太平洋周圍和其他地點，海床深度可達 8 ∼ 12 公里，稱為 海溝（trench）。由活火山形成的火山島弧（volcanic island arc），沿海溝邊緣分 布（圖 3-10）。 3. 海底山（seamount）：洋底有火山所造成的山峰，稱為海底山，一部分露出海面 成為島嶼，如夏威夷群島，但是大部分都淹沒在海水面以下（圖 3-10）。若海底 山曾露出水面，受到波浪的侵蝕或形成珊瑚礁而使頂端變平坦，則稱為海桌山 （guyot）。

第 3 章 大陸漂移與海底擴張

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