《北太平洋:球面構造的一個實例》
地球的外殼是少數幾塊剛性板塊——每一對都繞著同一個極,作一次轉動。
大陸確實在移動——但不是以「大陸」的身份。地球的整個表面裂成了少數幾塊巨大的剛性板塊,麥肯齊與帕克發現,每一對板塊都繞著同一個點轉動,就像門繞著合頁。
把這個想法拆開看
看一張全球地震分佈圖,一個圖案會跳出來:地震都落在一條條細線上,線與線之間,留著一大片一大片的安靜區域。麥肯齊與帕克認真對待了這些安靜區域。他們說,那些就是剛性板塊——地球外殼的板片,既不彎折也不伸縮——而一切動靜,只發生在板塊相遇之處。
接著是優雅的那一步。在球面上,把一塊剛性板塊挪來挪去,等同於讓它繞一根過地心的軸旋轉。那根軸從地表穿出的地方,就是這一對板塊的「轉動極」。在極的附近,兩板塊幾乎不相對錯動;轉過四分之一個地球,它們錯動得最快。兩個數——極在哪裡、轉得多快——就描述了全部。
從地震裡讀出這場轉動
到 1960 年代中期,所有零件都已擺上桌面,卻還沒拼起來:韋格納漂移的大陸、赫斯擴張的洋底、瓦因與馬修斯的磁條帶,還有圖佐·威爾遜新提出的「轉換斷層」。所缺的,是把這一切變精確的辦法。年輕的劍橋地球物理學家丹·麥肯齊,與編寫繪圖程式的羅伯特·帕克,從歐拉的一條老定理與一種巧妙的投影選擇中找到了它。
他們的檢驗很漂亮。倘若兩板塊真的繞一個極轉動,那麼在一張以該極為中心的特殊地圖上,每次地震的滑動方向,都應排成整齊的平行行列。他們把北太平洋一圈地震——阿留申、聖安德烈斯——的滑動方向都畫了上去,行列果然對齊了。論文於 1967 年 12 月刊於《自然》。在美國,傑森·摩根早幾個月已獨立地得出同一想法;兩人共享這套理論的奠基之功。
它為何重要
這正是一組大膽假說變成一門可以計算的科學的時刻。大陸漂移已被爭論了五十年,且多遭否定;海底擴張解釋了引擎,卻沒解釋幾何。麥肯齊與帕克補上了幾何——精確、可檢驗,並在四分之一個地球上由地震加以證實。不到一年,這套方法便被推及整個地球,「板塊構造」從此成為統轄整個地質學的框架:地震在哪裡發生、山脈為何隆起、海洋如何開合,皆由它統攝。
同一根軸上的兩張唱片
想像一張黑膠唱片在軸上轉。靠近軸心的點幾乎不動;邊緣的點飛速繞行。那根軸就是轉動極,而速度隨著你離極越遠而越大——恰好正比於離極角度的正弦。現在再想像兩張這樣的圓盤沿一道接縫相遇:它們如何沿這道縫碾磨、張開或錯過彼此,只取決於那根共享的軸在哪裡。那道縫,就是板塊邊界;那根軸,就是歐拉極。
之前與之後
在本館中,這篇論文是板塊構造故事的轉樞。韋格納(1912)看出大陸會動;赫斯(1962)找到了洋底那條移動的輸送帶;瓦因與馬修斯(1963)在磁條帶裡讀出了它的速度。麥肯齊與帕克(1967)與摩根一道,把這一切化作球面上剛性板塊轉動的一條精確之律——勒皮雄(1968)隨後繪出了整顆行星的板塊。此後的一切,直到你手機裡那枚以每年公分級量度漂移的 GPS,說的都是這門語言。
Individual aseismic areas move as rigid plates on the surface of a sphere. Application of the Mercator projection to slip vectors shows that the paving stone theory of world tectonics is correct and applies to about a quarter of the Earth's surface.