《北太平洋:球面构造的一个实例》
地球的外壳是少数几块刚性板块——每一对都绕着同一个极,作一次转动。
大陆确实在移动——但不是以「大陆」的身份。地球的整个表面裂成了少数几块巨大的刚性板块,麦肯齐与帕克发现,每一对板块都绕着同一个点转动,就像门绕着合页。
把这个想法拆开看
看一张全球地震分布图,一个图案会跳出来:地震都落在一条条细线上,线与线之间,留着一大片一大片的安静区域。麦肯齐与帕克认真对待了这些安静区域。他们说,那些就是刚性板块——地球外壳的板片,既不弯折也不伸缩——而一切动静,只发生在板块相遇之处。
接着是优雅的那一步。在球面上,把一块刚性板块挪来挪去,等同于让它绕一根过地心的轴旋转。那根轴从地表穿出的地方,就是这一对板块的「转动极」。在极的附近,两板块几乎不相对错动;转过四分之一个地球,它们错动得最快。两个数——极在哪里、转得多快——就描述了全部。
从地震里读出这场转动
到 1960 年代中期,所有零件都已摆上桌面,却还没拼起来:魏格纳漂移的大陆、赫斯扩张的洋底、瓦因与马修斯的磁条带,还有图佐·威尔逊新提出的「转换断层」。所缺的,是把这一切变精确的办法。年轻的剑桥地球物理学家丹·麦肯齐,与编写绘图程序的罗伯特·帕克,从欧拉的一条老定理与一种巧妙的投影选择中找到了它。
他们的检验很漂亮。倘若两板块真的绕一个极转动,那么在一张以该极为中心的特殊地图上,每次地震的滑动方向,都应排成整齐的平行行列。他们把北太平洋一圈地震——阿留申、圣安德烈斯——的滑动方向都画了上去,行列果然对齐了。论文于 1967 年 12 月刊于《自然》。在美国,杰森·摩根早几个月已独立地得出同一想法;两人共享这套理论的奠基之功。
它为何重要
这正是一组大胆假说变成一门可以计算的科学的时刻。大陆漂移已被争论了五十年,且多遭否定;海底扩张解释了引擎,却没解释几何。麦肯齐与帕克补上了几何——精确、可检验,并在四分之一个地球上由地震加以证实。不到一年,这套方法便被推及整个地球,「板块构造」从此成为统辖整个地质学的框架:地震在哪里发生、山脉为何隆起、海洋如何开合,皆由它统摄。
同一根轴上的两张唱片
想象一张黑胶唱片在轴上转。靠近轴心的点几乎不动;边缘的点飞速绕行。那根轴就是转动极,而速度随着你离极越远而越大——恰好正比于离极角度的正弦。现在再想象两张这样的圆盘沿一道接缝相遇:它们如何沿这道缝碾磨、张开或错过彼此,只取决于那根共享的轴在哪里。那道缝,就是板块边界;那根轴,就是欧拉极。
之前与之后
在本馆中,这篇论文是板块构造故事的转枢。魏格纳(1912)看出大陆会动;赫斯(1962)找到了洋底那条移动的传送带;瓦因与马修斯(1963)在磁条带里读出了它的速度。麦肯齐与帕克(1967)与摩根一道,把这一切化作球面上刚性板块转动的一条精确之律——勒皮雄(1968)随后绘出了整颗行星的板块。此后的一切,直到你手机里那枚以每年厘米级量度漂移的 GPS,说的都是这门语言。
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.