一些伟大的想法震撼了世界。几个世纪以来，地球的最外层被认为是静止的、刚性的、固定不动的。但板块构造理论彻底颠覆了地球的这一形象。板块构造揭示了地球表面如何不断运动，以及其特征——火山、地震、海洋盆地和山脉——如何与其炎热的内部有着内在联系。我们现在知道，地球熟悉的景观是地球不断自我重塑的亿万年周期的产物。
板块构造学说在 20 世纪 60 年代出现，并成为一种统一理论，“这是整个地球科学史上第一个被普遍接受的全球理论”，哈佛大学科学史学家纳奥米·奥雷斯克斯在《板块构造：现代地球理论的内幕历史1969 年，地球物理学家 J. Tuzo Wilson比较了这场知识革命对地球科学的影响爱因斯坦的广义相对论同样颠覆了人们对宇宙本质的认识。
本文摘录自庆祝上个世纪科学领域一些重大进步的系列文章。如需查看板块构造学故事的详细版本，请访问科学百年：震撼地球。
板块构造学描述了地球整个 100 公里厚的最外层（称为岩石圈）如何分裂成板块拼图——承载着大陆和海底的岩石板——它们滑落在缓慢旋转的炽热内层之上。这些板块以每年 2 到 10 厘米的速度移动，一些板块发生碰撞，一些板块分离，一些板块相互磨擦。新的海底在海洋中心形成，随着板块沉入地球内部，海底消失。这一循环产生了地球上许多地质奇观，也产生了许多自然灾害。
“它把各个部分联系在一起的方式令人惊叹：海底扩张、海底磁条……地震发生的地方、山脉形成的地方，”宾夕法尼亚州立大学地球动力学家布拉德福德·福利说。“几乎所有东西都各得其所。”
鉴于目前已知的证据如此之多，这一理论似乎显而易见，几乎是不可避免的。但从固定的大陆到动荡不安的地球的概念之旅漫长而曲折，中间不乏纯粹的洞察力，并受到数十年坚持不懈的数据收集的指导。
大陆漂移
1912 年，德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳在法兰克福地质协会的一次会议上提出，地球的大陆可能正在移动。当时，主流观点认为，山脉就像地球上的皱纹一样，是随着地球逐渐失去形成时的热量，表面收缩而形成的。相反，魏格纳认为，山脉是在大陆漂移到地球表面时发生碰撞而形成的。虽然现在大陆分散开来，但它们曾经连在一起，形成了一个超级大陆，魏格纳称之为盘古大陆，即“全地球”。这可以解释为什么在大西洋两岸会发现相同类型和年龄的岩石以及相同的化石。
大陆漂移的理论引起了一些科学家的兴趣。但其他许多人，尤其是地质学家，却对此不以为然，持敌意甚至感到恐惧。反对者认为，魏格纳的理论过于推测，没有充分依据现行的地质原理，例如均变论。均变论认为，今天地球上缓慢移动的地质力量在过去也一定存在。人们认为，均变论要求大陆固定在原地。
德国地质学家 Max Semper轻蔑地写道1917 年，魏格纳的观点“仅仅依靠肤浅的科学方法，忽视了地质学的各个领域”，并希望魏格纳将注意力转向其他科学领域，不要再关注地质学。“神圣的圣弗洛里安，保护好这所房子，烧毁其他房子吧！”他讽刺地写道。
“流动论者”和“固定论者”之间的争论在 20 世纪 20 年代一直持续，随着它渗透到英语圈，争论愈演愈烈。1926 年，在纽约市举行的美国石油地质学家协会会议上，地质学家罗林·T·钱伯林驳斥了魏格纳的假说，认为它是一堆不相关观察结果的大杂烩。钱伯林说，这一观点“属于自由主义类型，因为它对我们的地球采取了相当大的自由，与大多数竞争对手的理论相比，它受到的限制较少，也不太受尴尬、丑陋事实的束缚。”
魏格纳的理论（现称为大陆漂移说）最持久的症结之一是，它无法解释如何大陆移动了。1928 年，英国地质学家亚瑟·霍姆斯 (Arthur Holmes) 提出了这种运动的一个可能解释。他提出，大陆可能像木筏一样漂浮在地球深处一层粘稠、部分熔融的岩石上。他提出，放射性物质衰变产生的热量，使这一层慢慢沸腾从而在熔岩中形成巨大的循环流，进而慢慢地移动大陆。
霍姆斯承认，他没有数据支持这一想法，地质学界仍然对大陆漂移理论持怀疑态度。地质学家转向其他问题，例如开发地震强度的震级标度，以及设计一种精确测定有机材料年代的方法使用碳的放射性形式碳-14。
数据涌入
20 世纪 50 年代，人们对大陆漂移理论的兴趣又被重新点燃，因为一个意想不到的证据——海底。二战带来了潜艇和声纳的快速发展，科学家们很快就新技术研究海底。研究人员使用声纳，用声波探测海底并监听返回脉冲，绘制了连续且分支的水下山脉的范围中间有一条长长的裂缝。这条世界性的裂谷系统蜿蜒环绕地球 72,000 多公里，穿过世界各大洋的中心。
研究人员利用磁强计测量磁场，绘制出了海底岩石的磁取向图，即含铁矿物相对于地球磁场的方向。研究小组发现，海底岩石具有一种奇特的“斑马条纹”图案：正极性带（其磁取向与地球当前磁场相对应）与反极性带交替出现。这一发现表明，每个带的形成时间都不同。
与此同时，对探测和禁止地下核试验的支持日益增多，也为地震学家创造了一个机会：创造一个全球性的、地震仪标准化网络台站。到 20 世纪 60 年代末，大约有 120 个不同的台站安装在 60 个不同的国家，从埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴的山区到华盛顿特区乔治城大学的大厅，再到冰冻的南极。得益于由此产生的大量高质量地震数据，科学家们发现并绘制了大洋中裂谷系统（现在称为大洋中脊）和海沟下方的隆隆声。非常深的海沟附近的地震特别令人好奇：它们起源于比科学家们认为可能的更深的地下。而且山脊非常热科学家们将细钢探针插入从船上钻入海底的岩心，与周围的海底进行比较。
20 世纪 60 年代初，两位独立工作的研究人员，地质学家 Harry Hess和地球物理学家 Robert S. Dietz，将不同的线索拼凑在一起——并加入了霍姆斯关于热岩中存在循环水流的旧观点。他们各自声称，洋中脊可能是循环将热岩推向地表的地方。强大的力量将地球岩石圈的碎片分开。在缝隙中，熔岩涌出——新的海床诞生了。随着岩石圈碎片的分离，新的海床继续在它们之间形成，这被称为“海床扩张”。
这一势头在 1966 年纽约戈达德太空研究所举行的为期两天的会议中达到了顶峰，当时只有大约 100 名地球科学家参加。“在纽约的这次会议上，很明显一切都将改变，”剑桥大学地球物理学家 Dan McKenzie 在 2017 年对伦敦地质学会的会议回顾中说道。
但哥伦比亚大学地震学家林恩·赛克斯 (Lynn Sykes) 表示，在会议开始之前，“没有人想到”这次会议将成为地球科学的关键时刻。当时刚刚获得博士学位的赛克斯是受邀者之一；他刚刚发现大洋中脊地震的独特模式。该模式表明，山脊两侧的海底正在分离，这是板块构造学的关键证据。
在会议上，一个又一个的讨论将数据堆叠在一起以支持海底扩张，包括赛克斯的地震数据和那些对称的斑马条纹图案。很快人们就明白了，这些发现正在形成一个统一的叙述：大洋中脊是新海底的诞生地，深海海沟是旧岩石圈被重新吸收到内部的坟墓。这种生死循环一次又一次地打开和关闭海洋，将大陆聚集在一起，然后又将它们分开。
证据确凿，正是在这次会议期间“板块移动论的胜利得到了明确的确立”，地球物理学家 Xavier Le Pichon（他曾是海底扩张论的怀疑论者）在 2001 年的回顾性论文《我对板块构造论的转变》中写道。该论文收录在 Oreskes 的书中。
板块构造学说出现
整个地球科学界在第二年春天的美国地球物理联合会年会上得知了这些发现。威尔逊列出各种证据让华盛顿特区更广泛的受众了解这一新的世界观。到那时，社区的反对声音已经很小，赛克斯说：“他们马上就接受了，这令人惊讶。”
科学家现在知道地球的海底和大陆在运动，山脊和海沟标志着大块岩石圈的边缘。但这些岩石圈是如何在地球上协调一致地移动的呢？为了设计出这种复杂舞蹈的编排，两个独立的小组利用了数学家莱昂哈德·欧拉早在 18 世纪提出的一条定理。这条定理表明，刚体绕球体运动就像绕轴旋转一样。麦肯齐和地球物理学家罗伯特·帕克用过的用这个定理来计算岩石圈块体——板块的舞动。他们不知道的是，地球物理学家 W. Jason Morgan 独立地提出了类似的解决方案。
随着这最后一点的出现，板块构造的统一理论诞生了。关于大陆漂移的争论现在看来不仅过时了物理学家埃贡·奥罗万表示，它也是“人类自信的清醒解药”。科学新闻在1970年。
人们从对地球运行的这种更清晰的认识中受益匪浅，包括能够更好地应对地震、海啸和火山。板块构造学也影响了整个科学领域的新研究，为气候变化和地球生命进化提供了重要信息。
但还有很多我们不明白的地方，比如什么时候和如何地球表面开始不停地移动——并且什么时候结束亚利桑那州立大学坦佩分校的行星科学家林迪·埃尔金斯-坦顿说，同样令人费解的是，为什么板块构造似乎没有在太阳系的其他地方发生。“怎么会是一场彻底的智力革命，同时又令人费解呢？”
生命的熔炉
地球是目前已知唯一具有板块构造的星球，也是目前已知唯一适合生命生存的星球。
亚利桑那州立大学坦佩分校的行星科学家林迪·埃尔金斯-坦顿 (Lindy Elkins-Tanton) 表示，行星科学家们对这两个事实是否以及如何相关感到困惑，以及这对地球到底有多么不寻常意味着什么。“没有人知道板块构造是如何在地球上开始的，以及为什么它没有在其他地方开始，”她补充道。“这是一个与许多其他谜团相关的谜团，其中之一就是宜居性。”
我们知道板块构造在保持地球适宜居住，主要是通过移动碳。“它负责在长期地质时间尺度上调节气候，确保气候或多或少适合生命生存，”哈佛大学地球物理学家 Roger Fu 说。
当两块板块相撞时，一块板块会滑到另一块板块之下，将含碳岩石带入地球内部深处。俯冲板块开始融化，上覆板块上火山喷发，向大气中排放二氧化碳和其他气体。随着二氧化碳的积累，它会通过温室效应使地球变暖。
然后，这种变暖的大气会加速地球表面岩石的风化，因为富含二氧化碳的雨水会加速岩石与岩石之间的化学反应。这些反应将二氧化碳从大气中吸收出来，形成新的碳矿物。这些矿物被冲入海洋，微小的海洋生物利用碳来建造碳酸钙壳。最终这些生物会死亡，它们的壳会沉入海底，变成碳酸盐岩。随着越来越多的二氧化碳以这种方式从大气中被吸收，地球会逐渐冷却——直到最终，板块构造的缓慢运动将碳酸盐通过俯冲板块带入地球内部。
这个循环持续了数百万年，不仅保持了温度的温和。这种搅动还使氧气、氮气、磷和其他营养物质通过大气、海洋和岩石进行循环——并将它们化学转化为生物体可以利用的形式。
“这并不是说没有板块构造就不会有生命，”傅说。“但情况会非常不同。”
事实上，地球上的第一批生命可能早于板块构造的开始。地球上古老的岩石中留有生命的痕迹，可以追溯到至少 34 亿年前几亿年前已知最早的板块运动证据，以叠层石化石的形式存在，叠层石是由微生物和矿物质构成的层状结构。类似的微生物群落也存在于现代温泉中，例如黄石国家公园的温泉。一些科学家推测，温泉——其中含有生命的生化配方，包括化学元素、水和能量——可能为地球上最早的生命奠定了基础。
宾夕法尼亚州立大学地球动力学家布拉德福德·福利表示，理论上，没有板块构造的行星（如早期地球）当然有可能拥有适宜居住的大气层和液态水，以及充足的热量。福利模拟了多少二氧化碳可以从“停滞盖层”行星的内部渗出——像火星和水星这样的行星，它们有一个连续的岩石圈，像一个冰冷沉重的盖子一样盖在炎热的内部。福利说，即使在这些行星上，“我们仍然有火山活动”，因为在那个沉重的盖子下面仍然有热岩在流动。这些喷发会向大气中释放二氧化碳，并产生新的岩石以供风化。
改变气候的火山活动可能不会像板块构造运动那样持续那么长时间，但它理论上可以持续 10 亿或 20 亿年”Foley 说。这意味着一些停滞的盖层行星可以形成大气层，甚至至少在一段时间内拥有液态水的温带气候。
还有木卫二，木星的冰卫星。卫星表面被破碎成盘子马赛克冰层在彼此之间滑动，就像地球上的冰层一样。“这不是俯冲，而是吸收，”傅说。但这种冰循环的结果可能类似于地球上的硬岩循环，在表面冰和下面的液态海洋之间移动营养物质，这反过来可以帮助维持月球上的生命。
“板块构造究竟是什么，这个问题还没有答案，”傅说。他说，这个术语已经成为一个包罗万象的概念，涵盖了地球上的众多物理特征——洋中脊、俯冲、移动的大陆——以及营养循环等地球化学过程。“但不能保证它们总是会同时发生。”
埃尔金斯-坦顿说，科学家本能地将地球作为研究其他星球的模板，并将其作为寻找宜居性时要寻找的样本。“我们在自然科学中试图解释的很多事情都依赖于我们处于钟形曲线的中间位置，”她说。“如果事实证明我们是不寻常的，我们有点离群索居，那么解释事情就会困难得多。”
她说，也许每个星球都有自己独特的历史。地球恰好经历了强大的板块构造周期。但其他地方的生命也许找到了另一种方式。— 卡罗琳·格拉姆林
