今
天的地球是一个反差极大的世界，三分之一是陆地，三分之二是水。从太空中看，它是一个多彩的世界，混合了蓝色、棕色、绿色以及流动的白色。不到44亿年前，均匀散布的黑色玄武岩火山锥是贫瘠干燥的唯一陆地，浮现在单调的蓝色浅海海面上。所有这些都将随着花岗岩的出现而改变，花岗岩成为大陆坚固的基石。
地球的故事是一串分化的传奇，它将元素分离和集合，分化形成新的岩石和矿物，分化出大陆和海洋，并最终分化出现生命。这个主题一次又一次地出现。太阳系靠内的岩质行星水星、金星、地球和火星的形成，都依赖于强烈的太阳风脉冲将氢和氦从较重的六大元素中分离出来，并将较轻的气体元素向外扫向了木星、土星、天王星和海王星等巨型行星的区域。在地球上，金属核与富含橄榄岩的地幔分离，致密熔融的铁沉积在了中心。橄榄岩的部分熔融产生了玄武岩，一种富含硅、钙和铝的岩石。玄武岩从橄榄岩中分离出来，形成了地球上第一层薄薄的黑色地壳。当玄武岩激烈地喷发到地表时，水和其他挥发物从玄武岩岩浆中分离出来，形成最初的海洋和大气。每一个热驱动步骤都分离并集合了元素。每一个步骤都让这颗星球越发分层和分化。
大陆的出现是地球分化的另一个重要步骤。当玄武岩的外地壳层冷却并硬化时，它们在下方熔融的地幔之上形成了一层类似盖子的吸热表层。从下方被再次加热的玄武岩，在温度相对较低的环境中开始熔化，特别是在有水的情况下，这一过程可以在温度低至1 200华氏度时发生。随着温度升高，玄武岩熔化的比例也随之增加，起初是5%，然后是10%，最终可达到25%。橄榄岩熔化带来的影响是，由此产生的岩浆在成分上与原先的玄武岩有明显不同。最值得注意的是，这种新的熔体富含硅，钠和钾的成分也显著提高。水也集中在这种热流体中，此外还有数十种稀有微量元素，包括铍、锂、铀、锆、钽等。这种新形成的富硅岩浆的密度比原先的玄武岩密度小得多，因此它不可避免地被推向地表，形成了最初的花岗岩。
大多数花岗岩有着简单的矿物学性质，包含四种不同类型的矿物。清澈无色的石英晶体（纯氧化硅）大量存在于花岗岩中，它们坚硬的颗粒会被侵蚀，形成地球上最早的白色沙滩。还有两种长石，一种富含钾，另一种富含钠，它们让地球上最早的花岗岩呈现出一种单调的灰白色。在花岗岩上零星点缀的还有第四种矿物，一种颜色较深的含铁矿物，有时是块状辉石，有时是片状云母，有时是细长的角闪石。下次你看到抛光的花岗岩台面或浴室设施时，可以看看这四种矿物的简单组合。
稀有元素的存在通常会导致额外矿物的微小颗粒散布其中，比如集中了锆元素的锆石。回想上一章的最后，从澳大利亚偏远的杰克山提取的红色锆石晶体，暗示了44亿年前存在早期海洋。这种晶体似乎是在相对凉爽、潮湿的条件下形成的，也可能指向了早期地球上花岗岩形成的开始。杰克山的锆石不仅具有独特的重氧同位素的特征，表明其产生于凉爽潮湿的环境中，而且这些40多亿年前的晶体中有一部分还含有石英包裹体，这种矿物在花岗岩出现之前很少形成。一些专家认为，这些古老的、低温的、含石英的锆石晶体是最早的花岗岩地壳仅存的遗迹。
花岗岩的起源，让我们第一次看到地球的矿物演化与其行星邻居的矿物演化出现了明显差异。花岗岩的形成需要行星表面附近具有丰富的玄武岩，以及很高的内部热量来重熔它。较小的行星如火星和水星，还有地球的月球，都被必要的玄武岩表面所包围，但这些星球太小了，无法制造出大量花岗岩，它们还缺乏必要的内部热量。可以肯定的是，这些星球上出现了少量花岗岩，但那与深植于地球的花岗岩大陆不可同日而语。
浮力
由黑色玄武岩组成的原始地壳被来自下方的热量软化，这种地壳的密度均匀，大约是水密度的三倍，实在无法支撑太多地形。一些火山机体的平均海拔可能会达到一两英里的高度，足以让分散的黑色岛屿露出海平面之上，但在大陆出现之前，地球上没有雄伟的山脉，也没有任何深海盆地。花岗岩的平均密度明显较低（约为水的2.7倍），从而改变了这种动态。花岗岩不可避免地漂浮在玄武岩和橄榄岩之上，堆积成巨大的山丘，像漂浮在水上的冰山一样，高出水面数英里。
冰的密度比水低约10%，它为我们提供了一种熟悉的类比。由于密度的差异，约10%的冰山体积会露出水面。一座200英尺高的锯齿状冰山，通常会露出水面30英尺或更多，因此才有了“冰山一角”的说法。同样，花岗岩的密度比其漂浮之上的玄武岩要低10%。随着地球部分熔融的玄武岩地壳形成一层又一层的花岗岩，冰山一样的凸起开始形成。一英里厚的花岗岩岩体可能产生一个小山丘，露出的部分会比玄武岩地壳的平均高度高出近1 000英尺。但随着时间的推移，堆积的大量花岗岩地壳达到了数英里的厚度。因此，深入地下的大陆在海洋之上越升越高，一些山脉能高出水面几英里。今天的落基山脉位于美国西部，它的花岗岩根部深达40英里，拥有超过14 000英尺的众多山峰。这道雄伟的山脊矗立在北美大陆上，成为花岗岩浮力的证明。
1970年，当我在麻省理工学院上第一门地质学课程时，浮力驱动地质变化仍然是教科书的正统说法。[我们那时用的是英国地质学家阿瑟·霍姆斯（Arthur Holmes）1965年版的经典著作《物理地质学原理》（Principles of Physical Geology）。]它被称为“地壳均衡说”。“垂直构造”的驱动力是“地壳均衡调整”。一个精巧的木刻作品，与19世纪的地质文献中的几乎没有变化，表明一排不同高度的长方形木块漂浮在水中，更高的木块从水里冒出，就像一座山。我们学习了海洋盆地如何充满厚厚的沉积物层，以及这些沉积物如何熔化，形成更多花岗岩体，还学习了山脉如何从这些漂浮的花岗岩核中隆起。这一切在当时都说得通，它仍然是一种主流的假说，表明40多亿年前地球最早的地壳是如何形成的。
在地球早期的历史中，甚至可能在最初的2亿年内，由于深部堆积的玄武岩被部分熔化，在热点上方一定已经开始形成了一些由灰色花岗岩构成的陆地。在早期，垂直构造和地壳均衡一定占了上风，正如阿瑟·霍姆斯所说的那样。那些最初孤立的花岗岩大陆块是完全荒芜的，被狂风吹拂，被强烈的海浪拍打。遭受侵蚀的石英岩石碎片慢慢堆积，形成了少许沙滩，而长石则被风化成了富含黏土的土壤薄层。第一批花岗岩岛屿是彼此孤立的，中等大小，高度较低。它们与即将到来的巨型大陆并不一样。
巨大的冰山
撞击重来？
那么，早期地球是如何从火山点缀的玄武岩世界，转变成一个拥有广阔的灰色花岗岩大陆的星球的呢？最初的一些花岗岩孤岛是如何扩展成我们今天看到的横跨半球的大陆的？地球科学家从不畏惧提出假说。其中一个较为有趣的想法，假设形成大陆的一连串事件是由那个我们熟悉的偶然因素触发的，也就是失控的小行星。
在忒伊亚消失和月球形成后的10亿年间，巨大的撞击不时发生。这无可争辩。专家估计，在地球漫长的摇篮时期，有几十颗巨大的小行星与地球相撞，这些小行星的直径可达100英里，它们是最初行星形成的时代留下的流浪太空的残余物。想象40亿年前的一个场景，一股软岩石的热流柱在年轻的海洋地壳下不断上升。许多这样的热流柱，没有数百个也有数十个，从地球深部升起，通过有效的对流过程来传递内部热量。喷发玄武岩熔岩的巨大火山在每一个热流柱上方喷发，甚至重熔玄武岩的地壳，产生了一种花岗岩成分，使大地不断增厚。
随之而来的是灾难，一颗直径30英里的小行星撞击到了火山群，抹去了300英里半径内所有的陆地痕迹。撞击产生了一个巨大的碗状岩浆湖，同时向邻近的表面喷涌出一团团浓稠的熔岩和岩石碎块。来自宇宙的袭击阻挡了地幔柱，地幔柱必须找到一条通向地表的新路径。
根据这种巧妙的设想，撞击后的热流柱改变了路径，从一片迷你的陆地下面探出。这片陆地有玄武岩的根基，以及正在生长的花岗岩表面。一旦热流柱来到这样一片厚重吸热的玄武岩盖层之下，新的热源就会使大量新的花岗岩冒起，从而使陆地扩大并变厚。
这个未经检验的故事可能是地球最早形成大陆的故事的一部分。小行星的撞击增强了10亿年来的垂直构造，这将产生越来越多的火山洋岛，而这些岛屿拥有混合了玄武岩和花岗岩的核心。陆地逐渐从海面上升起。到了40亿年前，分布在全球各地的巨大岛屿可能已经占据了地球表面的一部分。
但随后，板块构造发生了变化，地球近地表的演化进入了快速发展的时期。
漂移的大陆
发现板块构造是地球的主要地质过程，本身就是一个在时间上跨越现代科学发展历程的故事。尽管经过至少四个世纪的观察，整个大陆可能以某种方式穿越地球表面的想法起初仍是模糊的，被视为异端邪说，直到20世纪60年代国际上出现疯狂的发现热潮时，这种想法才引起了巨大关注，并被广泛接受。不过，一旦大量证据开始累积，地球科学便经历了科学史上几乎最迅速的范式转变。事实上，在我于麻省理工学院读本科的五年中，到了20世纪70年代中期，所有的地质学教科书都不得不完全重写，因为以往关于垂直构造的正统理论几乎被完全抹去了。
回想起来，一些反对垂直构造的证据应该是显而易见的。就算是今天的落基山脉，它与喜马拉雅山脉6 000多米的平均海拔和珠穆朗玛峰8 844米的高度比起来仍然相形见绌。同样，与平均两英里深的海洋相比，地球上最深的海沟位于西太平洋马里亚纳群岛附近，它令人惊诧地深入了地下七英里。在一个地壳均衡说的世界里，这样的极端地形不可能持续下去。垂直构造不可能是故事的全部。
横向构造是侧向运动在地球地质演化中所起的作用，其微妙的线索随着新大陆海岸线的第一批精确的地图而出现。到了17世纪初，美洲东部海岸线与欧洲和非洲西部海岸之间惊人的一致性变得显而易见。它们拥有一样蜿蜒的形状，同样的海湾和凸起，非洲西南部的圆滑轮廓和与之吻合的南美洲尖端向东弯曲的轮廓，所有这些都指向了某种古老的拼图游戏般的契合。
一些奇怪的假说试图解释大西洋两岸大陆迷人的匹配性。哈佛大学天文学家威廉·亨利·皮克林（William Henry Pickering）支持乔治·达尔文关于月球裂变起源的理论（月球是一个从快速旋转的地球甩到太空中的熔岩团块），他假定，当月球从太平洋被甩出的同时，在地球的另一边，大西洋也裂开了。另一些人则在大西洋巨大的曲线中看到了上帝之手。或许大西洋的海岸线就是挪亚大洪水的海岸线，这场发生于数千年前的洪水，创造了大洋，并“划分了陆地”。
系统的地质调查也许有助于解决这个问题，但在400年前，地质学甚至还没有被命名，更不用说以任何系统的方式来研究了。18世纪末，采矿和农业是最早的地质调查背后的经济驱动力，严格来说那是国家和州的事务。在跨越政治边界的地质构造上，它们几乎没有做出什么努力。而且，一个公国的财产也不被认为与其他公国的财产有什么不可划分的关联。毫不夸张地说，黄金在哪儿被发现，它就属于那个国家或地区。在这样一个国家主义的测绘环境中，研究大西洋两岸地质特征的匹配度并不是一个优先事项。
最初的大西洋两岸详细地质对比分析是由气象学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）着手进行的，他看起来不太像是个可能的人选，因为他的大部分职业生涯都在北极度过。（他在50岁时，由于在寒冷的格陵兰冰原上执行英勇的冬季营救任务而离世。）尽管他的职业生涯主要致力于研究天气的起源，但他最难忘和从事时间最长的工作与他所说的“大陆漂移”有关，这是对横向构造的一个早期但备受贬低的贡献。这种转向研究地质学的奇特灵感来自第一次世界大战期间，当时他在德国陆军担任预备役中尉。在对抗比利时的战役中，魏格纳颈部中弹，被解除了前线职务，并被允许利用康复期来学习。
魏格纳和许多之前研究类似课题的学者一样，对大西洋两岸的大陆具有明显的一致性感到震惊，尽管许多科学家认为这种匹配是巧合。魏格纳的视野更开阔，他意识到，在东非、南极洲、印度和澳大利亚的不同海岸线都可以看到类似的情况。事实上，地球上所有的大陆都可以完美地合在一起，形成一个超大陆，他称之为泛大陆（来自希腊语中的“所有陆地”）。魏格纳和一些志同道合的支持者还引用了最新发表的针对欧洲、非洲和美洲沿海地区的地质调查证据，这些专著揭示了广阔的大西洋地区惊人的相关性。当大陆合并起来时，大型的矿区，比如巴西和南非丰富的黄金和钻石储存，似乎是一个巨大的矿床。同样，一些岩石层具有独特的蕨类化石舌羊齿，以及已经灭绝的爬行动物中龙，它们也能完美地契合。他认为，如此详细的地质和古生物学关联，不可能是简单的巧合。
魏格纳的大陆漂移假说最早于1915年出版。随后出版了三版德文版，每一版都比上一版更详细，除此之外还有1924年的英译本《大陆和海洋的起源》（The Origin of the Continents and Oceans），以及许多其他版本。大量的新数据支持了大陆曾经连接在一起的观点。1917年，一个由古生物学家组成的委员会列出了十几个实例，表明不同的含化石地层在大洋两岸相匹配，他们将其解释为需要某种古老的陆桥。南非地质学家詹姆斯·杜·托伊特（James du Toit）对魏格纳的想法特别着迷，他从卡内基研究所获得了访问南美洲东部的资助。他记录了更多大洋两岸匹配的案例，例如相同的矿物、岩石和化石这样惊人的实证。
然而，尽管大陆对齐的数据不断积累，地球科学界却无动于衷。由于缺乏一种大陆尺度漂移的可信机制，许多地质学家公开批评魏格纳的推测。这些批评有牛顿运动定律的支持，这条定律规定，如果没有相应的巨大力量来推动大陆，大陆就不可能在全球漂移。在找出一种全球尺度的力量之前，大陆漂移只被视为一个地质学业余爱好者的疯狂想法。剑桥大学物理学家哈罗德·杰弗里斯（Harold Jeffreys）在1923年总结了英国学者的观点：“魏格纳提出的物理原因带有荒谬的缺陷。”美国地质学家同样不相信这个学说。芝加哥大学地质学系的罗林·T. 钱伯林（Rollin T.Chamberlin）在1926年的一次研讨会上抨击了大陆漂移之说：“魏格纳的假说基本上是一种不受限制的类型，它需要地球上拥有相当大的自由度，与大多数竞争理论相比，它更不受丑陋现实的限制或束缚。如果我们要相信魏格纳的假说，我们就必须忘记过去70年里学到的一切，从头开始。”
即便如此，一些地球科学家对魏格纳及其支持者的发现格外感兴趣，从而设想出了大陆漂移的新机制。一种思想流派认为，地球正在萎缩，可能是由于地球深部充满气体的空洞正在冷却或坍塌，因此部分地表必须逐渐向内部倾斜，就像一个破碎的拱门。在这种不堪一击的模型中，大陆曾经是一片连绵不断的广阔土地，从美洲西部海岸一直延伸到非洲和亚洲东部的海岸。今天的大西洋被视为一个巨大的陆地拱门，已经坍塌到了地幔中。基础欧几里得几何学挫败了这个不断缩小的地球模型，原因是，一个简单的拱门可以坍塌，但是把这种想法转移到一个球体上，覆盖大西洋区域的大陆不可能坍塌入任何东西。
另一拨人提出了相反的观点，他们认为地球一直在膨胀，就像一个在地质时间尺度上不断膨胀的气球。很久以前只有大陆地壳，它随着地球膨胀（由于深处不断膨胀的高温气体的产生）而破裂和分裂。事实上，如果你倒放一段想象中地球膨胀的录像带，你就能看到这样一种状态，所有的大陆整齐划一地滑动，覆盖着一个直径约为现代地球直径五分之三的球体。由于缺乏其他被广泛接受的大西洋形成机制，这一假说在20世纪20年代到60年代一直存在于地质界，直到20世纪60年代，一个不可抗拒的新想法取而代之。
隐藏的山脉
让我们快进到第二次世界大战后的年代，这是一个充满科技创新的时代，人们对科学的发展十分乐观。20世纪50年代，海洋学家利用两项解密的反潜战中的科技进展，引发了人们对动态地球的革命性发现。
声呐是一项拥有百年历史的技术，它利用声波来测量距离和方向，任何看过好莱坞潜艇电影的人都很熟悉。你听到“叮”的一声，过了一会儿又会听到一声柔和的“叮”的回音。声波从潜艇的坚固外壳上反射了回来。（对观众的影响取决于电影的视角是猎人还是猎物。）“叮……叮”“叮……叮”“叮……叮”，当潜艇被精确定位时，回声的速度会加快。紧张的音乐响起，深水炸弹被射出。
同样的技术也可以用于研究海洋深度和海底地形。即使是最深的海谷和海沟也可以用声波来探测。早在19世纪70年代，英国科学家就在“挑战者号”上使用了粗略的深海探测技术，报道了大西洋中部海底的山脉迹象，这个惊人的结果使当时的一些浪漫主义者将它与消失的亚特兰蒂斯大陆联系在一起。在1912年“泰坦尼克号”事故后，最初的回声探测技术首次被用于冰山探测。随着德国潜艇的发展，这一技术在第一次世界大战期间得到了迅速发展。20世纪20年代，声呐首次被系统地应用在绘制海底地图上，人们很快意识到，地球上所有海洋之下都隐藏着巨大的山脉。然而，这些开创性的海洋调查的地质意义很少被注意到，经济大萧条和一触即发的第二次世界大战在很大程度上遏制了海洋学研究。
板块构造图和“大陆漂移”假说，图片版权来自W. W. Norton & Company, Inc.
战后，海洋学家有了新一代高灵敏度的声呐探测器，这种探测器不仅可以绘制整个洋底的地形图，还可以探测来自更深层岩层的反射声波。大西洋洋底的一般特征很容易确定。例如，在大多数地方，当你逐渐远离大西洋的海岸线时，距离达到数百英里，大陆架会逐渐加深。这些大陆架的边缘有一个明显的特征，那就是突然下降到一个2英里深、1 000英里宽的深海平原，比陆地上任何地方都要宽阔平坦得多。海洋被绵延的山脉一分为二，这个山脉就是大西洋中脊。
所有这些都与早期的发现一致，但海洋地壳的厚度却令人大吃一惊。地质学家预测，海洋地壳随着远离海岸而逐渐变薄，海洋的根基不如陆地的深。但科学家发现事实并不是这种逐渐的转变，而是从厚到薄的明显而突然的反差。与大陆下数十英里厚的地壳岩石不同，海洋地壳只有五六英里厚，急剧的转变发生在大陆架边缘突然下降的地方。大陆和海洋之间如此狭窄的分界线与地壳均衡模型不相符。
年复一年，科学家在广阔的海洋上来回航行了无数次。每一次穿越都得到了同样的结果。海洋之下有一条两万多英里长的巨大山脉，那是地球上最大的山脉，它正好把大西洋一分为二。隐藏的大西洋中脊的顶部也具有和大陆海岸线相似的连续曲线。更重要的是，如果把大陆的边缘看作是水下向深海平原的急剧下降（而非连续变化的沙滩海岸线），那么大陆之间的匹配度就极为不可思议，仿佛一块破碎的陶瓷板整齐地重新拼合在一起。科学再也无法把海岸线的一致性仅仅视为巧合。
随着科学家完成更多的横跨大西洋航行，并对比更多的细节，新的模式出现了。大西洋中脊不是普通的山脉。在陆地上，大多数山脉沿着轴线有一条最高峰连成的线，但大西洋中脊的中心线是一条宽阔的槽，约有20英里宽，与东西两侧相邻山峰的深度差超过1英里，我们现在称这种特征为裂谷。此外，山脊及其裂谷并没有从北向南沿着一条平滑而连续的曲线延伸。相反，裂谷不断向东或向西偏移100英里，甚至更远，形成明显的转换断层，也就是地壳断裂和移位的地方，这使整个山脊看起来参差不齐，支离破碎。这是怎么回事？
这种暗示性的发现很容易被战后雪崩一般的大量科学发现所掩埋。从某种意义上说，它们只是更多的数据。但海底项目的首席研究员可不是一般的公关人员，哥伦比亚大学拉蒙特地质观测站的海洋地球物理学家布鲁斯·希森（Bruce Heezen）和玛丽·撒普（Marie Tharp）设计了一张新的、引人注目的地球表面地形图。与其他地形图一样，它们用颜色表示大陆的海拔，从绿色、黄色到棕色的梯度代表升高的海拔，表示最高的积雪山脉海拔的是白色。喜马拉雅山脉、安第斯山脉、阿尔卑斯山脉等巨大的山脉都非常突出。希森和撒普的艺术性创新是，他们以完全相同的方式突出了巨大的海底山脉，尽管用的是不同深浅和色调的蓝色，这一技术使大西洋中脊和其他深海地貌在全球尺度上脱颖而出。他们将精美的地图以大西洋为中心，以精确的方式突出了海岸线和山脊的相同形状。到了20世纪60年代，希森和撒普的地图已经成了标志性的代表。不管这种相似性的原因是什么，有某种成因关联的事实显而易见。
布鲁斯·希森的故事和他广受赞誉的贡献对我和我的职业生涯有着特殊意义，因为当我在1966年秋天来到麻省理工学院时，我惊讶地发现，即使是最资深的地质学教授也对我相当恭敬，希望和我握手。杰出的血统在科学上并非没有优势，即便是错误的同音变体。[1]
扩张的海洋
随着大西洋中脊的发现，以及在东太平洋和印度洋发现类似的地下火山脊，科学家重振精神，着力研究大陆横向运动的可能性。可以肯定的是，大陆并没有像魏格纳的学说所暗示的那样漫无目的地漂移，因此地质学家寻找了一些隐藏的力量，这些力量可以显著地重新排列地球表面。
随着一个接一个的研究出现，专家不断收集到新的数据。1956年，希森和他在拉蒙特的上级、地震学家莫里斯·尤因（Maurice Ewing）记录了大西洋中脊中央裂谷的位置与全球34 000英里长的中度洋底地震带之间的显著联系。裂谷与地震有一定的联系，所以洋脊一定有动态可变的特征。
海底岩石也让许多地质学家感到惊讶，他们曾预言大西洋中脊是一个典型的山脉，顶部覆盖着耐海的石灰岩，就像加拿大的落基山脉。但是沿着洋脊的广泛挖掘，加上对大西洋众多岛屿的观察，只让科学家发现了玄武岩，而且是相对年轻的玄武岩。结果表明，除了软沉积物的表面外，海洋地壳几乎完全由火山玄武岩构成。火山岩从东到西横跨2 500多英里，形成了海底。
更重要的是，根据放射性元素的稳定衰变率进行的仔细测定，表明这些岩石的年龄遵循一种简单模式。从大西洋中脊正中央的裂谷采集的玄武岩是新生成的，只有不到100万年的历史。从裂谷向东或向西越远，玄武岩就越古老，到大陆边缘附近的岩石已有一亿多年的历史。为什么海洋中心的岩石更年轻，而边缘的岩石要古老得多？一个合乎逻辑的结论是，大西洋中脊是一系列火山，它们喷发出新的玄武岩地壳。但是海洋盆地边缘的古老岩石又是从哪里来的呢？
关键数据，也就是板块构造的确凿证据，来自第二种反潜技术，即被称为磁力仪的技术。第二次世界大战中的潜艇是大块富含铁的合金，所以它们带有磁性。由于磁力仪的发展，寻找潜艇的飞机可以飞越海面，捕捉附近敌方潜艇异常的磁力。在这场战争之后，地球物理学家发明了新型磁力仪，大大提高了对磁场微小变化探测的灵敏度。他们改装了这些仪器，将它们拖在研究船后面，在海底上方航行。
这些仪器的目标是洋底玄武岩。这些玄武岩以磁铁矿这种铁矿物的微小晶体的形式存在，带有微弱的磁信号。众所周知，地球磁场每年都有微小的变化，也就是所谓的长期变化。当玄武岩岩浆冷却时，这些晶体像小指南针一样，在地球磁场的方向上凝固住。因此，洋底玄武岩保留了岩石硬化时地球磁场的确切方向。热门的古地磁学领域研究的就是这些被固定在玄武岩和其他岩石中的不可见的磁场。（在陆地上，由于大陆地壳的褶皱、断层和其他地质扭曲，随着时间的推移，磁信号变成了大杂烩，因而打乱了这种模式。）
从20世纪50年代初开始，海洋学家在靠近海底的地方布置了磁力仪，让它们扫过洋脊长长的横断面。他们希望古地磁测量能更好地反映海底的长期变化。但他们发现的却是一种奇怪的磁模式，它异常地规律且复杂。在大西洋和太平洋靠近中央裂谷的地方，玄武岩显示出正常的磁方向，如实地指向现代北极。但是，在裂谷以东或以西几英里处，磁信号会翻转180度，磁北极几乎与它现在的位置完全相反，而南极才应该在那里，反之亦然。再向两个方向更远的地方航行几英里，磁场就会再次翻转180度，指向正确的方向。在任何给定的横断面上，凝固在岩石中的磁场都被观察到一次又一次地翻转，重复了几十次。
其他额外的分析揭示了三个关键事实。第一，具有反向磁场的岩石形成了狭长的南北走向带，它与大西洋和太平洋的洋脊完全平行。而在中央裂谷破裂的地方，也就是被转换断层偏移的地方，磁力带也发生了偏移。第二，这些磁条的图案沿洋脊的轴对称：从中心向东或向西航行，出现了完全相同的正向和反向条纹序列，有的宽一些，有的窄一些。第三，来自世界各地洋脊系统的玄武岩放射性年龄测定证实，每一次反转都是在一个狭窄且精确界定的年代内同时发生的。因此，磁反转可以作为一种海底的时间线。
大洋中脊
如果这令人难以理解，那么说两个逻辑上的结论。首先，地球磁场的变化很大，它平均每50万年就会翻转180度，而且至少在过去的1.5亿年间一直是这样。我们对这种磁场变化的原因已经有了一些详细了解。我们的星球是一个巨大的电磁铁，它的磁场来自地球的对流液体外核中涡旋的电流。这种对流是热量驱动的，内核边界的高密度的炽热液体会膨胀和上升，而从上方下沉的更冷、密度更高的液体则取而代之。地球物理学家利用复杂的计算机模型证明，地球自转给对流增加了更为复杂和混乱的扭曲，导致磁场每50万年左右发生一次翻转。地球的自转也迫使磁极大部分时间与稳定的自转轴对齐，但在地核不稳定的时期，磁场可能会在一个世纪或更短的时间里，大范围地漂移和翻转。
第二个结论是，洋中脊每年以一英寸或更快的速度产生新的玄武岩地壳。随着新的熔岩取代原来玄武岩的位置，较古老的玄武岩会从洋脊向东和向西移动。因此，洋脊系统是巨大的双向传送带，不断喷涌形成新的海底。大西洋中脊产生的新玄武岩正在使大西洋扩张，每年大概会扩大2英寸，平均每3万年形成1英里的新海底。把磁带倒放回1.5亿年前，大西洋并不存在。在那个时间之前，正如阿尔弗雷德·魏格纳提出的那样，美洲一定是跟欧洲和非洲连上的。
1961年，《美国地质学会学报》（Geological Society of America Bulletin）发表了这一非凡发现的最具影响力的报告之一。英国地球物理学家罗纳德·梅森（Ronald Mason）和美国加利福尼亚州斯克里普斯海洋学研究所的电子专家阿瑟·拉夫（Arthur Raff）合作了近十年，对北美洲西海岸的洋底进行了彻底的磁力调查。他们这篇报告的核心是一幅胡安德富卡海岭详细的磁力图，这个海岭在太平洋海底十分突出，从俄勒冈州、华盛顿州和不列颠哥伦比亚省的港口出发，只需不到一天的航程就能到达。
梅森和拉夫不加修饰的黑白地图上有数十条南北走向的条纹，分别代表着正常和倒转的磁场。在海洋地壳的巨大区块中，一致性普遍存在，每一块都有数百英里宽，每一块都有一个沿中央裂谷对称的条纹图案。但在相邻的区块之间，图案被转换断层线破坏并产生偏移，就像立体派绘画那样歪斜。对其中一条断层即门多西诺断裂带的偏移分析表明，该断裂带的横向位移多达700英里。巨大的内部过程一定在地壳的破裂中起了作用。
随着从全球各地的洋脊系统中找到越来越多类似的证据，地质学家、地球物理学家和海洋学家开始在一项全新的综合研究中相互交流。海底地形、地震学、磁学和岩石年龄的相关性都指向了同一个结论。世界各地的洋脊系统正在形成新的海洋地壳，而洋脊系统也是火山活动的动态区域。海底扩张的速率被记录在磁条的对称图案和玄武岩的年龄中。
一篇篇有影响力的论文转变了地质学群体思维定式，到20世纪60年代中期，几乎所有人都相信了曾经的异端邪说：大陆在移动。一亿多年来，大西洋每年都在变宽。
消失的地壳
板块构造革命的早期是一个发现迭出、范式不断变化和同样令人困惑的新问题涌现的时代。一个无法回答的问题从其他问题中脱颖而出：如何在大西洋、太平洋和印度洋三万多英里的洋中脊上，每三万年增加一英里宽的新玄武岩地壳？哪里有空间容纳所有这些新的地壳？除非地球变得越来越大，否则古老的地壳一定得到某个地方去。在20世纪50年代和60年代初很短的一段时间内，包括布鲁斯·希森在内的一小群地质学家确实拥护了这个站不住脚的地球膨胀的设想。
地震学家找到了解决方法。在20世纪60年代的冷战环境下，核武器成了地震学的核心焦点（和主要资金来源）。1962年古巴导弹危机后，美国和苏联达成了《部分禁止核试验条约》，将核武器试验限制在地下引爆。检验该条约依赖于使用大量（且昂贵）的振动敏感仪器阵列进行连续的地震监测，这些仪器布置在地球的偏远地区。由此产生的世界范围标准地震台网（WWSSN）将120个台站与科罗拉多州戈尔登中央计算机处理中心相连，这里是美国地质调查局一个分支机构的所在。我们有史以来第一次能够精确定位地球上任何地方发生的小地震（和大爆炸）的确切位置、深度、震级和运动。
这给地球科学带来的好处是巨大的。有了新的工具，地球物理学家可以检测到之前无法探测到的数千次地球运动，从而记录下之前未被识别的地震的全球模式。他们发现，地球上几乎所有突发的地壳运动，都是沿着狭窄而剧烈的地震活动线发生的，比如洋中脊。其他许多地震发生在大陆边缘附近的火山链周围，例如著名的环太平洋火山带。这些太平洋边缘容易发生激烈活动的地区，包括菲律宾、日本、阿拉斯加、智利和其他危险地区，形成了一种普遍的模式。
人们早就知道，相对较浅（来自几英里或更浅的深度）的地震起源于洋底海沟附近的近海地区，而更深（一些起源于100英里以下）的地震则发生在离海岸更远的内陆地区。已知最深的地震通常发生在危险的火山链下，比如华盛顿州圣海伦斯火山和雷尼尔山，这些火山通常位于深入内陆的地方。
20世纪60年代末，WWSSN的新数据厘清了深海海沟、地震和火山之间关系的细节。地震深度从海沟向内陆增加的独特模式描绘了一幅画面，巨大的海洋地壳板块沿着被称为俯冲带的区域向下俯冲到大陆下的地幔中。古老的玄武岩地壳比高温的地幔要冷得多，密度也更大，它直接被地球吞没了。由于俯冲玄武岩的阻碍，相邻的地壳弯曲，形成了深海海沟。洋脊每形成一平方英里的新地壳，就有一平方英里的旧地壳在俯冲带消失。新旧恰好平衡。
面纱仿佛被揭开了，板块构造的新科学受到了极大关注。洋脊和俯冲带界定了十几个漂移板块的边界，每一个板块都很冷（相比较深的地幔来说），每一个也都很脆（因此会受到地震破裂的影响），它们只有几十英里厚，但有数百到数千英里宽。这些坚硬的板块只是在更热、更软的地幔岩石上滑动着。环太平洋火山带界定了一个巨大的板块，南极洲及其周围海域则界定了另一个。北美洲和南美洲板块从大西洋中脊一直向西延伸到美洲的太平洋海岸，欧亚板块则从大西洋中脊向东延伸到东亚太平洋海岸。非洲板块西起大西洋中脊，东至印度洋中脊，展现了地球动态表面迷人的一面：非洲大陆开始分裂，形成一个新的裂谷，以一连串的湖泊和活火山为标志，还有高海拔地区，那里盛产世界上跑得最快的长跑运动员。总有一天，非洲会变成两个板块，中间会被一个新的扩张的海洋隔开。
随着洋脊产生新的板块，俯冲带吞没了旧的板块，欧几里得几何学再次让情况变得复杂：地球是一个球体。球体上板块生长和俯冲的几何学要求一些板块沿着锯齿状的转换断层线相互摩擦，因此梅森和拉夫绘制的著名的胡安德富卡海岭磁图中出现了偏移带。暴力的圣安德烈亚斯断层是另一条这样的缝合线，它引发了加利福尼亚州许多令人难以忘记的地震。随着巨大的北美板块相对于巨大的太平洋板块向东南方向移动，沿着断层每天都会堆积更多的压力。每一天，这些不可阻挡的板块运动都会使洛杉矶和旧金山的居民更靠近下一个“大板块”。
简单的板块构造几何学就是如此。是什么巨大的力量能够为板块运动提供动力？是什么能够导致整个大陆在数亿年内发生移动、刮擦和碰撞？答案就在于地球内部的热量。地球是热的，太空是冷的。热力学第二定律是宇宙中一个广泛覆盖的核心概念，它指出，热量总是从较热的物体流向较冷的物体，热量一定会逐渐分散，必须设法找到平衡。
回忆一下促进热能传递的三种常见机制。每一个热物体都以红外辐射的形式将其热量传递给周围环境。当流体块在较热和较冷的区域之间流动时，热量也会通过直接接触或传导或对流的方式转移，尽管效率要低得多。地球必须遵守热力学第二定律。但热量如何才能有效地从高温的地核转移到冷却的地壳呢？岩石和岩浆阻碍了红外辐射，而缓慢的传导也没有那么有效。因此，类似太妃糖的软化的热地幔岩的对流作用是关键。
地球表面的岩石是坚硬、易碎的材料，但在过热的“高压锅”（也就是地幔）的深处，岩石像黄油一样被软化。千百万年来，在地球深部的压力环境下，岩石变形、渗出并流动。温度高、浮力大的岩石逐渐向地表上升，而温度低、密度大的岩石则沉入深处。每个巨大的对流单元都有数千英里宽，数百英里深，在我们看不见的地方，在一个壮观的循环中翻滚搅动着地幔。这些全球洗牌的时间周期同样令人惊叹，对流单元的一次循环可能需要一亿年甚至更长的时间才能完成。
起初，也许在超过10亿年的时间里，地球均匀的玄武岩地壳下的地幔对流一定是混乱流转的大杂烩。在这里和那里，密度较低的花岗岩的较热的熔体以杂乱无章的岩浆和热流柱的形式朝着地表上升，并在地表附近汇聚，扰乱了温度较低、密度较大的玄武岩。在全球范围的热交换中，孤立、致密、较冷的地壳块缓慢沉入了内部。
在接下来的5亿年里，地幔搅动变得更有组织。数十个较小的对流单元，每一个都有上升的热流柱、岩浆层，以及下降的地壳块，合并成几个巨大的循环，每一个都有数百英里深，数千英里宽。在越来越受板块构造的革命性新过程支配的地球上，新的热玄武岩地壳形成于对流单元沿着不断增长的洋脊上升的地方，而旧冷玄武岩地壳则以一种陡峭的角度冲入地幔，形成俯冲带。在横截面上，地球翻滚的外层可能看起来像是一个侧向的旋涡的集合，每个涡流会持续1亿年或更长的时间。
就像现在一样，地球不断演化的表面反映了发生在地球内部的漫长过程。玄武岩火山的巨大洋脊在对流区上升的岩浆之上生长。又深又长的海沟形成于古老的俯冲地壳向下插入地幔、使相邻的洋底弯曲的地方。俯冲也加速了最重要的花岗岩的产生。当寒冷、潮湿、俯冲的玄武岩地壳陷得越来越深，被地球吞没时，它开始升温并熔化，虽然不是完全熔化，可能只熔化20%或30%。越来越多的花岗岩岩浆上升到地表，形成数百英里长的灰色火山岛链。构建大陆的舞台已经准备好了。
循环
花岗岩漂浮，玄武岩下沉，这是大陆起源的关键。花岗岩成分的岩浆比玄武岩成分的密度小得多，因此这些新的熔体缓慢且不可避免地上升，结晶成为近地表岩体，或者从火山中喷发出来，将一层层的碎渣和灰烬喷发到地表。在数十亿年的地球历史中，无数的花岗岩岛屿都是由这种连续的过程形成的。
板块构造不仅产生了这些以花岗岩为根基的岛链，还将它们组合成大陆。其中的关键在于一个简单事实，就是花岗岩无法俯冲而下。密度更大的玄武岩很容易沉入地幔，但花岗岩就像一个漂浮的软木塞，一旦形成，它就会留在表面。随着俯冲作用产生更多岛屿，花岗岩的总面积不停地增加。
想象一个俯冲的海洋地壳板块，上面点缀着永不沉没的花岗岩岛屿。玄武岩俯冲，但岛屿不会俯冲。它们必定会留在地表，在俯冲带上方形成条状陆地。经过了数千万年时间，越来越多的花岗岩岛聚集起来，形成越来越宽的陆地，新的花岗岩熔体从俯冲洋壳中上升，不断加厚和扩大日益增长的大陆。岛屿生长，形成原始大陆，继而生长形成现在的大陆，就像我们太阳系的球粒陨石曾经通过吸积形成星子，而星子又形成行星一样。
板块构造的宏大循环改变了我们的世界。地球又薄、又冷、又脆的表面裂开并移动，就像一锅沸腾的汤上的浮渣。新的玄武岩地壳从火山洋脊喷涌而出，揭示了深层对流单元上升的地方。古老的地壳被俯冲带吞没，揭示了对流单元下降的地方。地球最暴力的地表破坏包括最强烈的地震、最剧烈的火山活动，它们和整个地球上能量更强大的深层运动相比，不过是细微而偶然的暂时现象。
板块构造也给地球科学带来了革命性的变化。在之前的黑暗垂直构造时代，每一个地质学科都是独立的，似乎彼此无甚关联。在这场革命前，古生物学家无须与海洋学家交谈，火山的研究与矿石地质学的关系不大，地球物理学家不关心生命的起源和演化，一个国家的岩石与另一个国家的岩石没有明显的相关性，更不用说遥远的洋底岩石了。
板块构造统一了地球的一切。现在，稀有化石有机体的位置可以在广阔的海洋两岸精确对应起来。死火山地形使矿工们找到了隐藏在相应俯冲带中的珍贵矿床，这些矿床早就凝固成了大陆岩石。漂移大陆的地球物理研究表明了它对动植物进化的关键影响。板块构造揭示了地球是一个完整的行星系统，从地壳到地核，从纳米尺度到全球尺度，它在空间和时间上具有单一的统一原理。
江西省三清山的花岗岩微地貌展示了世界上已知花岗岩地貌中分布最密集、形态最多样的峰林（图源：Dcpeets / CC BY-SA 4.0）
