在大洋下面的玄武岩上面覆盖着一层厚约0.4~0.8公里的沉积岩，但几乎没有或完全没有花岗岩，例如，太平洋洋盆就完全没有花岗岩。大洋下面的地壳薄，这使人们设想出一个惹人注目的计划：为什么不可以钻一个穿过地壳直达莫霍不连续面的孔，将地幔物质取出，看看地幔到底是由什么东西组成的呢？这决不是一件容易的事，因为这意味着，首先要在大洋很深部位的水面上停泊一条船，再把钻杆放进几公里深的海水里，然后钻透从来没有人钻过的非常厚的岩石。对这个计划的早期热情已经消失，现在这件事已被搁置一旁了。
花岗岩“漂浮”在玄武岩上，这种现象使人们联想到大陆漂移的可能性。1912年，德国地质学家魏格纳提出，所有大陆最初都是一整块花岗岩，他称之为“联合古陆”（意为“整个地球”）。在地球历史的某个早期阶段，这块花岗岩破裂，各大陆才漂移开去。他论证说，各大陆仍在漂移中，例如，格陵兰正以每年0.914米的速度远离欧洲。南美洲东海岸的形状和非洲西海岸的形状看上去像玩具拼板一样相符，主要是这个事实使魏格纳（还有其他科学家，如早在1620年的F.培根）产生了这种想法。
在半个世纪里，魏格纳的理论一直受到冷遇。直到1960年，当本书的第1版出版时，根据当时地球物理学家的普遍意见，我仍认为全然否定这一理论是合理的。反对这一理论的最有说服力的论据是，不论是大洋还是大陆下面的玄武岩都太坚硬了，根本不容许大陆花岗岩从它那里漂移过去，即使花岗岩漂移几百万年也漂移不过去。
然而，支持这一理论的证据给人的印象越来越深刻。这个证据就是，大西洋过去并不存在，而被大西洋分开的大陆曾经是一个整体。如果不是以它们实际的海岸线（现代海平面的偶然情况）而是以大陆坡的中心点（与海平面低的时期出露的大陆相毗连的浅的洋底）把两岸的大陆拼合起来的话，那么，整个大西洋沿岸，不论是北部还是南部，都能完美地拼在一起。其次，非洲西部一些地方的岩系与南美洲东部一些地方的岩系也完全相符。还有，如果认为是大陆而不是磁极在漂移的话，人们就不会对过去磁极的漂移感到那么惊讶了。
联合古陆及其分裂不只是有地理上的证据。生物方面的证据更为有力。例如，1968年，人们在南极洲发现了一种已经灭绝的两栖动物的一块长6.4厘米的骨化石。这种两栖动物根本不可能在离南极那么近的地方栖居过，因此，南极洲一定曾经位于离南极较远的地方，至少气温应该暖和一些。这种两栖动物连一条狭小的咸水沟也游不过去，由此可以推断，南极洲一定曾经是二个具有温暖区域的更大的陆块的一部分。总的说来（我将在第十六章 中再谈），这块骨化石提供的证据与联合古陆曾一度存在后来分裂的说法非常吻合。
在这里着重讲一讲地质学家反对魏格纳的论据是很重要的。在科学边缘区域拼命工作的人，由于专心于新的研究（在某些时候和某些情况下的确是这样，但从未达到所声称的“边缘”理论的程度），往往以科学家们经常持有的那种固执己见的态度为他们的没有把握的理论进行辩护。他们经常以魏格纳和他的大陆漂移理论为例，但是在这一点上他们错了。
地质学家并不反对联合古陆及其分裂的观念。实际上，为了说明地球上生物的分布方式，人们提出了各种更为激进的建议，这些建议被认为是有希望的。他们所反对的是魏格纳提出的具体机制——巨大的花岗岩断块从玄武岩“海洋”上漂移过去的观点。反对这一观点是有严谨理由的，这些理由即使在今天仍然成立。大陆不是在玄武岩上漂移的。
然而，必须有另外一种机制来说明地理和生物所表示的大陆位置变化——一种更有说服力而且有证据的机制。我将在本章的后面讨论这种证据，但是大约在1960年，美国地质学家H.H.赫斯根据一些新的发现提出一个合理的设想，他认为，熔融的地幔物质可能会涌上来——例如沿着大西洋洋底的某些断层缝涌上来——而在地幔顶部附近被推向一旁，冷却和硬化。洋底就这样被拉开和伸展。因此，不是大陆漂移，而是这些大陆被扩张的海底所推开。
现在看来联合古陆似乎确实存在过，而且在2.25亿年前，在恐龙开始繁盛的时代，似乎还是完整的。根据动、植物的演化和分布情况来判断，联合古陆是在大约2亿年前才开始明显分裂的。联合古陆当时分裂成三部分：北部（北美洲、欧洲和亚洲）称为劳亚古陆；南部（南美洲、非洲和印度）称为冈瓦纳古陆（冈瓦纳一名取自印度一个地区的名称）；南极洲和大洋洲组成第三部 分。
大约6500万年前，当时恐龙已经灭绝，哺乳动物正统治地球，在西部南美洲与非洲分离，在东部印度与非洲分离后移向南亚。最后，北美洲与欧洲分开，印度板块与亚洲板块相撞（在交接线上形成喜马拉雅山脉），大洋洲则离开了南极洲，于是形成了我们现在所看到的大陆分布情况（有关大陆的变化情况，见图4-4）。
图4-4 地质时代
月球的起源
早在1879年，英国天文学家G.H.达尔文（进化论的创立者C.R.达尔文的儿子）就对地球在各个地质时代可能发生的变化提出了一个更加令人惊讶的设想，他认为，月球是早期从地球上分离出去的，太平洋就是那次分离留下的痕迹。
这是一个颇为吸引人的想法，因为月球仅占地球和月球总质量的1%多一点，而且直径很小，完全可以放进太平洋中。如果月球是由地球的外层物质组成的话，那么，月球没有铁核、密度比地球低得多以及太平洋洋底没有大陆花岗岩等问题就都可以得到解释了。
然而，根据各种理由来看，月球从地球分离出去的可能性似乎不可能存在；天文学家和地质学家今天几乎都不认为过去发生过这样的事。尽管如此，月球在过去似乎确实比今天更接近地球一些。
不论在海洋中还是在固体地壳内，月球的引力都会引起潮汐。因为地球的自转，海水掠过浅海区；随着潮汐的升降，各个岩层也一同经受摩擦。这种摩擦代表地球的自转能量被缓慢地转换成热能，因此地球的自转周期逐渐增加。这对人类来说影响并不大，因为大约要62500年一天才增加1秒钟。虽然地球失去自转能，但角动量必须守恒。因此，地球失去的能量被月球获得。于是，月球在绕地球公转中速度增加，这意味着月球非常缓慢地向远方漂移。
如果我们能回到遥远的地质时代的话，我们会发现地球的自转一定很快，一天的时间明显地变短，月球明显地靠近，整个效应都随之加快。G.H.达尔文曾往回推算，想求出月球与地球靠近到能形成一体的时刻；尽管我们并不想推算那么远，但是我们应该找出过去一天的时间比现在短的证据。例如，大约5.7亿年前——最古老的化石时代——一天可能只有20小时多一点，而一年可能有428天。
现在这已经不是一个单纯的理论问题了。某些珊瑚产生碳酸钙带在一些季节比另一些季节活跃，因此人们可以像数树干上的年轮一样来数珊瑚的年带。还有人提出，有些珊瑚产生碳酸钙带在白天比夜间活跃，因此有非常细的日带。1963年，美国古生物学家J.W.韦尔斯数了数化石珊瑚上的微细日带，他报告说，4亿年前的珊瑚中平均每条年带有400条日带，而在3.2亿年前的珊瑚中每条年带只有380条日带。
当然，现在的问题是，如果当时月球离地球比现在近得多，而且地球也比现在自转得快，那么在更早的时期情况又是怎样的呢？如果不是G.H.达尔文理论中所说的地球和月球分离的情形，那又会是一种什么样的情形呢？
一种设想是，月球在过去的某个时期被地球俘获过。例如，如果它是在6亿年前被俘获的话，那么，就可以说明为什么我们能够在岩石中找到无数个可以追溯到那个时期的化石，而更早时期的岩石只含有不能确定的痕量的碳。或许在月球被俘获时伴随的巨大潮汐把这些更早期的岩石冲刷干净了（当时还没有陆地生物，如果有的话，也会被毁灭）。如果月球被地球俘获过，那么，月球当时离地球会比现在近，而且从那时起，会有一个月球后退和天变长的过程，但是以前并没有这类事情发生。
另一种设想是，月球是由相同的积聚在一起的尘埃云在地球附近形成的，从那时起一直在后退，但从来没有真正成为地球的一部分。
20世纪70年代，许多人乐观地认为，对宇航员从月球带回的月岩进行研究和分析，可能会使问题得到解决，然而并非如此。例如，月球表面覆盖的玻璃碎片，在地球表面从未发现。月壳完全没有水，而且在比较低的温度下能熔化的物质很少，比地球上还少。这表明月球可能有一个时期一直处在高温之下。
于是，有人假设，月球在形成时期曾经有一个非常扁的轨道，远日点约在目前到太阳的距离，近日点则在水星轨道附近。它可能这样运行了几十亿年，然后月球、地球以及可能还有金星的位置配合起来，结果月球被地球俘获。月球放弃了其小行星的位置，成为一颗卫星，但月球表面仍有其早期类似水星近日点的痕迹。另一方面，玻璃可能是陨星撞击月球时所产生的局部热形成的，陨星撞击使月球上出现了许多月坑。或者，月球从地球上分裂出去时，由这一激烈事件所产生的热形成了玻璃，这种情况是不大可能的。
实际上，关于月球起源的所有设想似乎都是不可能的；而且科学家们抱怨说，如果仔细考虑月球起源的证据的话，那么，惟一可能的结论只能是，月球根本不该出现在那里。但是，这个结论正好说明他们应该继续搜寻另外的证据。这个问题的答案一定会找到。
液态地球
地球由两个主要部分组成——硅酸盐地幔和镍-铁地核（组成比例与鸡蛋的蛋白和蛋黄的比例大致相同）——这一事实使大多数地质学家认为，地球在其早期历史中必定有一个时期为液态。那时地球可能是由两种不互溶的液体组成的。因为液态硅酸盐比较轻，所以浮在顶层，将热散发到空间，从而冷却。下面的液态铁不直接暴露于空间，所以放热慢得多，故至今仍为液态。
甚至从完全冷的以微星聚合体的形式出现的时期开始，地球就至少存在着三种途径可以热到足以熔化的程度。首先，这些微星体在碰撞和聚合时，以热的形式放出其动能。其次，地球在成长过程中被引力压缩，更多的能量仍以热的方式释放出来。第三，地球的放射性物质——铀、钍和钾——在其衰变过程中也会放出大量的热；在早期阶段，地球上的放射性物质比现在多得多，放射性释放出来的热足以使地球变成液态。
但是，并不是所有科学家都愿意接受必定有一个液态阶段的说法。特别是美国化学家尤里，他坚持认为，地球大部分一直是固体。他论证说，在主要是固体的地球内，铁的缓慢分离仍然可以形成铁核；即使现在，铁可能仍以每秒50000吨的速率从地幔向地核迁移。
海洋
地球与太阳系中其他行星的不同之处在于，它的表面温度可以让水以三种形态存在：液态、固态和气态。距离太阳比地球更远的一些星球，如木卫三和木卫四，主要是冰。木卫二的整个表面都被冰川所覆盖，而冰下可能有液态水，但其他所有外星球的表面上可能只有微不足道的水蒸气。
据我们所知，地球是太阳系中惟一有许多海洋的星体。这些海洋汇聚了极大量的水，其上便是大气圈。实际上，我应该说地球上只有一个大洋，因为太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋和南冰洋共同组成了一个相互连接的咸水体，而欧洲、亚洲和非洲大陆、美洲大陆以及一些较小的大陆如南极洲和大洋洲，都可以看成是其中的岛屿。
这个大洋的统计数字相当惊人。它的总面积是3.63亿平方公里，占地球表面面积的71%。它的体积，按平均深度3.75公里计算，约为13.58亿立方公里。它所含的H2O占地球总含量的97.2%；它也是地球上淡水供应的源泉，因为每年有33万立方公里的海水被蒸发后变成雨或雪降落下来。这种降水作用的结果，使大陆的地表下面有大约83万立方公里的淡水，还有大约12.5万立方公里的淡水露天积存在湖、河中。
从另一个角度来看，海洋并不那么惊人。它虽然很大，却仅占地球总质量的1/4000强一点。如果我们把地球设想成台球一样大小的话，那么海洋只不过是球面上一层不引人注目的水膜罢了。如果你能一直下到海洋的最深处，那么，你所走的这段路程仅仅是到地心的距离的1/580，但剩下的那段距离首先是岩石，接着是金属。
然而，这一层不引人注目的水膜对我们来说却意义重大。最初的生物就是从这里发源的；而且，从单纯的数量角度来说，地球上的生物大部分也是生活在海洋。在陆地上，生物局限于距离地表几米的范围内（只有鸟类和飞机可以暂时离开地面）；在海洋中，生物可以长久地占据深达11公里的领域，有些地方可能更深一些。
可是，直到近些年来，人们一直不知道海洋的深度，特别是对洋底一无所知，好像海洋是在金星上似的。
海流
现代海洋学的创始人莫里原是美国海军军官。在30多岁时，他在一次事故中瘸了腿。这对他来说是不幸的，但却给人类带来了福利。他在残废后被任命主管海图及仪器库（无疑是一个闲职），于是，他便全心投入了绘制海流图的工作。他详细研究了墨西哥湾水流的流程，早在1769年美国学者B.富兰克林就研究过这个水流。莫里描述这个水流时说：“这是海洋中的一条河。”这句话已经成为海洋学中的一句名言。它确实是一条比陆地上任何河流都大得多的河。它每秒钟的流量是密西西比河的1000倍。这个水流起点宽80公里，深约0.8公里，流速每小时6.4公里。它的加温作用远达北部的斯匹次卑尔根群岛。
他还提倡海洋研究方面的国际合作；在他的积极推动下，1853年在布鲁塞尔召开了具有历史意义的第一届国际海洋会议。1855年，他出版了第一本海洋学教科书，书名为《海洋自然地理》。在他死后，美国安纳波利斯海军学院建立了“莫里纪念堂”，以表彰他所取得的成就。
从莫里那个时期以来，人们对海流进行了全面制图。由于科里奥利效应，在北半球的海洋中，海流是按顺时针方向流动的强大环流；在南半球的海洋中，则是按逆时针方向流动的强大环流。墨西哥湾水流只是北大西洋顺时针方向环流的西部支流。在纽芬兰以南，它流向正东，横过大西洋（北大西洋漂流）。墨西哥湾水流的一部分转向欧洲海岸，绕过不列颠群岛，到达挪威海岸；其他部分则转向南，沿着非洲的西北海岸流动。这最后一个部分沿着加那利群岛流动，被称之为加那利海流。非洲海岸的形状加上科里奥利效应，使海流向西横越大西洋（北赤道海流），最后流入加勒比海，环流又重新开始。
一个较大的逆时针方向的环流沿着赤道以南的太平洋边缘流动。这个紧靠大陆的海流从南极向北，流到南美洲的西海岸，远至秘鲁。环流的这一部分叫秘鲁寒流或洪堡海流（为了纪念德国博物学家洪堡而命名，大约在1810年他第一个描述了这股海流）。
秘鲁海岸的形状与科里奥利效应相结合，使这股海流向西横越赤道正南的太平洋（南赤道海流）。这股海流的一部分穿过印度尼西亚群岛的水域进入印度洋。其余的部分向南流经大洋洲的东海岸，然后再次东流。
这些环流有助于平衡海洋的温度，也有助于间接地调节海岸的温度。虽然温度的分布仍不均匀，但比没有海流要好多了。
大部分海流流动缓慢，甚至比墨西哥湾水流还慢。虽然流速缓慢，但涉及海洋的面积很大，使海洋中大量的水发生流动。从纽约市以外北去的墨西哥湾水流沿着固定的路线流动，其流量大约是每秒4500万吨。
在极区也有水流。北半球的顺时针海流和南半球的逆时针海流都使水在环流的极地边缘从西向东流动。
南美洲、非洲和大洋洲大陆的南面，有一股海流绕过南极洲大陆，从西向东横越连绵不断的海洋（地球上只有南极洲一个地方海水从西向东漂流而不会遇到陆地）。这个南极的西风漂流（亦称南极绕极流）是地球上最大的海流，每秒钟流经任一给定路线的流量接近1亿吨。
北极区的西风漂流被陆块所阻挡，因此形成北太平洋漂流和北大西洋漂流。北大西洋漂流在格陵兰西海岸转向南去，这股冰冷的极地水流经加拿大东部的拉布拉多半岛和纽芬兰岛，因此那一部分海流叫做拉布拉多海流。拉布拉多海流在纽芬兰岛以南与墨西哥湾水流相遇，使这一地区经常有雾和风暴。
大西洋西岸和东岸形成鲜明的对照。西岸的拉布拉多半岛，受拉布拉多海流的影响，一片荒凉，总人口为25000人。在东岸，正好在同样的纬度上，是不列颠群岛，由于受墨西哥湾水流的影响，人口为5500万人。
直接沿着赤道流动的一股海流不受科里奥利效应的影响，可以沿着直线流动。这样一股又细又直的海流处在太平洋中，它沿着赤道向正东流动几千公里。这股海流是由美国海洋学家克伦威尔发现的，因此称为克伦威尔潜流。1961年，美国海洋学家沃勒斯在大西洋发现了一条类似的海流，只是流速稍慢。
循环并不仅仅限于表层海流。一些间接的证据可以清楚地说明，海洋深层不可能保持平静不动。一方面，海洋表层的生物不断地消耗海洋中的矿物养料——磷酸盐和硝酸盐，而死亡后同这些物质一起沉入深部；如果没有环流把这些物质再带上来，海洋表层就会缺乏这些矿物质。另一方面，如果没有环流传送的话，那么靠从空气中吸收并供给海洋的氧，就不会以足够的速率下渗到海洋深处，以维持深部生物的需要。实际上，人们发现即使在深海的底部氧的浓度也够用。只有假设海洋中有些区域富含氧的表层水不断下沉，才能解释这种情况。
驱使海水这样垂直环流的动力是温差。在极区，海洋表层的水变冷而下沉，这股不断下沉的水流会沿着整个海底扩展开去，因此，即使在热带地区，海底的水也是非常冷的——接近冰点。最后，这种深部冷水无处可流，只好涌向表层。在上升到表层以后，冷水逐渐变暖并流向北极和南极，于是再度下沉。据估计，如果在大西洋中加入某种新的成分，由此形成的环流在大约1000年内就会使大西洋全部混合。太平洋比较大，若要全部混合的话，大概需要2000年。
南极远比北极更能提供冷水。南极洲的冰冠是北极所有的冰（包括格陵兰冰冠在内）的10倍。融冰使南极洲周围的水变得冰冷，在表层向北延伸，直到与从热带区域南下的暖流相遇。来自南极洲的冷水的密度大于来自热带的暖水，因此在到达南极辐合线时便沉到暖水的下面，南极辐合线在一些地方向北延伸到南纬40度。
南极的冷水带着氧和养料扩展到整个洋底（氧同所有的气体一样，在冷水中比在暖水中容易溶解，溶解的量也比较大）。南极洲（世界的“冰箱”）就这样为海洋提供养料并控制全球的气候。
大陆的阻隔使这种总体情况变复杂了。为了跟踪实际的环流，海洋学家便用氧作示踪剂。因为富含氧的极地水下沉并扩展，所以携带的氧被利用氧的有机质逐渐消耗。因此，通过在不同的地方从深水中提取氧浓度样品，人们就可以找出深海海流的方向。
这样绘制的海流图表明，有一股主要的海流从北冰洋出发在墨西哥湾水流的下面并以相反的方向向南流入大西洋，另一股海流从南极出发向北流入南大西洋。太平洋没有直接来自北冰洋的海流可言，因为从北冰洋到太平洋的惟一出口就是窄而浅的白令海峡。因此，它是深海海流路线的终点。北太平洋的深水区域缺氧，这个事实说明北太平洋是全球海流的终点。因为缺氧，这个最大的海洋的大部分区域生物稀少，宛如陆地上的沙漠区。如地中海那样的内海的情形可以说也与此相同，因为氧和养料的完全循环也被部分地阻塞了。
1957年，英美联合海洋考察队对深海海流的这种情况取得了更直接的证据。考察者使用了英国海洋学家斯沃洛发明的一种特殊浮标，这种浮标能保持在1.6公里以上深度的水层中，浮标上装有一个能发送短声波的装置。这样，当浮标随着深海海流移动时，我们就可以通过这些信号追踪它。考察队就是这样沿大西洋的西边南下跟着深海海流进入了大西洋。
海洋资源
世界人口日益膨胀，当他们向海洋索取更多的食物时，所有有关这方面的资料将具有重要的实用价值。正如种地需要掌握河流、地下水和降雨量的资料一样，科学的“海洋种田”也需要了解这些能够提供养料的海流。如果能进行精心有效的管理的话，据估计，现在每年海味的捕获量能够增加到2亿多吨（1980年大约是8000万吨），同时仍给海中生物留有维持它们生存的充分余地。（当然，前提是目前对海洋的肆意损害和污染不再继续下去，特别是对最靠近大陆海岸的那部分海洋，因为那部分海洋含有供人类食用的大部分海中生物。到目前为止，我们不仅没有提出一个更有效地利用海洋获取食物的合理方法，反而在降低达到目前捕获量的能力。）
食物并不是海洋的惟一重要资源。海水中几乎溶有各种元素，而且数量巨大。例如，海洋中含铀多达40亿吨，银3亿吨，金400万吨，但因稀释度太大，无法实际提取。不过，现在人们已经能够从海水中大量地提取镁和溴了。此外，碘的一个重要来源是干海草。活着的海草能把碘从海水里浓缩出来，目前人类要从海水中提取同样浓度的碘尚无利可图。
从海中还可以挖掘出大量的普通物质。从靠近美国的浅海中，每年挖出大约2000万吨的牡砺壳，作为石灰岩的一个重要来源。另外，以同样的方式每年大约取出3820万立方米的砂砾。
在洋底的较深部位散布着各种金属结核。这些金属结核是以砾石或鲨鱼牙齿等东西为核心沉积而成的。（海洋中有类似情况，如在牡砺体内以沙粒为核心形成珍珠）。这些金属结核含锰量最高，所以通常称做锰结核。据估计，在太平洋洋底每平方公里有这些结核12000吨。要大量获取锰结核是非常困难的，而且在当前条件下单为获得锰而去开采是不值得的。但是，这些结核中含有1%的镍、0.5%的铜和0.5%的钴。这些次要成分使这些结核的吸引力大为增强。
除了被溶解的物质外，海洋中97%（实际上都是水）的情况又如何呢？
美国每人每年大约使用2700立方米的水，作为饮食、洗涤、农业和工业用水，大多数国家用水比美国节省；但就世界总的情况而言，每人每年的用水量平均为1500立方米。但是，所有这些用水都必须是淡水。至于海水不能作这些用途。
当然，从绝对意义上来说，地球上有大量的淡水。淡水虽然只占地球总水量的约3%，但仍然每人大约平均拥有淡水1000万立方米。然而，这些水有3/4无法利用，被覆盖地表10%的面积的永冻冰冠储藏起来了。
因此，地球上液态淡水每人大约拥有240万立方米，而通过降雨经常得到补充的水平均每人为11万立方米。我们可能会说，世界每年的降雨量是人类用水量的75倍，因此应该有充足的淡水。
但是，大部分雨降落在海洋中或作为雪降落在积冰上，降落在陆地上的并且保持液态或者天气变暖时变成液态的雨水，有些未被利用就流入大海。亚马孙地区的森林中大量的水实际上人类完全没有利用。同时，人口在不断地增长，现存的这种淡水又在不断地受到污染。
因此，不要很久淡水将会成为稀有的商品，而人类现在已开始求助于最后的水源——海洋。最理想的方法是蒸馏海水，先使海水蒸发，然后再凝结成水，并把被溶解的物质留下来；利用太阳的热可以做到这一点。这种脱盐法可以作为一种淡水来源，在经常有日晒的地方，或者在燃料便宜的地方，或者在必须的地方，人们已经在这样做。大海轮通常都是利用燃烧的油一边使机器运转一边蒸馏海水，从而供给自用的淡水。
也有人建议，把极区的冰山集中并浮动到温暖而干旱的海港，在那里可以把存留下来的冰融化以供使用。
但是，毫无疑问，利用我们的淡水资源（或任何资源）的最好方法，就是要善于储存，把浪费和污染减少到最低限度，而且要注意控制全球的人口数量。
海洋的深度和大陆的变迁
对海洋深度直接观测的情况是怎样的呢？从古代仅保存下来一份记录（如果可以信赖的话）。据说大约在公元前100年，希腊哲学家波西多留斯曾在撒丁岛海岸以外的地方测量过地中海的深度，测到的深度据说大约是2公里。
然而，直到18世纪，科学家们为了研究海中生物，才开始对海洋的深度进行系统的研究。在18世纪70年代，丹麦生物学家O.F.弥勒发明了一种水底采样器，可以用来从海面下几米深的地方取出生物标本。
19世纪30年代，英国生物学家小福布斯使用水底采样器取得了显著成功，他从北海和不列颠群岛周围的其他海域中取出了海中生物。此后，1914年，他随一艘海军军舰前往东地中海，在那里从410米的深处采到了一条海星。
植物只能生长于海水的最上层，因为阳光只能穿透大约70米深的海水。动物说到底必须依靠植物才能生活。因此，小福布斯认为，在能找到植物的水深以下，动物是不能长久存活的。实际上，他认为410米的深度大概是海中生物生存的极限，这个极限以下的海洋是贫瘠的，没有任何生物存在。
然而，正当小福布斯做出这种判断的时候，英国探险家J.C.罗斯在南极洲海岸探险时，从730米深的海水中捞出了生物，远低于小福布斯的极限。但是，南极洲太远了，所以大多数生物学家还是接受小福布斯的判断。
当决定横越大西洋海底铺设一条电报电缆时，海底才第一次成为人类实际关心的事情（而不再只是少数科学家出于一种好奇心）。1850年，莫里为铺设海底电缆绘制了一张大西洋海底地形图。在美国金融家菲尔德的坚决支持下，用了15年的时间，经过许多挫折和失败，大西洋海底电缆终于铺设成功。（现在已有20多条电缆横越大西洋海底。）
但是，这项工程标志着人类开始对海底进行系统的考察，这应该感谢莫里。莫里的探测表明，大西洋中间的水域比两边的浅。为了纪念这条电缆，莫里把中央浅的区域命名为“电报海台”。
英国船斗牛狗号继续对海底进行考察并扩大了莫里考察的范围。斗牛狗号于1860年启航；船上有英国物理学家沃利克，他用海底采样器从大约2300米的深海中捞出13条海星。这些海星都是活蹦乱跳的，不是死后沉到海底的。沃利克立即报告了这一情况，并认为即使没有植物，动物也可以在寒冷漆黑的深海中生存。
生物学家仍不愿意相信这种可能性；1868年苏格兰生物学家C.W.汤姆森乘坐一艘叫闪电号的船到深海去打捞。结果从深海中捞出了各种动物，于是争议结束了。小福布斯关于海中生物生存的下限的说法被推翻了。
C.W.汤姆森想测定海洋到底有多深，1872年12月7日他乘坐挑战者号出海，在海上航行了3.5年，航行距离合计126000公里。为了测量海洋的深度，挑战者号采用了人们长期使用的方法，将长6.4公里缆索的一端系上一个重物，再把缆索放入海中直到到达海底，当时除此以外没有更好的方法。挑战者号就这样在370个地方测量了海洋的深度。遗憾的是，这种方法既费力又不精确。但是，1922年发明了利用声波的回声测深法，对海底的考察才发生了一场革命。为了说明回声测深法是怎么回事，现在先来谈一谈声波。
机械振动在物质中（例如在空气中）引起纵波，其中有一些作为声音我们能够听到。不同波长的声音具有不同的音调。我们能听到的最低声音，波长为22米，频率为每秒15周。正常成人能听到的最尖声音，波长是2.2厘米，频率是每秒15000周。（小孩能听到更尖的声音。）
大气吸收声音的程度取决于波长。波长越长，被一定厚度的空气所吸收的声音越少。正因为如此，轮船的雾号声音都非常低，所以能传得非常远。像老玛丽女王号大客轮的雾号声，每秒振动27次，相当于钢琴的最低调发出的声音。这种雾号声在16公里以外都能听到，用仪器在距离160～240公里的地方都能收听到。
有些声音比我们能够听到的最低音调还要低。地震或火山造成的一些声音属于次声频率范围。这种声音有时可以绕地球好几圈才被完全吸收。
声音被反射的效率以相反的方式取决于波长。波长越短，反射率越大。频率高于我们听得见的最尖声音的声波具有更高的反射率。一些动物比人类能听到更尖的声音，并会利用这种能力。蝙蝠的叫声能发出高达每秒130000周的超声频率的声波，并能听到它们的回声。根据回声最响的方向以及发出声音到听到回声之间的时滞，蝙蝠就可以判断出要捕捉的昆虫的位置并避开树枝。这样，即使它们看不见，只要不聋，就能非常有效地飞行。（意大利生物学家斯帕兰札尼1793年首先进行了这方面的观察，他想知道蝙蝠是不是用它们的耳朵来“看”东西，当然，从某种意义上来说，它们确实是这样。）
海豚和油鸱（委内瑞拉的穴居鸟）也利用声波达到回声定位的目的。由于它们只想测定较大物体的位置，所以它们使用可听范围内反射率较小的声波来达到这一目的。（人们已开始怀疑，脑子发达的海豚发出的复杂声音甚至可能是用来进行一般的联系——直接了当地说，就是用来进行交谈。美国生物学家利利对这种可能性做了详尽的研究，没有得出明确的结论。）
人类要想利用超声波的特性，必须首先能产生出超声波。小规模产生和应用超声波的例子是1883年最先制成的狗笛。这种狗笛产生的声音接近于超声频率范围的声音，狗能听见，但人听不见。
法国化学家皮埃尔·居里和他的兄弟雅克·居里开辟了一条更有作为的途径。1880年，他们发现某些晶体受压时会产生电势（压电现象）。反过来也是一样。当在这类晶体上加上电势时，它就会由于受到压力而产生轻微的收缩（电致伸缩）。只要研究出能够使电势产生快速波动的技术，人们就可以使晶体振动得非常快，从而产生超声波。1917年，法国物理学家朗之万首先做到了这一点。他很快就把这种短声波的优异反射能力应用在侦察潜水艇上（尽管在他做成功的时候第一次世界大战已经结束）。在第二次世界大战期间，这种方法进一步完善，发展成为声纳（即声波导航和测距系统）。
于是，利用超声波反射测定海底的距离取代了测深绳。根据从发出信号（一个尖脉冲）到收到回波之间的时间间隔，就可以计算出海底深度。操作者惟一需要考虑的是，他所得到的信号是不是由鱼群或其他障碍物反射回来的假回波。（因此，捕鱼船可以使用这种仪器探测鱼群。）
回声测深法不仅快速和方便，而且使人们能够在船经过的地方把下面海底的连续剖面描绘出来，从而使海洋学家得到一张海底地形图。现在5分钟内所收集到的情况比挑战者号在其全部航程中所得到的资料还要详细。
第一艘这样使用声纳的船是德国的海洋调查船流星号。1922年，这艘船对大西洋进行了调查。到1925年人们就清楚地知道，海底决不是毫无特征和平坦的。莫里的“电报海台”也不是一种平缓起伏的高地和低地，实际上它是一条山脉，比陆地上的任何山脉都长和崎岖不平。这一山脉在整个大西洋洋底蜿蜓延伸，其最高的一些山峰突出海面，形成像亚速尔群岛、阿森松岛以及特里斯坦-达库尼亚群岛那样的岛屿。人们称之为大西洋中脊。
随着时间的推移，人们陆续发现了其他更加惊人的事实。夏威夷岛是一条水下山脉的顶部，从山脉的海底测量约高达10000米，比喜马拉雅山脉的最高峰还要高，因此，完全可以把夏威夷称为地球上最高的山。在海洋底部还有许多平顶火山锥，称之为海峰或海底平顶山。海底平顶山的名称是为了纪念瑞士血统的美国地理学家几岳而用他的名字命名的，1848年在他移居美国时把科学的地理学带到了美国。第二次世界大战期间，美国地质学家H.H.赫斯首先发现了海峰，他接连测定出19座海峰的位置。在海底至少有10000座海峰，大部分在太平洋。1964年，在威克岛正南发现了一座海峰，高达4300米。
此外，海底还有海沟，深达6000多米，美国的科罗拉多大峡谷也会被淹没进去。海沟都位于各个群岛的边缘，总面积约占全部海底面积的1%。这看起来似乎不多，但实际上却相当于美国面积的一半，海沟的含水量是陆地上全部河、湖总含水量的15倍。最深的一条海沟在太平洋；另外，在菲律宾群岛、马利亚纳群岛、千岛群岛、所罗门群岛和阿留申群岛附近也发现有海沟（见图4-5）。大西洋中也有大海沟，处在西印度群岛和南桑威奇群岛附近。印度洋中也有一条海沟，处在东印度群岛附近。
图4-5 太平洋海底剖面图。海底的大海沟在海平面以下的深度大于喜马拉雅山脉的高度，而夏威夷从海底算起的高度大于陆地上最高山峰的高度
除海沟外，海洋学家还追踪到了海底峡谷。有时海底峡谷长达几千公里，看上去像是河道。有些海底峡谷似乎确实是陆上河流的延伸，有一条峡谷明显地从哈得孙河延伸到大西洋。20世纪60年代，对印度洋进行了海洋调查，结果仅在孟加拉湾就找到了至少20多条这样的大沟槽。于是有人认为，这些海底峡谷曾经是陆地上的河床，当时印度洋的水面比现在低。但是，到现在为止，有些水下河道仍然处在海平面以下，似乎完全不可能曾经高出过海面。近年来，许多海洋学家，尤其是尤因和希曾，提出了另外一种理论。他们认为，海底峡谷是由浊流挖成的。这种浊流是一种沿着近海大陆坡发生的、每小时96公里、雪崩塌式、充满泥沙的水流。有一股浊流引起了科学家们对这个问题的注意。这就是1929年在纽芬兰以外的海中地震之后形成的浊流，接连毁坏了许多海底电缆，成为一次重大的灾害。
大西洋中脊现今的延伸情况令人惊奇。新近在其他地方所作的探测表明，大西洋中脊不仅仅局限于大西洋。它的南端绕过非洲，沿着印度洋西部往北一直延伸到阿拉伯半岛。它在印度洋中部分叉，延伸至澳大利亚和新西兰以南，然后再向北绕太平洋转一大圈。最初人们所认为的大西洋中脊竟变成了“大洋中脊”。但是，在一个非常基本的方面大洋中脊不同于大陆上的山脉：大陆上的山脉是由褶皱的沉积岩组成的，而巨大的大洋中脊是由来自炽热的地球深处的玄武岩组成的。
第二次世界大战以后，尤因和希曾又以新的劲头探测洋底的详细情况。1953年的详细探测表明，沿整个大洋中脊的正中央有一条深峡谷，这使他们大为惊讶。最后发现在大洋中脊的所有部分都存在着深峡谷，因此有时称之为“全球大裂谷”。在有些地方这条大裂谷紧靠陆地，例如，它延伸至非洲与阿拉伯半岛之间的红海，并掠过太平洋的边缘，穿过加利福尼亚湾，到达加利福尼亚州的海岸。
起初，人们以为这条大裂谷是地壳中连续64000公里的一条大裂缝。但是，进一步的仔细考察表明，它是由彼此错开又短又直的段落组成的，好像是地震使相邻的段落发生了错动。实际上，地震和火山往往是沿着这条大裂谷发生的。
这条大裂谷是地壳的一个弱点，来自地球内部炽热的熔岩（岩浆）就是通过这个弱点慢慢地涌上来，然后冷却，堆积成大洋中脊，并不断向外扩张。这种扩张每年快达16厘米，在1亿年中，整个太平洋洋底就可以铺上一层新的岩石。实际上，从洋底捞出的沉积物很少发现有超过1亿年的，如果没有海底扩张假说的话，对于已有45亿年生命史的地球来说，这种现象就令人惊奇了。
很明显，地壳同时被全球大裂谷及其分支分成了彼此分开的大板块。这些板块被称为构造板块，因为这些板块非常巧妙地连接在一起，看上去像是一个完整无损的地壳。根据这些板块来研究地壳的演化就是人们所说的板块构造。
地壳有6大构造板块和许多较小的构造板块，而且人们很快就弄明白，地震通常沿着这些板块的边界发生。太平洋板块（包括太平洋的大部分）的边界包含有东印度群岛、日本群岛、阿拉斯加和加利福尼亚等地震带。欧亚板块和非洲板块之间的地中海边界是仅次于太平洋边界的有名地震带。
另外，在地壳中还发现有以很深的裂隙出现的断层，断层的一盘岩石紧贴在另一盘岩石上，定期地进行滑动，从而造成地震。这些断层也出现在板块的边界上或板块边界的分支上。在所有这样一些断层中，最有名的是圣安德烈斯断层，它从旧金山到洛杉矶沿着整个加利福尼亚州海岸延伸，是美洲板块和太平洋板块之间边界的一部分。
魏格纳的大陆漂移说情况又如何呢？如果以单个板块来考虑的话，那么板块上的物体既不可能漂移也不可能改变位置，这些物体被坚硬的玄武岩固定住了（正如反对魏格纳学说的人所指出的那样）。再者，相邻的板块紧紧地挤压在一起，很难看出什么东西能够使它们移动。
答案可从另一种考虑中得到。板块的边界不仅是经常发生地震的地方，而且也是经常爆发火山的地方。实际上，沿着与太平洋板块边界相一致的太平洋海岸活火山和死火山是如此之多，以致整个海岸被称做火环。
那么，会不会是这样一种情形：岩浆是通过构造板块之间的裂隙从地球内部炽热的深层涌上来的（因为在固体地壳中只有这些裂隙是薄弱环节）？具体地说，岩浆可能会通过中大西洋裂谷非常缓慢地涌上来，与海水接触后凝固，形成裂谷两侧的大西洋中脊。
我们可以进一步设想，岩浆在涌出和凝固的过程中可能会把各个板块推开。如果是这样的话，它会成功地把非洲和南美洲向南推移，而把欧洲和北美洲向北推移，使联合古陆分裂，形成大西洋，并且使大西洋越来越大。欧洲和非洲也会被推开，形成地中海和红海。由于海底日益扩大，所以这种作用被称做海底扩张。海底扩张假说是由H.H.赫斯和迪茨1960年首先提出的。大陆并不是像魏格纳所想象的那样浮动或漂移开的；它们是固定在板块上被推开的。
怎样才能证明海底扩张呢？1963年初，对从中大西洋裂谷两侧的海底取得的岩石进行了磁性检测。岩石的磁性模式随着离开裂谷的距离而变化，而且两侧岩石磁性模式就像镜像一样完全相对应。有确切的证据证明，靠近裂谷的岩石是最年轻的，越往裂谷的两侧移动年龄就越老。
