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第25章 海洋工程(1)

海洋的形成

海洋是怎样形成的,人们一直探讨了几百年,关于海洋起源的科学假说也是多种多样。因为人类是继地球和海洋诞生之后才出现的,因此,人类对海洋的起源问题只能以已掌握的科学知识进行推测。

月球分出说:1879年,生物进化论创立者达尔文的儿子G·达尔文提出了一种形成大洋的“月球分出说”:在地球刚成形时,地球的自转速度比现在要快很多。由于太阳引力作用和地球的高速自转,使部分地块分出地球,被甩出的地块在地球引力作用下绕着地球不停旋转,后来便成为人们夜晚常看到的月亮。月球被甩出后,在地球上留下了一个大窟窿,逐渐演变成现今的太平洋。但是,这种假说遭到后来许多科学家的反对。

陨星说:法国学者G·狄摩切尔提出新的太平洋成因假说--“陨星说”。他认为,太平洋是由地球的另一颗卫星(其直径比月球大2倍)坠落地面造成。该卫星冲开大陆的硅铝层外壳,形成巨大的陨石谷;它还可能深入地球内核,引起地球的强烈膨胀和收缩,其结果不仅形成了太平洋,还使其他陆壳破裂张开,形成大西洋等大洋。

随着宇航科学的发展,这个学说的研究重新兴盛。但是,人们还是怀疑偶然的碰撞是否能形成占地球表面积1/3的巨大的太平洋盆地,因为,不管是地球或月球上的陨石坑,其规模都很小。

大陆漂移说:1910年,德国地球物理学家魏格纳发现,大洋两边的大陆具有相同的地质年代和古生物化石,在地层和地质构造等方面也存在相似之处。

经反复研究,魏格纳断定,大西洋两岸原来是连在一起的,分开只是以后的事。1912年1月6日,他首次提出“大陆漂移说”。这个科学假说后来被许多科学家不断完善,成为地球四大洋形成的最有说服力的一种学说。

大陆漂移说认为,在距今2亿年前,地球上现有的大陆彼此连成一片,组成一块原始大陆,或称为泛大陆。泛大陆周围是一片汪洋大海,称为泛大洋。在距今1.8亿年前,泛大陆开始分裂,漂移成南北两大块,南块称为岗瓦纳古陆,包括南美洲、非洲、印巴次大陆、南极洲和澳洲;北块称为劳亚古陆,包括欧亚大陆和北美洲。

又经过上亿年的演变,到了距今约6500万年前,泛大陆进一步分裂并漂移,形成亚洲、非洲、欧洲、大洋洲、南美洲、北美洲和南极洲;泛大洋则完全解体,形成太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。

海底扩张说:1961年,美国科学家赫斯和迪兹首次提出“海底扩张说”。

海底扩张说认为,洋底新地壳有一个不断形成的过程,地幔里的物质不断从大洋中脊上的裂谷里涌出,冷凝和充填在中脊的断裂处,从而形成新的洋底。新海底不断扩张,将年老的海底向两侧排挤,当被挤到海沟区时,便沉入地幔。

据测算,海底扩张速度每年有几厘米,最快的每年可达16厘米,这样就使海底每隔3~4亿年更新一次。这一海底扩张的过程被深海钻探资料证实,同时从洋脊两侧岩石的磁性上也得到证明。

板块构造说:1968年,法国学者勒比雄提出“板块构造说”。该学说认为,全球岩石圈并非一个整体,而是被一些构造活动带所分割,分成了一些不连续的块体,称为板块。勒比雄将全球分为6大板块:亚欧板块、美洲板块、非洲板块、太平洋板块、澳洲板块(印度洋板块)和南极洲板块。这些板块之间都存在着种种形态的漂移关系。

地壳的活动就由这些板块相互作用引起的,在板块相互交接的地带,地壳活动比较明显,常会形成地震和火山爆发等现象。这些板块还不断进行着相对水平运动,当大洋板块向大陆板块运动时,板块的边沿便向下俯冲进入地幔;地幔将俯冲进来的地壳加温、加压和熔化,再运向大洋海岭底部,然后再上升。这正好与“海底扩张说”相吻合,在地幔的相对运动中,大陆确实“漂移”了,经过长久的一段时间,才形成今天地球上海陆分布状况。

海水的来源

构成海洋的主要成分是水体,在海洋形成时,海水从哪来?关于海水的来源众说纷纭,但比较有代表性的有以下几种观点。

大气圈、水圈密不可分:该观点认为,在地球诞生初期,大气圈和水圈是密不可分的,当时的水分呈气态(水蒸气)混于原始大气中。随着地球的不断冷却,地面温度逐渐降低。于是,包围地球的水蒸气开始冷凝成小水滴。小水滴漂浮于空中,集结成云雾,最后形成雨水降落。

据说,约10亿年前,地球上不停降下瓢泼大雨,这种降雨长达若干万年。由于彼时尚未有生物,地球上寸草不生,因此,雨水便冲洗着山岭,带走泥沙和溶解物质,滚滚浊流奔向地球低洼之处,从而形成了原始的海洋。

源于岩石结晶水:该观点认为,地球最初的水大部分以岩石结晶水形式存在于地球内部。地球诞生后的一段时期,地球很不安分,到处出现大地龟裂和火山爆发。于是,地球内部的水通过岩浆活动逐渐析出并汇集在地表,或通过火山活动将高温水汽带入大气,然后凝结成雨降落到地表上,在洋盆内汇集成为海洋。

人们设想这两种情况同时或先后存在过,经过亿万年的风雨雷电、山崩地陷、烈焰腾空、岩浆奔流,终于形成海洋。原始海洋略带咸味,后来由于大小水流在汇入海洋的路途上溶解了一些物质,从而增加了海水中所含的氯化物和硫酸盐,使海洋变得又咸又苦。

太空中由冰组成的小彗星:该观点认为,地球上的水可源自太空中由冰组成的小彗星。从人造卫星发回的数千张地球大气紫外辐射图像,可以看到圆盘状的地球图像上总有一些小黑斑,每个小黑斑约存在2~3分钟,面积约2000平方千米。这些斑点由一些看不见的冰块组成的小彗星冲入地球外层大气,破裂和融化成水蒸气造成。

据估计,每分钟就约有20颗平均直径为10米的冰状小彗星冲入地球大气层,每颗小彗星约释放10万千克水。地球的形成已经约有40多亿年了,因此由这些小彗星不断增加的水分足以形成现今辽阔的海洋。

小知识

海洋生物技术

海洋生物技术兴起于20世纪80年代,是传统海洋生物学发展的一门新兴研究领域。目前,世界各国正在进行的海洋生物技术研究的内容主要是以海洋生物为对象,综合应用基因工程、细胞操作技术和细胞培养等技术手段,进行海洋生物遗传性改造,或生产对人们有用的海洋生物产品。

随着神经生物学、海洋生态学、海洋工程学、电子学,以及遥感技术和深海探测技术不断向海洋生物技术领域渗透,并与之相结合,海洋生物技术的研究范围将逐步拓宽。现在,人们正在研究的内容大体有三个方面:一是开发、生产和改造海洋生物天然产物,以便用作药物、食品、新材料;二是定向改良海洋动物、植物遗传特性,为海水养殖业提供具有生长快、品质高和抗病害的优良品种;三是培养具有特殊用途的“超级细菌”,用来清除海洋环境的污染,或者生产具有特定生物治理的物质。

海洋与生命

海洋在生命的形成过程中的作用举足轻重。生命起源的基本条件有原始大气、能源和原始海洋。

在生命发生与发展的进程中,从无机物到有机物,从无生命物质到有生命物质,从单细胞生物演化到高级动物……但无论现今的生命已进化到怎样高级的程度,它们生命的演化最初、最关键几步都在原始海洋里进行的。可以说,没有海洋,就没有生命。

有机物质:40多亿年前,地球上已有了海洋和大气,但还没有生命。仅是在原始星际的云状物中存在着像碳、氢、氮等各种最简单的元素,后来才出现了氧。这些无机物质经过复杂化合,产生了一种有机物质,这就是生命最原始的胚种。由于当时地球上气候恶劣,还会遭到大量紫外线和宇宙射线的袭击,因此,原始生命无法在地表生存,最后,它们明智地选择了海洋,虽然它们尚未形成思维。

这些有机物质在混浊的海水中相互碰撞、聚合,形成原始蛋白质分子。又经过若干亿年的演变,约30多亿年前,其功能愈加复杂,结构更趋完善,形成了组成现代细胞的两大物质--蛋白质和核酸。

这些蛋白质和核酸构成的小颗粒,在海洋里生长并将自己的身体分裂,由1个到2个、4个、8个……一代代传递,又经过亿万年,终于诞生了细菌。这是生命起源和发展过程中的一个较高级阶段,也是生命漫长演变历史中的一次飞跃。

生命物质:约30亿年前,海洋里出现了蓝绿藻,这些原始藻类含有光合色素,用阳光作能源,将水、二氧化碳和其他盐类合成糖、淀粉和蛋白质等有机物,从而使生命的链条一环环地连接起来。

在地球发展过程中,生命在它们死后有些遗体被封闭在淤泥里,后来淤泥被挤压成岩石;古老的海底在地壳变动时,上升为陆地和高山,那些保存下来的尸体就以“化石”的模样展现在显微镜下。

动物:在距今5亿多年前,海洋原生动物十分活跃。这些原生动物能够独立活动,有刺激感应,它们能伸出一些枝状“小手”,捕捉食物或改变其“行走”路线。2亿年前,海洋一片繁忙,生命在它的怀抱里继续进化。

约在距今4亿年前,蓝绿藻首先登陆,之后,裸蕨植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物相继出现。这些植物的出现,给昔日荒山秃岭的大地披上了绿装,使各种微生物和昆虫找到了活动场所。

距今4亿年前,海洋里出现一种无颚鱼,是人类的老祖宗。它们经过上万年的繁衍,成为海洋的主人,以后,无论地球上发生何等样剧烈变化,总有一些无颚鱼的后代适应了已改变的生活环境,并变换着自己的身体结构。距今3亿年左右,这些无颚鱼越过潮间带爬上陆地,成为既可在陆地,又能回到海洋里生存的两栖动物。

随着陆地上氧气的增加,生物用来呼吸的肺开始变得完善。顽强的生命抵御着各方侵袭,它们终于度过两栖阶段脱离开海洋。距今2.3亿年前的中生代,爬行动物开始大量繁殖,到1.8亿年前的一段时间,地球可称为爬行动物时代。此间,又出现了许多哺乳动物。又过了1亿多年,哺乳动物成为陆地上的统治者。

此外,鸟类也由另一支原始爬行动物演化而成,这些都为更高等生物的出现提供了适宜条件。

古猿:距今800万年前,地球上出现了人类的祖先--古猿,接着又出现了南猿、猿人。这些人类的远古先祖,为生存向自然界间断索取食物,从采集野果到捕捉小虫,从野外打猎到驯养培养动、植物,经过不断劳动,脑和肌肉变得更加发达、健全,从而进化成为生物界和自然界的主人。

从生命的起源,到动植物的形成和登陆,直至人类出现,海洋在生物进化史上的功绩显著。因为海洋具备了生命生存和发展的必要条件,海水里溶解着各种营养物质,如碳酸盐、硝酸盐、磷酸盐和氧等,为生命提供了丰富的养料。海洋将那些原始生命纳入怀抱,充足的海水使这些生命能够进行新陈代谢,直到现在,水一直是生物必需的。海洋还可将阳光遮住,使生命在它的怀抱中免受强光杀伤;海水还吸收了阳光,使表层变得温暖,使其怀中的“婴儿”不会被冻死。海流和潮汐运动,还有助于生命种类的分布及种群繁衍。

总之,海洋是生命的真正摇篮,是一切生物进化的发源地。

海底真相

海底并不像人们想象得那样平坦,它和人们所看到的陆地表面一样,有高山、深沟,也有平原和丘陵。

海岸带:在海洋与陆地相接处,可以看到一段地面。当海水升高时,它被淹没;海水退落后,它即露出,这条镶在陆地边沿的“带子”被称为海岸带。海岸带随地形的不同而弯曲,形状各异,宽窄不一,平坦处可宽达几十千米,越是陡峭处,越窄细。在海浪拍打下,海岸带也在悄悄改变着自己的形状,而江河入海口泥沙的淤积,也会使海岸带产生变化。

大陆架:越过海岸带,出现了一片浅海区域,它如同大陆在海中的边架,缓缓地延伸向海中。它的坡度一般在1°左右,平均1000米下降1500米,水深一般在200米左右,该大陆在海洋中的延续部分称为“大陆架”。大陆架的宽度不一,世界大陆架的平均宽度为7万米,面积约占海底总面积的8%。在那里,阳光充足,食物丰富,是水族栖息繁衍的好处所。

大陆坡:从大陆架再往深处去,地势突变,出现一个陡坡。从前,人们管这里叫“大陆坡”。比起大陆架,这里的倾斜度大大增加,平均坡度为3°~6°,陡峭处可达14°,个别达20°以上。该处地形急转直下,水深从几百米急增到上千米;大陆坡的宽度通常从15千米到80千米,占海底总面积的12%。

大陆坡底部也不再是热闹繁华的世界,深海水阻挡了阳光的透射,海底极其黑暗。这里,植物已不可能生存,水族也明显稀少,不再有大陆架那种生机勃勃的景象。

海底峡谷:在大陆坡海底,就是海底峡谷。这些峡谷是一些长且窄的深沟,两侧谷壁几乎陡立,峡谷的上部较宽,底部相当窄,呈V字形。多数海底峡谷源于大陆架,并贯穿整个大陆坡,它由浊流造成。在暴风雨天气下,巨浪将海岸的泥土打碎,把海底的泥沙搅起,使海水变得异常浑浊,浑浊的海水受到某种力量(如地滑)的推动,从而形成一股强大浊流。浊流的力量足以冲动数十吨的巨大石块,当它沿大陆坡向下流动,强烈冲刷着海底,从而形成了海底的峡谷。

大陆基:从大陆坡再向下,是一片较平坦地区,这一海底叫做“大陆基”。其平均深度为3700米,宽度为100~1000千米。这一地带就如同陆地的平原,而且比陆地平原更平坦。但这个平原由于海水太深,一般无生命存在。由于这个地带好像给大陆镶了一道宽宽的衣裾,因此又有人称它为“大陆裾”。

大洋盆地:穿过大陆基,就到了深海区。该区域在海底所占面积最大,约占洋底面积的75%,平均水深为4000~6000米。科学家们将这个深海区叫做“大洋盆地”。大洋盆地的大部分地区地势平坦,但也有深裂的海沟、几千米高的山脉和高原、狭长蜿蜒的海脊和一些突起的海山等。

广阔的大洋盆地离陆地很远,不再有江河带来的泥沙,海底多是红色深海沉积物,这是生物尸体和火山灰等物质在强大压力下,经化学作用变成的红粘土。

海底山脉:在大洋盆地,最吸引人的是海底山脉,这些海底山脉也叫海岭或洋脊,是海底规模最大的构造,它们就如同“万里长城”一般,贯穿着整个大洋。如大西洋底山脉,它起自北冰洋,呈S形,向南延伸到南纬40°,规模超过阿尔卑斯山或喜马拉雅山。太平洋深海底部高耸着一条巨大的海底山脉,它从澳大利亚横贯南太平洋到达智利,长达1万多千米。印度洋海岭则呈“人”字形,其西南分支绕过非洲与大西洋海岭,其东南分支绕过大洋洲与南太平洋海岭相连。海底山脉绕遍全球。

海底宝藏

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