18 世紀之前，人們普遍認為，地球只有幾千年歷史，而且一直沒有什麼變化。這是包括基督教在內的大多數宗教的觀點。17 世紀 50 年代，愛爾蘭阿馬（Armagh）大主教詹姆斯·厄謝爾（James Ussher，1581－1656）在《世界編年史》中宣稱，地球是在公元前 4004 年 10 月 23 日（星期日）早上 9 點鐘被創造出來的。厄謝爾是當時的一位重要學者和教會領袖：他給出的日期不完全是猜測，而是基於對伊斯蘭、地中海以及《聖經》歷史之間相互關係仔細而複雜的計算。1701 年，這個日期被納入權威版《聖經》中。
然而，不管厄謝爾的計算如何細緻，公元前 4004 年這個日期很快就面臨許多難題。造山運動之類進程極其緩慢，這意味著，地球必定非常古老。19 世紀早期，攀登歐洲阿爾卑斯山的登山運動員開始在靠近高山頂峰處發現海洋生物化石，這表明，這些大山曾經位於海底。（晚近，海洋生物化石在喜馬拉雅山 5500 米高處被發現，這證明即便地球上最高的山脈一度也是某個原始海洋的海底。）19 世紀中期，查爾斯·賴爾（Charles Lyell，1797－1875）等科學家宣稱，地球比以往認為的古老許多，它的表面也發生了巨變。
讓早期觀察家很著迷的是，各個大陸能夠像拼圖遊戲的拼塊那樣拼在一起。早在 1596 年，荷蘭繪圖師亞伯拉罕·奧特柳斯（Abraham Ortelius，1527－1598）在地理學著作中指出，美洲大陸肯定由於地震和大洪水而被迫與歐洲和非洲大陸「分離」。1620 年，英國哲學家弗朗西斯·培根（Francis Bacon，1561－1626）指出，大西洋兩岸海岸線的完美契合絕對不是一種巧合，儘管他沒有就此做出解釋。1750 年，法國博物學家喬治·德·布豐（George de Buffon，1707－1788）宣稱，南美洲和非洲以前肯定是連在一起的；1858 年，法國地理學家安東尼奧·斯奈德－佩萊格裡尼（Antonio Snider-Pellegrini，1802－1885）繪製了首批「之前和之後」系列世界地圖，表明美洲曾經與歐洲、非洲是一個整體。
其他一些證據也支持上述觀點。19 世紀早期，德國地理學家亞歷山大·馮·洪堡（Alexander von Humboldt，1769－1859）證明了巴西的岩石與剛果的非常類似，他認為，這些大陸曾經連在一起，直到一次巨大海嘯開鑿出大西洋。在同一個世紀（即 19 世紀），旅行到其他大陸的博物學家開始注意到，南美洲和非洲存在相同類型的海洋生物和爬行動物。化石發現揭示了歐洲和北美洲動植物化石的許多相似性，從而深化了上述聯繫。然而，博物學家也無法解釋這種證據，他們甚至推測，以前可能存在把兩個大陸聯結在一起的巨大陸橋，後來沉入大西洋。
1885 年，奧地利地質學家愛德華·瑟斯（Edward Seuss，1831－1914）公佈了首次得到充分論證的大陸漂移理論。瑟斯在《地球面貌》一書中認為，在遙遠的過去（他給定的日期是 1.8 億年前），地球上所有大陸都被擠壓成兩個超級大陸。他把南面的超級大陸稱為岡瓦納古陸（它衍生出澳大利亞、南極洲、非洲和南美洲），把北面的稱為勞亞古陸（它包含歐洲、亞洲和北美洲）。在 20 世紀第一個十年，美國地質學家弗蘭克·泰勒（Frank Taylor）和霍華德·貝克（Howard Baker）分別指出大陸發生過移動。但是這些科學家無法提供任何證據來支持這個非凡的理論，他們的見解被地質學界拒絕了。德國一位氣象學家的假說也遭受了同樣的命運，這個人就是現在被視為大陸漂移說「奠基人」的阿爾弗雷德·韋格納（Alfred Wegener，1880－1930），他的思想已經成為現代地球科學主要範式板塊構造論（plate tectonics）的核心。
阿爾弗雷德·韋格納與大陸漂移說
韋格納是一位氣象學家，他對氣象科學做出了不少重要貢獻，不過，他主要以大陸漂移（continental drift）學說而為人熟知，大陸漂移這個術語被用來描述大陸的運動、形成和再形成。1911 年，韋格納偶然發現一篇論文，它論述了大西洋兩岸相同的動植物化石的發現。他對中龍（Mesosaurus）化石尤其感興趣，中龍是一種古老的爬行動物，它們的遺跡只發現於南美東部和南非二疊紀黑色頁岩中。韋格納表示，如果這種爬行動物能夠橫穿海洋的話，它們的遺跡就會在更多地方被發現，然而事實並非如此，那麼，這兩個大陸以前肯定是結合在一起的。韋格納拒絕流行的陸橋理論，轉而關注南美和非洲海岸線拼圖似的契合性，儘管他本人也意識到，這種契合是相當粗糙的（參見地圖 2.1）。
地圖 2.1 地球的大陸架。
阿爾弗雷德·韋格納通過關注南美和非洲海岸線之間拼圖式的契合，來支持他的大陸漂移說，儘管他意識到，這種契合還比較粗糙。後來的地質學家認識到，如果以大陸架的邊緣（它們是大陸的真正邊界）來衡量的話，這種契合更完美
直到 20 世紀 60 年代，愛德華·布拉德（Edward Bullard，1907－1980）和他的助手才證明了這兩個大陸之間明顯的契合性：如果將每一塊大陸真正的外部邊界，也就是大陸架的海洋邊緣結合在一起，那麼，它們相當吻合。不過，這種觀測精度韋格納無法使用，於是，布拉德開始收集其他證據來「證明」這兩個大陸曾經是一體的。布拉德注意到，巴西的古老火成岩與南非的古老岩石非常類似。他還指出，北美阿巴拉契亞山脈的年齡和結構類似於格陵蘭島山脈、蘇格蘭高地以及斯堪的納維亞高海拔地區。他也表明，當這些大陸在一個金屬模具中重組時，各個環節形成一個幾乎連續的系列。
作為一名氣象學家，韋格納也能夠使用古氣候（paleoclimate）證據。通過梳理大量化石資料，他發現了地質歷史上氣候劇烈變化的證據。他指出北極斯匹次卑爾根群島岩石中熱帶植物的化石，以及現今在熱帶澳大利亞和非洲發現的冰河時代冰磧物，這表明，這些大陸是從不同（更冷的！）緯度漂移到當前位置的。通過指出北半球同期存在的熱帶沼澤，韋格納否決了全球氣候變冷的觀點。與全球變冷的觀點相比，這種觀點——認為南方的大陸曾經聯結在一起並且位於南極附近——更合理地解釋了此前冰川地區冰雪的擴大。
在掌握了這些很有說服力的證據之後，韋格納在 1915 年的著作《大陸和海洋的起源》中，公佈了激進的大陸漂移假說。他論證說，對這證據做出解釋的唯一方式，就是假設地球上所有大陸在幾億年前結合成一個超級大陸，他稱之為泛大陸（Pangaea，希臘語「整個地球」的意思，來自古希臘大地女神蓋婭的名字）。在中生代（Mesozoic era，大約 2 億年前），泛大陸逐漸分裂為較小的大陸，然後它們逐漸漂移到現在的位置。
韋格納的觀點一開始不受關注，1924 年，他的著作被翻譯成英文、法文、西班牙文和俄文，從 1924 年到 1930 年他去世為止，大陸漂移學說幾乎受到普遍一致的敵視和反對。美國地質學家 R. T. 張伯倫（R. T. Chamberlain）大肆抨擊這一理論，因為它「相當隨意地對待我們的地球」，美國哲學學會前主席 W. B. 斯科特（W. B. Scott）宣稱它「荒唐透頂」！
這種批評產生的原因，基本上在於韋格納無法找出能夠推動整塊大陸在地球表面移動的力。韋格納尋找這種機制的所有努力都遭遇挫敗。他的一個設想，即或許潮汐力將大陸從內部分開，遭到物理學家哈羅德·傑弗裡斯（Harold Jeffries）的反駁。傑弗裡斯正確地指出，那種強度的潮汐力也會阻止地球轉動！不過韋格納並沒有放棄自己的理論，他於 1929 年出版了那部著作的第四版，並且補充了一些新的支撐材料。
在最後一次考察格陵蘭島時，韋格納試圖以經度測量來證明格陵蘭島向西漂移，但是，荷蘭工作人員在 1927 年、1936 年、1938 年和 1948 年進行的測量並沒有發現這類證據，這進一步增強了反對大陸漂移說觀點的力量。當然，今天所用的現代全球定位系統為大陸漂移提供了無可爭議的證據，但是韋格納不可能掌握這種技術，1930 年 11 月，他因心臟衰竭死於格陵蘭島的冰川上。他的理論顯然超越了時代，並沒有隨著他的死亡而消失。
並不是所有地質學家都拒絕韋格納的理論。蘇格蘭地質學家亞瑟·霍姆斯（Arthur Holmes，1890－1965）在 1928 年出版的著作《漂移的大陸》中指出，大陸或許由於地幔中熾熱的、半熔融的岩漿流動而發生移動，這非常接近當前解釋大陸漂移的理論。20 世紀 30 年代晚期，美國地質學家戴維·格裡格斯（David Griggs，1911－1974）證明，在足夠大的壓力和極端高溫下，固態岩石會流動。瑞士地質學家埃米爾·阿爾岡（Emile Argan，1879－1940）認為，我們或許可以用大陸之間的碰撞來解釋瑞士阿爾卑斯山區的皺褶地層。韋格納去世後 30 年時間裡，這些科學家和南非地質學家亞歷山大·杜托特（Alexander Du Toit，1878－1948）形成了一個堅定地支持大陸漂移說的小圈子。然而，20 世紀 50 年代和 60 年代的大量發現才最終促使大多數科學家承認，韋格納一直是正確的。
現代板塊構造論的故事
20 世紀 50 年代中期，兩條新的證據線索——古地磁學和海底考察——開始結出碩果。古地磁學（paleomagnetism）利用磁性礦物來研究地球磁場的歷史，如前所述，磁場是地核液態鐵流動的產物。16 世紀，英國科學家威廉·吉爾伯特（William Gilbert，1544－1603）嘗試解釋磁羅盤的運作，他一度指出，地球就像一塊巨大磁鐵一樣活動，儘管他沒有說明地球如何以及為何這樣。今天，我們都知道，無形的磁力線從地球一端穿到另一端，自由擺動的羅盤針（它本身就是小磁鐵）與這些電磁力的方向保持一致，並且指向磁極。同樣，一些含有礦物的熔岩會逐漸磁化，磁性與主要磁力線的方向一致，當熔岩固化時，磁性也固定下來，並且與它們形成時的磁極保持一致。因此，這些岩石記載了地球歷史上不同時期磁極的方向。這些磁性記錄也指出了岩石磁化時期岩石所處的緯度，從而也記載了它們在磁化時期離兩極的距離。
在歐洲，S. K. 朗科恩（S. K. Runcorn，1922－1995）20 世紀 50 年代對岩石磁性的研究表明，在地球歷史上，曾經存在許多不同的古地磁磁極。在過去 5 億年，北磁極似乎慢慢從夏威夷「漂移」到西伯利亞，再到今天北極附近。這意味著，要麼磁極發生了移動，要麼大陸發生了某種漂移，這促使地質學家再次回到韋格納的假說。到 20 世紀 50 年代末期，古地磁學家能夠證明北美和歐洲曾經是連在一起的。當北美的磁極移動路線被繪製出來後，它與歐洲的移動路線非常相似，但是，這兩個大陸在緯度上大約相差 30 度。如果這兩個大陸一度結合在一起，作為同一個超級大陸的組成部分發生了與磁極相應的運動，那麼，以上現象就得到了最好的解釋。
第二條證據線索是海洋學家在二戰結束後幾十年裡進行的探索，他們使用了新的航海技術，比如聲吶技術。最初，美國海軍研究署資助開發這種技術來探測敵人的潛艦，通過利用聲吶和深海潛水艇，海底「地圖」得到仔細繪製，這種地圖揭示了橫貫地球海底的巨大海嶺火山體系。首先被發現的，是漫長的中央海嶺，然後是其他海底山嶺，最終，它們構成了一幅綿延 58000 千米的水下山脊體系。
海洋學家也發現了驚人的海底深溝，有一些深達 9.6 千米。最初是在大西洋中央發現了一條巨大裂谷，其長度與中央海嶺的長度相當（平行）。隨後，更多海溝在主要海洋——包括太平洋和印度洋——被發現。研究者認為，這些裂谷表明，地殼在很深的地方被有力地撕開，同時，海底深處存在強烈的熱流和火山活動（就像它們在地球表面活動那樣）。這些發現完全出乎人們意料，而且也很難被納入現存的地球形成理論之中。1960 年，普林斯頓大學地質學家哈里·赫斯（Harry Hess，1906－1969）嘗試對這些迷人的現象做出統一敘述，他在當時提出一個假說，即後來的海底擴張理論，並且用它來描述新的海底形成的過程：來自地幔的熔岩從板塊之間湧出來，然後四處鋪開，從而形成新的海底。
赫斯認為，本質上而言，從地幔噴湧而出的熔岩向兩邊擴散，將巨大海嶺上的礦物攜帶到更遠處。這種相關的力撕裂了海洋地殼，允許岩漿湧出並且創造新的海洋地殼，而原來的海底遠離了海嶺，新的地殼取而代之。在其他區域，海洋地殼被吸入地球內部。這樣，海洋地殼因來自地幔的熔岩而不斷得以更新，這也解釋了一件事情，即對海底的挖掘還從未發現任何海洋地殼的年齡超出 1.8 億年。相反，大陸地殼——通常比海洋地殼輕——更古老，它幾乎一直處於地球表面，其中一些有幾十億年古老。
赫斯提供了一種關鍵性要素，它正是韋格納最初的假說所缺乏的，即合理地解釋大陸是如何移動的。赫斯指出，各大陸就像消極的路人，隨著地殼下面半熔融岩漿一起運動，他的觀點比韋格納的更有說服力——韋格納認為，巨大的大陸以某種方式在海底費力地運動。儘管赫斯的假說富有邏輯，也可以得到檢驗，但是，海底擴張說還是引起大量爭議。幾年之後，劍橋大學學生弗雷德·瓦因（Fred Vine，1939－）與他的導師 D. H. 馬修斯（D. H. Matthews，1931－1997）在古地磁學研究領域發現了確鑿的證據。
到 20 世紀 60 年代早期，地球物理學者越來越確信，地球磁場曾屢次出現磁極顛倒的現象。通過測量世界不同地區不同時代的熔岩和沉積岩的磁性，研究者發現，相同時代的岩石（不管發現於何處）具有一致的磁性。不過，這種磁性通常會顛倒過來。積累得越來越多的數據建構了一張過去幾百萬年的磁性時間表。在每一百萬年的時段（稱為一個 chron，即時代），會發生幾次短暫的磁極顛倒，每一次的時間不超過 20 萬年。因為海洋地殼的磁極與它被創造時主要的磁極相一致，因此，這些磁極顛倒的情況，在海底呈現為高強度和低強度的磁性交替帶。
1963 年，瓦因和馬修斯嘗試將這種證據與赫斯的海底擴張說結合在一起。他們指出，當海底擴張時，磁性顛倒現象就會建構一種關於正常磁性帶和顛倒磁性帶（從海底深溝體系兩側向遠處輻射）的模式。如果事實如此，那麼，山脊兩側的磁性帶就會互為鏡像。20 世紀 60 年代中期，對冰島南部大西洋中央山脊兩側的考察，確實揭示了非常對稱的交替磁極帶模式。1965 年，加拿大物理學家和地質學家 J. 圖佐·威爾遜（J. Tuzo Wilson，1908－1993）為板塊構造遊戲提供了最後一塊拼圖。威爾遜認為，地球表面被劃分成幾個剛性板塊（根據不同類型的邊緣來分割），他找出了其中三個。威爾遜的假說對來自海洋學、地球物理學、地質學和古生物學等領域貌似毫無關聯的大量觀察做出了統一解釋，到 1968 年，他的假說成為今天著名的板塊構造論（plate tectonics），它是地球科學的核心範式，也是理解絕大多數基本地質進程（從造山運動到板塊漂移）的一把鑰匙。
地球的構造板塊
板塊構造模型把岩石圈理解為一種由最上面的地殼組成的剛性層。就像雞蛋殼一樣，岩石圈是易碎的，已經分裂成為被稱為板塊的碎塊，「漂浮」在地幔上部不太穩固的軟流層上面。我們在前面已經瞭解到，上軟流層的溫度和壓力使得岩石接近熔點，從而使得岩石圈可以與下面的地層分離，實際上漂浮在它們上面。
岩石圈碎裂的板塊經常處於活動中，並且持續不斷地改變它們的形狀和尺寸（參見地圖 2.2）。岩石圈的七大板塊為：南極洲板塊、澳大利亞－印度板塊、亞歐板塊、非洲板塊、太平洋板塊、南美洲板塊和北美洲板塊。其中最大的是太平洋板塊，它包括太平洋盆地的絕大部分。許多中等規模的板塊也被標識出來了，包括胡安德富卡板塊、斯科捨板塊、科科斯板塊、阿拉伯板塊、菲律賓板塊、納斯卡板塊和加勒比板塊。岩石圈的這些板塊平均以 5 厘米/年的速度相互靠近。
地圖 2.2 地球的構造板塊
板塊移動速度可以通過航天時代的技術得到非常精確的測量。當前使用兩種方法來進行測量。其一是甚長基線干涉測量技術（VLBI），這種方法利用射電望遠鏡記錄來自遙遠類星體的信號（類星體是固定的參照點）。通過相距較遠的兩台射電望遠鏡來對十幾個類星體分別進行 5 到 10 次觀測，這兩個天文台之間的距離就能夠得到測定，精確度可達 2 厘米。此後多次重複這種測量，當天文台下面的板塊運動時，天文台的相對速度以及直接運動就得到確定。
其二是全球定位系統（GPS），即以眾多衛星精確測定地球上不同地點的位置。全球定位系統接收器尤其有助於測量發生於活躍斷層帶的微小地殼運動。使用這些方法獲得的數據無可爭辯地證明了板塊正在運動。它們表明，夏威夷群島正在以 8.3 厘米每年的速度向西北方向的日本移動。
地球內部熱量的分佈不平衡，推動了巨大板塊的運動，儘管迄今為止還沒有哪一個具體模型能夠解釋所有板塊活動。現在的普遍看法是，來自地球核心的熱能不斷熔化 2900 千米厚地幔的某些部分，促使它通過內部對流活動向上運動。在其他一些地方，更冷、密度更大的岩石圈地層（位於海底）下沉到地幔。這些運動導致岩石圈大型地殼板塊的運動，從而造成地震、火山爆發以及造山運動。
這種內部熱能是多種因素帶來的結果：早期地球所遭受的隕石撞擊；放射現象；地球形成時期吸積和引力造成的壓力。因此，恆星形成的方式、我們太陽系演化的方式以及引力的作用，導致了地球內部的熱量，這種熱量反過來成為板塊運動的動力。由此可見，這種熱量是整個宇宙誕生和演化過程中所產生能量的直接產物。
構造邊緣（板塊邊界）
由於岩石圈的各板塊是作為整體在運動，因此，板塊構造引起的大多數活動和變形，都發生在板塊邊界。依照板塊活動的類型和它們導致的地質現象，地質學家區分了三種不同的邊界——分離型、聚合型和轉換型。板塊通常由好幾種邊界結合在一起（參見圖 2.8）。
圖 2.8 構造邊界。
三種構造邊界：分離型、聚合型和轉換型
分離型邊界（pergent boundaries）處於兩個板塊彼此分離之處，地幔的礦物由此處湧出並創造新的海底。分離型邊界也被稱為擴張中心，因為海底擴張就發生在這些地方。當板塊分離時，由此出現的裂縫由熔岩漿填補，熔岩漿冷卻之後，新的海底就形成了。這個過程創造了浩渺的大西洋——它從今天歐亞大陸和美洲之間最初的狹小海灣變成現在的樣子。事實上，在過去 2 億年，分離型邊界的海底擴張造就了地球上大多數海洋盆地，其中以太平洋盆地最為古老。分離型板塊也可以在大陸內部形成。大陸會在被稱為大陸裂谷的漫長凹陷帶分裂，東非大裂谷就是很好的例子。這條裂谷有可能發展成為擴張中心，將非洲大陸一分為二。紅海也是一條裂谷，大約 2000 萬年前，它開始沿著阿拉伯半島和非洲之間的分離型邊界開裂（參見圖 2.9）。
圖 2.9 紅海。
紅海是人類歷史上一條極其重要的航道，事實上是一條裂谷，位於阿拉伯和非洲之間分離型邊界之上
聚合型邊界（convergent boundaries）位於兩個板塊匯聚的地方，由此促使大洋岩石圈要麼俯衝到一塊上衝板塊下部，從而重新回到地幔；要麼抬升，然後創造新的山脈。這種碰撞非常緩慢，其結果取決於發生碰撞的板塊的特性。高密度大洋地殼滑入較輕的大陸地殼下部形成的邊界，被稱為俯衝帶（subduction zones）。南美安第斯山脈就是納斯卡板塊沿著秘魯－智利海溝俯衝到南美大陸下部造就的。華盛頓、俄勒岡和加利福尼亞地區的火山也是大洋岩石圈俯衝導致的產物。
在兩個大洋板塊聚合處，一個板塊通常俯衝到另一個板塊之下。世界最深的海溝——太平洋馬裡亞納海溝——是由移動速度較快的太平洋板塊與移動速度較慢的菲律賓板塊相互碰撞形成。如果俯衝持續發生，那麼，就會形成一系列火山島。阿留申群島、馬裡亞納群島以及湯加島就是這種火山弧結構，它們附近都有一條深海溝，距離它們 96 千米到 290 千米不等。
大陸板塊的聚合會產生壯觀的景象。每一塊大陸板塊的岩石圈都是漂浮的，這就防止了任何深度的俯衝，因此，兩個板塊的邊緣就會隆起或彎曲，從而形成巨大的山脈。地球上最高的喜馬拉雅山脈就是大約 5000 萬年前印度次大陸板塊與歐亞大陸板塊碰撞造成的（參見圖 2.10）。其他由匯聚型板塊邊界創造的主要山脈還包括：阿爾卑斯山脈、阿巴拉契亞山脈以及烏拉爾山，這也解釋了為何這些山脈的頂峰會發現海洋化石。
圖 2.10 喜馬拉雅山脈。
這條世界上最高的山脈是大約 5000 萬年前印度次大陸板塊與歐亞大陸板塊之間緩慢碰撞造成的
轉換型板塊邊界（transform plate boundaries）位於兩塊板塊發生摩擦同時又沒有創造或毀壞岩石圈地殼的地方。大多數轉換型邊界形成了兩塊大洋地殼之間的斷層，這些地方被稱為斷裂帶（fracture zones）。當相鄰板塊發生摩擦時，位於這兩塊板塊邊界的海底就會向相反方向移動。在大陸地殼上面，我們可以發現一些重要的轉換型板塊邊界。最著名的（可能也是最具破壞性的）是加利福尼亞的聖安德烈亞斯斷層，它是太平洋板塊向西北方向移動與北美板塊邊界發生摩擦形成的（參見圖 2.11）。這種活動持續了大約 1000 年，如果繼續發生的話，這條斷裂帶以西的加利福尼亞地區最終會成為一座海島。新西蘭阿爾派恩斷層（the Alpine Fault）是轉換型板塊邊界的另一個生動事例。
圖 2.11 聖安德烈亞斯斷層。
容易引發地震的加利福尼亞聖安德烈亞斯斷層，位於向西北移動的太平洋板塊與北美洲板塊邊緣發生摩擦的斷裂帶上
板塊構造論——地球科學的核心範式
板塊構造論已經成為現代科學最重要的範式之一。就像大爆炸理論解釋了宇宙的起源、自然選擇的進化論解釋了生命的變化和演進一樣，板塊構造論有助於我們理解地球發生的變化。它們解釋了隨著時間推移而發生的變化，因此，這三種重要的科學理論也是歷史的範式，正因為如此，我們把它們納入到這本論述大歷史的教材之中。板塊構造論解釋了許多與人類息息相關的現象，並且把許多此前被認為毫無關聯的地質進程結合在一起。板塊構造論解釋了造山運動、火山和地震現象、大陸的運動、海洋的形成、礦物的不同形成方式以及現代世界的面貌。像所有主要的科學範式一樣，板塊構造論也是一個不斷發展的模型，儘管如此，它依舊是現代地球科學的核心範式。