约翰•图佐•威尔
逊(John Tuzo Wilson，1908—1993)
威尔逊旋回学说的来龙去脉
王志朗
1
，费小倩
1
，姜瀚
1
，颉炜
1
，黄小龙
2
1 河海大学海洋学院，自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室
2 中国科学院
广州地球化学研究所
，同位素地球化学国家重点实验室
第一作者：王志朗，2021级本科生，海洋科学专业.
通信作者：颉炜
，副教授，研究方向：洋中脊岩浆岩地球化学.
威尔逊旋回（Wilson cycle）学说是揭示地球演化奥秘的一种科学理论，描述了大洋或大陆板块的聚合和分离的全过程。这个过程包括以下几个阶段：1胚胎期：大陆岩石圈开始崩裂，形成裂谷，逐渐扩张成为洋中脊。2幼年期：
洋中脊继续扩张，形成
陆间海
。
3成年期：洋盆扩张，活动集中在大洋中心，陆架沉积丰富。4衰退期：洋盆收缩，出现俯冲边缘，活动减弱。5终结期：洋盆进一步收缩，两侧陆地逐渐靠拢，海盆日益缩小。6遗痕期：大洋消亡，两侧陆地碰撞，形成地缝合线，留下山系痕迹。
大洋的演化以张开和关闭的循环形式展现，主导了地球表层的活动和演化，体现了板块构造的精髓。这一理论由加拿大地质学家J.T.威尔逊创立，为纪念
J.T.威尔逊的重大
科学贡献，
1974年，两位英国地质学家提出“威尔逊旋回”
这一名称
。
如今，威尔逊旋回已经深深地扎根在地球科学理论中，让后来者深深信服，
常见于
教科书，
也经常成为各类考试的内容
。但其辉煌的成就并非一蹴而就，经历了非常曲折的发展历程。本文将从威尔逊旋回的理论基础、诞生之刻、逐步成熟和支撑之柱四个方面详细介绍这一学说的来龙去脉。
全球著名的加拿大地质学家威尔逊曾多次来到中国，为中国讲授构造地质学，去往中国多地旅行，与中国人民建立起了深厚友谊，文中介绍了威尔逊与中国的故事。
基金项目：
国家自然科学基金资助项目（42276067），河海大学大学生创新创业训练计划项目（2023102941233）
0 引言
1 何为威尔逊旋回?
2 威尔逊旋回的发展历程
2.1 威尔逊旋回的理论基础
2.2 威尔逊旋回的诞生之刻
2.3 威尔逊旋回的逐步成熟
2.4 威尔逊旋回的支撑之柱
3 对威尔逊旋回的思考
3.1 威尔逊旋回与其他学说的联系
3.2 威尔逊旋回中待解答的科学问题
4 威尔逊其人及与中国的故事
5 后记
因为大洋的生成与消亡，大陆与大陆之间也存在“合久必分，分久必合”的现象。巧妙的是，威尔逊旋回（Wilson Cycle）学说（后文均简称为“威尔逊旋回”）从科学的角度揭示了这种“世间多分合，山水亦如此，循环常往复”的规律。“威尔逊旋回”这一术语是1974年由约翰•弗雷德里克•杜威（John Frederick Dewey）和凯文•查尔斯•安东尼•伯克（Kevin Charles Antony Burke）两位英国地质学家为纪念伟大的加拿大地质学家和地球物理学家约翰•图佐
•
威尔逊（John Tuzo Wilson）对大洋形成、演化与消亡的高度总结而正式命名的。威尔逊旋回之所以掀起了地球科学界的巨浪，引得无数后继者响应，是因为它彻底改变了人们对地球过去40多亿年里是如何运作和演化的认知，推翻了地球固定论的观点，推动了板块构造理论革命的伟大胜利。在如此辉煌又灿烂的成就背后，威尔逊旋回是如何脱颖而出的?让我们打开回首往事的窗户，走进威尔逊旋回与威尔逊本人，去探究威尔逊旋回的发展历程。
威尔逊旋回是描述大洋盆地从形成到消失整个演化过程的地质学理论。其演化由大陆岩石圈裂解开始，以裂谷为生长中心形成新的大洋岩石圈，之后通过洋中脊进行海底扩张进一步形成成熟的大洋盆地，随着大洋岩石圈向两侧的大陆岩石圈下方俯冲，洋盆缩小并最终消失，两侧大陆岩石圈又拼合成一整体的过程。威尔逊旋回描述了大洋的生命周期，表征着大洋盆地“生与死”的演化过程，为地球科学家提供了一个全新的见解，即沿着同一板块边界，洋盆的反复打开与关闭或许是超大陆的分离与汇聚的一个关键过程（Wilson R W et al.，2019）。
1.1 威尔逊旋回的完整期次
1968年，威尔逊在他的文
章Static or mobile Earth：the current scientific revolution（
《静止或是运动的地球：当前的科学革命》）中依照大洋盆地的形成和打开以及收缩和关闭将大洋盆地的演化过程分为六期（图1a）：
1）胚胎期：
大陆岩石圈因拉伸作用开始张裂，出现裂谷，如东非大裂谷等；
2）幼年期
：裂谷进一步打开，洋盆初步形成，如红海、加利福尼亚湾等；
3）成熟期：
新生洋盆通过海底扩张进一步形成更大的洋盆，并且与大陆相连的两侧洋盆未发生消亡（板块俯冲作用），如大西洋等；
4）衰退期：
洋盆虽然继续扩张增生，但大洋边缘板块俯冲作用较为强烈，洋盆开始收缩，如太平洋等；
5）终了期：
板块进一步俯冲，洋盆进一步收缩，导致两侧大陆板块相互逼近，仅残留很小的洋盆，如地中海等；
6）碰撞期：
洋盆完全消失，两个陆地板块相向碰撞，仅留存洋盆发育的痕迹（缝合线），如喜马拉雅山脉等。近几十年来，地质学家对全球构造有了进一步认识，故在威尔逊旋回六期的基础上新添了两期（见图1b；WilsonRW et al.，2019）：
7）遗痕期：
构造活动减弱，大陆保持相对稳定，无造山活动，如北美西海岸等；
8）克拉通期：
盆地凹陷，发生热沉降，逐步接受外来沉积，如西伯利亚西部等。威尔逊旋回八大期次的具体变形过程、运动原理以及对应的阶段性地质特征请详见图1与表1。
图1 (a)原始威尔逊旋回；(b)新威尔逊旋回
表1 新威尔逊旋回简介（据Wilson R W et al.，2019修改）
如今，威尔逊旋回已经深深地扎根在地球科学理论中，让后来者深深信服。但其辉煌的成就并非一蹴而就，而是如同威尔逊旋回发展的主要进展图所示（图2），经历了非常曲折的发展历程。本文将从威尔逊旋回的理论基础、诞生之刻、逐步成熟和支撑之柱四个方面详细介绍这一学说的来龙去脉。
图2 威尔逊旋回发展的主要进展图
在大陆漂移学说问世之前，海洋在漫长的地质年代里一直变化着，只是在地球上生活了500万年的人类感觉不到她微妙的心跳脉搏而已。甚至在20世纪60年代中期之前的全球构造学学术论坛中，大多数人认为大陆和大洋的位置是保持固定的，仍未发现海洋在悄无声息地变化着。当时，人们将这种固定论观点称之为地槽学说，指的是大陆尺度上的超级盆地（包括我们现在认识的被动大陆边缘、前陆、海沟和岛弧等），即便在发生变形或处于造山时期，也能保持位置上的固定不变（Kay，1951）。
虽然该时期以地槽学说为主导，却不乏有与之逆向而行的开创性学说的提出，为威尔逊旋回的形成奠定了重要基础。首先就是我们所熟知的大陆漂移学说。1912年，德国地质学家、气象学家和天文学家阿尔弗雷德•魏格纳(Alfred Lothar Wegener)在发表的Di
e Entstehung der Kontinente
(德文版《大陆的起源》)一文中提出：大陆是由坚硬的硅铝质岩石组成的硅铝层，漂浮在主要由硅镁质岩石组成的硅镁层之上；由于曾经连续成片的硅铝层发生破裂，其碎片在地球的自转下漂流到现如今的地理位置，也就是今天我们所看到的大陆，硅镁层的可塑性(粘性)造就了大陆漂移。欧洲和非洲曾经与北美洲和南美洲连在一块，组成一个超级大陆，即盘古(Pangea)大陆。由于当时的观测结果无法用物理学来证明和解释大陆漂移，魏格纳的观点因此备受冷漠和唾弃。
1915年，英国地质学家亚瑟•霍姆斯(Arthur Holmes)首先认识到放射性衰变是地球内部的重要热源之一。1916年，英国物理学家罗德•瑞利(Lord Rayleigh)就大陆漂移的动力学问题提出了热对流假说，但当时的科学家还不能完全理解它。对此，Holmes于1928年提出地壳的运动是由于地壳之下的熔体层发生对流导致的，并进一步指出这种熔体对流在垂向运动上类似于大气环流，水平运动方向则类似于季风环流。1937年，美国地球物理学家诺曼•亚伯拉翰•哈斯克尔(Norman Abraham Haskell)最先对地幔的粘性进行估算，为熔体层的对流提供了理论依据。有了这一系列“非常规”认识之后，1944年Holmes正式提出地幔对流假说，即在整个地质历史时期，地幔都在对流单元中流动，这种对流能使地壳发生移动，具备了解释地表地质特征(如大陆运动、裂谷和造山带)的可能性。
1959年，美国的两位地质学家玛丽•萨普(MarieTharp)和布鲁斯•查尔斯•希森(Bruce Charles Heezen)成功绘制了北大西洋海底地形图(图3)，并发现了大西洋洋中脊的存在。海底地形图的问世，犹如蒙娜丽莎的微笑艺术再现，地球科学家哪怕只是不经意的一瞥，也会被洋底宛若游龙的山链所吸引，何况还有如刀割的横向断层存在。这一巨大的海底山脉极大地促进了海底扩张学说的诞生。1961—1962年，美国地质学家哈里•哈蒙德•赫斯(Harry Hammond Hess)和美国地球物理学家和海洋学家罗伯特•辛克莱•迪茨(Robert Sinclair Dietz)首次提出海底扩张学说，这是地幔对流的直观体现，打消了海底不存在任何形变的疑惑。从此之后，大陆漂移学说逐渐被越来越多的学者认可，整个地球科学界开始进入一场星星之火成燎原之势的革命潮流当中。
图3 玛丽所作的大西洋海底全景图的原手稿
早期受地槽学说的影响，威尔逊并不认可大陆漂移学说。主要有两个原因：一是阿尔弗雷德•魏格纳(Alfred Lothar Wegener)和美国冰川学家弗兰克•伯斯利•泰勒(FrankBursleyTaylor)认为大陆漂移是在新生代或者中生代之后开始的，威尔逊对大陆漂移的起始时间表示质疑，认为大陆如果真的可以漂移，那中生代之前也很可能存在；二是在阿巴拉契亚山脉与加拿大地盾的研究经历中，让他坚信造山运动并不会随地质时间的演化而发生明显的位移，同时认为大陆漂移学说的证据不够充分，没有解决大陆为什么会漂移的问题，其运行机理和动力来源不明确（Polat，2014）。
1959年，威尔逊还不能完全接受大陆漂移学说，他对此说道：因为魏格纳没有解释清楚大陆漂移的原理，这让他更偏向于“在太古宙时期，大陆以地核为球心而固定演化”的固定模型（Wilscn J T，1959）。直到1961年底，他在阅读完Dietz关于“海底扩张在大陆漂移中的作用”的相关文章之后，对大陆漂移学说的看法才迅速发生转变（Hoffman，2014；Wilson J T，1961）。自那之后，他开始与支持大陆漂移以及海底扩张的学者深入探讨，从此义无反顾地投身到新的大地构造革命浪潮中。1965年，他发表了题为
A New Class of Faults and Their Bearing on Continental Drift（
《一种新的断层及其对大陆漂移的影响》）的论文，首次提出了转换断层的概念，指出大陆漂移存在第三种运动——除简单的离散和汇聚外，板块还会相互错动，为大陆如何漂移与海底如何扩张提供了新的见解（Wilson J T，1965）。与此同时，他的朋友爱德华•布拉德（Edward Bullard，英国地球物理学家）发表了关于环大西洋大陆的定量拟合和地图重建（Bullard et al.，1965），这给他带来了新的科学启发。1966年，威尔逊的又一部经典代表
作Did the Atlantic close and then reopen?（
《大西洋是否关闭后又重新打开?》）问世，通过讲述大西洋的反复开合（图4），开创性地对板块构造提出新的理解。它不仅很好地解释了大西洋两岸动物分布规律的原因，也建立起了威尔逊旋回六大期次的雏形（Wilson J T，1966）。两年后，他又进一步阐述了地球动力学的三个关键要素（Wilson J T，1968），
Burke
（2011）
将该要素总结归纳为板块构造、地幔柱和威尔逊旋回，彻底改变了地质学家对地球构造过程的看法。
图4 大西洋反复开合的历史演化图
一石激起千层浪，威尔逊的诸多创新性成果在地球科学界引起了巨大反响，致使越来越多的科学成果为海底扩张和洋盆演化等学说的成熟完善提供了可靠证据和卓越见解，板块构造的概念也随之慢慢建立起来。总而言之，1961年这一年，对威尔逊而言是至关重要的转折点，倘若他并未转变思想，依旧选择走地槽学说的道路，也许就不会有今后的威尔逊旋回。这样一个有胆魄，有眼界，有决心，有毅力，有判断力的学术精神是值得我们学习和借鉴的。为了突出威尔逊对地球科学的辛勤耕耘与卓越贡献，许多关于他的纪念性文章相继发表，以表示对他推动地球科学伟大革命致以崇高的敬意(Burke，2011；Dewey，2016；Garland，1995；Polat，2014；Wilson R W et al.，2019)。
“大西洋反复开合”的学术思想自提出后被广泛认可，吸引了越来越多的学者对它进行学习和研究并进一步补充，使其变得更加成熟和完善。1972年，Dietz基于“大西洋曾经打开过，但又闭合过，之后再次重新打开”的假设，推测产生阿巴拉契亚褶皱带的褶皱机制，对其绘制了一幅演化模型示意图。后人基于该模型示意图精雕细刻，刻画出了一幅幅崭新的威尔逊旋回模型示意图。1973年，加拿大地球科学家约翰•亚瑟•杰克伯(John ArthusJacobs)总结了威尔逊旋回各个期次的具体特征和实例(表1的最早期版本)。1974年，Dewey和Burke两位英国地质学家为了纪念威尔逊对大洋形成、演化与消亡的高度总结而正式命名为威尔逊旋回(Wilson cycle)
o
虽然威尔逊旋回是讲述大洋开合的洋盆演化，但在构造方面也被广泛认为是大陆的聚合和分离。因此，20世纪80年代，威尔逊旋回逐渐发展到超大陆旋回学说，其中关于板块构造与地球演变、气候变化与生物演化之间的联系也开始慢慢被挖掘出来。1984年，超大陆的聚合和分离首次被英国地质学家理查德•达米安•南斯(Richard Damian Nance)等三位学者提出。1988年，Nance在威尔逊旋回的基本思想之上，提出超大陆旋回学说：随着地质年代的时针向前拨动，大陆经历了多次聚合和分解的构造运动，大部分或所有的大陆曾多次聚集形成一个超级大陆，也曾多次分裂成许多较小的大陆碎块，之后又重新汇聚形成一个超级大陆，从而形成一个个旋回，且具有周期性。根据各大造山事件和裂谷事件的时间规律来推测，一个完整的旋回周期大约需要5到7亿年。这样一种周期性的构造运动，很可能推动了地球地质构造运动和气候变化，并促使生物演化(Nance et al.，1988，2014)。
从本质上讲，威尔逊旋回和超大陆旋回概念是可以互换的，它们都是描述大洋或大陆板块的聚合和分离；当然，有学者更喜欢将它们区别开，因为它们可能在不同时间、空间和尺度上运作时有着显著差异(Heron，2019)。由此可见，超大陆旋回是威尔逊旋回成熟的直观体现，更是一种升华。威尔逊旋回在后继学者的共同努力下，蓬勃发展，不断地补充和完善，在地球科学的道路上行将致远。
随着技术与设备的发展，越来越多的新方法和新数据为威尔逊旋回提供了强有力的证据支撑。如1967年，美国地球科学家唐纳德•特克特(DonaldTur-cotte)和英国地质学家罗恩•罗纳德•奥克斯伯格(Lord Ronald Oxburgh)首次提供了关于如何将大洋岩石圈理解为地幔对流的上边界层的定量分析。1971年，美国地球物理学家约翰•埃特尔•杰克•奥利弗(JohnErtleJackOliver)等人利用全球地震仪网络精确确定地震位置，从而描绘了浮在地幔上的板块，进一步解释了大洋的打开和关闭。之后，在电子计算机的快速发展及技术支持下，美国地质学家丹•麦肯齐(Dan McKenzie)等人在1974年带来了一项里程碑式的贡献：利用对流方程的数值解释地幔对流对板块移动速度、地形、重力和热流等表观参数的影响。随着计算能力的迅猛提升，用于对流模拟的计算已然成为探索地幔对流是如何控制板块构造的一项重要工具。另外，继北大西洋海底地形图成功绘制发表十八年后，Tharp和Heezen在1977年完成了全球海底地形图的绘制，再次震惊了整个地球科学界。从先前海底年龄的计算到地震震源机制的揭秘，从当初的北大西洋海底地形图到全球海底地形图，这一系列成果的进展为大陆漂移、海底扩张以及威尔逊旋回提供了强有力的证据。
总结前人的诸多成果，支撑威尔逊旋回的证据主要有以下五点：指示大洋闭合的蛇绿岩套的发现、以及揭示海底扩张的地质年代学方法和地磁数据的挖掘；不断更新和积累的全球地震和重力等地球物理实测数据的解译；基于计算机技术支持，像GPlates等软件对过去板块结构和地幔对流的重建和论证；飞速发展的全球定位导航系统(GPS)精确测量出的板块边界位移方位和速率的佐证；矿物流变定律等显微构造定量计算岩石圈变形机制的正反演。
时代在进步，方法和技术在革新，我们唯有与时俱进，开拓创新，才能为威尔逊旋回筑就更为坚固的地基，令其屹立万年而不倒。
回顾完威尔逊旋回的发展历程，我们总结出威尔逊旋回与其他学说之间的关系：1)大陆漂移学说作是威尔逊旋回的理论基础，为威尔逊旋回开辟了一条与固定论截然相反的道路；2)海底扩张学说为威尔逊旋回提供了“大洋是在变化着的”背景，引领其目光聚焦在洋盆演化阶段上，进而解释大陆的聚合与分离；3)地幔对流学说作为威尔逊旋回的主要驱动源，令威尔逊旋回的运作过程得以生动形象地描摹出来；4)板块构造理论是对威尔逊旋回更为全面的诠释，而威尔逊旋回作为板块构造理论的主体，决定了板块构造理论的中心思想；5)超大陆旋回学说则是对威尔逊旋回的升华，将聚焦在大洋的目光转移到了大陆上，基于“大陆的合久必分，分久必合”，提出了超大陆分离聚合的循环过程。
板块构造理论与威尔逊旋回自20世纪70年代提出以来，已经取得了巨大飞跃和进步。然而，它们也和大多数科学领域一样，当观察到的现象得到解释或提出的问题得到解答时，新的疑惑又会油然而生。虽然威尔逊旋回已经在地球科学的道路上走得足够远，但它在一些重要研究方向上的科学问题仍有待解答(Wilson R W et al.，2019)，如：1)如何辨识老的威尔逊旋回?可以用什么样的标准去分辨?哪一次旋回是第一次超大陆旋回?第一次威尔逊旋回又发生在什么时候?板块构造是什么时候在早期地球的高温地幔之上开始运作的?2)是什么驱动着超大陆的漂移?这个驱动力是否位于地幔内部和/或由俯冲带提供的?如果是后者，俯冲又是如何启动的?
