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一部分地壳消失的原因或已破解
查字典地理网 来源|2019-01-21 发表|教学分类:地理科普

地理学习

学习资料

撰文:ROBIN GEORGE ANDREWS

一部分地壳消失的原因或已破解1

美国宇航局在2017年10月的“冰桥行动”中拍摄到这样一幅画面,冰川和岩石在南极半岛对峙。很久很久以前,整个地球都可能在“雪球地球”形成阶段大范围地出现图中的场景。

摄影:MARIO TAMA, GETTY

美国大峡谷堪称巨大的地质图书馆,那里的岩层告诉了我们地球发展史中的诸多故事。然而令人惊奇的是,部分规模可观的岩层仿若凭空消失,它们代表着12亿年前至2.5亿万年前的历史片段。

这种缺失某一时期岩层的现象被称作“大不整合面”,除了美国大峡谷,还有很多地方存在这一现象。代表寒武纪的岩层,其历史可以追溯到5.4亿年前,这些沉积岩中出土的化石蕴藏着复杂的多细胞生命。再往深处就是没有化石的结晶基底岩,大约形成于10亿年前,甚至更久。

那么这些消失无影的岩层都去哪里了呢?一支国际科考队借助多个证据链的分析,大胆推测“偷走”岩层的很可能是“雪球地球”,那段时期,地表的绝大多数区域都覆盖着厚厚的冰层。

该科研团队介绍,在那数以亿年计的漫长岁月里,三分之一的地壳或是被“雪球地球”的漂移冰川割锯,或是被冰川侵蚀。受此影响,这部分沉积物被推至覆盖了烂泥的海洋,随后又在俯冲板块的作用下被覆盖物吸纳。

该团队发表在《美国科学院院报》上的文章称,实际上,地球掩盖了大多数地区约五分之一的地质历史。这一观点简洁鲜明而又颇具挑衅意味,就连诸位作者都直言,此番言论必将挑起部分地质学家的舌战。

“但我认为,我们可能已经手握重大证据来支持这一非比寻常的论点。”该文章的作者之一、来自伯克利地质年代学中心的博士后研究员C. Brenhin Keller说道。

地球化学之谜

虽然“雪球地球”的具体细节未有定论,其触发与停止的机制仍有争论,但科学界对7亿年前这场灾难的存在愈发趋于认同。类似于今天发生在南极洲的种种现象,当时“雪球地球”上的大部分冰川都具有无与伦比的侵蚀作用:冰川主体的巨大压力致使底部融水充沛,对下方沉积物具有强力的掘蚀作用。冰川表面寒冷到极点,底部却是暗流涌动。

一部分地壳消失的原因或已破解2

在亚利桑那州的黑尾峡谷,寒武纪砂岩位于更古老的基岩“毗湿奴片岩”之上,这就是“大不整合面”现象。

摄影:EARTH GALLERY PHOTOGRAPH, ALAMY

“大不整合面”经常作为一种侵蚀特征来讨论,但有些地质学家对如此大规模的地壳被彻底抹除的观点表现出了畏缩。

然而,Keller在古老的锆石中找到了新线索。这种矿物质会在结晶过程中固化于地球化学环境中,所以哪怕是过了数十亿年,科学家依然能分离出锆石以探明地球曾经的样子。例如40亿年前的锆石就为我们提供了生命萌发时的线索。

最为特别的是,这些锆石拥有种类繁多的放射性同位素,就像是档案管理员一样为我们保存了各类信息。研究者能借助铀同位素精准地测出结晶物的形成年代;而铪同位素有助于解读地壳和覆盖物的奥秘,因为不同的同位素对应着不同的地质状况。

Keller及其团队便利用大量锆石样本,小心翼翼地揭开地壳在44亿年跨度中的地球化学发展史。他们发现,“雪球地球”学说中的起始年代出现了剧烈的地球化学变化,而且这一变化只能用大量地壳被改造为新的岩浆储源来解释。

这些锆石中的氧同位素显示,地壳还经历了低温水热过程。这就意味着,它处于与冰水接触的地壳表面,且被刮除,而不是处于更深处。

总而言之,这些证据清晰地表明地表发生了极为剧烈的侵蚀活动。虽然侵蚀活动就全球而言并不均匀,但总体计算下来,相当于3至5公里厚的岩层被清除。

可疑沉积物带来的惊喜

虽然这些地球化学证据非常有效,但近日科学研讨会上对相关论点的可能性大讨论使得该文的作者们意识到,还有很多要点需要阐明。

该文作者之一、来自科罗拉多州波德西南研究所的行星学家Bill Bottke说道:“6到7亿年前,地球失去了很多很多火山口。”一些古老的火山口仍然存在于稳定的大陆核心“克拉通”上,但这样的火山口既少又相距甚远。

对于如此神秘的现象,大规模的侵蚀活动看起来是个简单而有效的解释,但一直未找到真正的地质证据。在Bottke看来,地球极为擅长清除自己的痕迹。幸运的是,Keller关于“雪球地球”的地球化学理论为我们展现了一个合乎情理的解释。

据另外一名作者、来自南安普顿大学的地球科学副教授Thomas Gerno介绍,在寒武纪初期,地质沉积速率出现了巨幅抬升。所有新生成的沉积物需要庞大的空间来安置,那么似乎只有在此前经历了大规模的侵蚀活动,方可使其成为可能。

正如研究者所指出的,问题就出在“雪球地球”末期与寒武纪初始之间的漫长时段中。在“雪球地球”的侵蚀活动结束之后,为什么花了那么长时间才形成新的岩层。

其原因可能来自于多方面,其中之一是“雪球地球”的侵蚀活动实在太过剧烈,以至于地球上已没有多少地形地貌能供以侵蚀。“雪球地球”结束后,地球首先要做的就是“锻造”新的土地,这需要时间。

万有理论

伯明翰大学的地球科学名誉教授Ian Fairchild认为,不可能每件事物都配合的天衣无缝,但该理论似乎说得颇为合理,而且论据清晰。该教授并未参与本文所述研究项目。

Bottke希望研究团队的理论是对的,但他也乐于见到该文章引起地质科学界的诸多争论。他说道:“这些沟通对科学发展大有裨益。”

该文章还指出“雪球地球”的终点也是复杂形态生命的起点。因为冰川雕琢出峡湾这样的浅海区域,随着地球变暖,这些区域就是孕育生命的摇篮。另外,伴随着大规模的地壳损耗,很可能会出现重大的地球化学反应和环境变化,潜在地促进了后续的生物演化。如果结论属实,那么该文章的影响将极为深远。

本质上来说,古老冰川擦除地壳的活动或许直接促成了多细胞动物的多样化。

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