地球探秘:找寻地球失去的10亿年历史 冰雪覆盖的地球

2021年9月26日18:08:39来源:BBC 评论 7

地球探秘:找寻地球失去的10亿年历史 冰雪覆盖的地球

云雾缭绕的科罗拉多大峡谷

1869年7月3日的《芝加哥论坛报》(Chicago Tribune)在头版发了一条消息,标题是「可怕的灾难」。

这条新闻报导了一个探险队遇难的消息。这是由自学成才的独臂地质学家约翰·韦斯利·鲍威尔(John Wesley Powell)率领的探险队。他们的任务很简单,沿流经怀俄明州(Wyoming)的科罗拉多河的支流格林河(Green River)顺流而下1609公里,考察大峡谷,沿途记录他们的发现。但这个探险任务也危机重重。

自出发后已经有好几个星期没有人听到这个探险队的消息,公众越来越感到担心。这时,一名自称是探险遇难唯一幸存者的男子向这家报纸披露了噩耗。他说,他最后一次与队友在一起时,鲍威尔正站在船上,挥舞着帽子愉快地向他告别,但随即整个探险队就直接被卷入致命的急流中。根据这位讲述者之说,几个小时后,他只在河中发现一个地毯包,里面有鲍威尔的笔记本。

随后一个星期,探险队遇难的消息传了开来。但鲍威尔的妻子却不相信,结果证明她是对的。事件很快就搞清楚,这个消息人士可能从未见过鲍威尔本人,更不用说随同探险队前往考察。他的整个故事完全是编造的。

而就在此时,鲍威尔的探险队仍在其探险旅程中,完全不知道家乡发生了以为他们失踪的乌龙闹剧。不久之后,仍然活着的鲍威尔在大峡谷倒确实发现了一宗性质完全不同的失踪事件,而这一失踪事件让随后的地质学家困扰了整整150年。

消失的地质年代

鲍威尔的探险队组成很复杂,有捕猎者、疑似逃犯、印第安人向导、前编辑,甚至获释的囚犯。在乌龙消息见报的两个月前,探险队在四艘木船上装载了他们探险所需的一切,包括一些精密的科学仪器,在一群祝福者的簇拥下,升起了小小的美国国旗,然后驾船冲进了格林河汹涌的激流中。

这次探险将长达10个月,需要很大的勇气才能完成。探险队几乎每天都会遇到急流险滩、危险的瀑布和威胁到船只的水中暗礁,鲍威尔曾一度不得不急忙从宽达6公尺的红色泥流中脱险。探险队在出发后仅仅几个小时就失去了一只划桨,而仅仅两个多星期,他们的一只船就被激流冲走。最后,探险队的10名队员只有6人能够回家。

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鲍威尔1869年到大峡谷探险的时候,大峡谷在美国西部的地图上还是空白。当然北美原住民对它很了解

探险队于1869年8月13日首次到达大峡谷(Grand Canyon)。此时,他们只剩下一个月的口粮,即一些湿漉漉的苹果、腐烂的腌肉、发霉的面粉和一袋咖啡,而前面尚有许多未知的危险。探险队员仍轻松以对,照常开玩笑,但鲍威尔在日记中却这样写道,对他来说「欢快等于阴沉,玩笑即是可怕」。

即使在这个令人絶望的时刻,探险队依然被不断出现在眼前的自然奇观所震慑。他们放眼望去,四周是宏伟的悬崖、鬼斧神工的絶壁,以及千奇百怪、棱角分明、高耸如云的高崖,景物之壮观,如同到了巨人国。在所有这些自然奇景中,鲍威尔对悬崖尤其感兴趣,他后来描述大峡谷悬崖为「众神的图书馆」,是五颜六色岩层构成的「一本伟大著作的岩石书页」,一行一行地阅读这本书,可知地球形成的历史。

至少一开始看起来这本书确实是如此。但随后鲍威尔在大峡谷絶壁仰望令人头晕的高处发现了一些反常的东西。

站在悬崖底向上仰望,鲍威尔可以看到一大片坚硬的结晶岩石,大部分是花岗岩,以及片岩(即受到强烈压力的板岩或页岩),以不同寻常的垂直层状排列。在结晶岩石层上面是305公尺厚的红色砂岩带,就像所期望的那样呈现整齐的水平排列。

但这里发现了一个问题。鲍威尔数过垂直结晶岩的层数后,估计这部分岩石本应该达3050公尺,但实际测量后却发现只有152公尺。有整整2000多公尺厚的岩石不见了,竟然完全消失。他将这一怪事称为「地层大角度不整合」( The Great Unconformity),并自问,「这是怎么回事?」

今天,地质学家都知道,坚硬的结晶岩石最年轻的也有17亿年的历史,而砂岩层中最古老的岩石最早则形成于5.5亿年前。这意味着我们地球的地质记录中有超过10亿年是空白的。直到今天,没有人知道中间这层岩石为何消失了。

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地球上岩石是依照地质时间先后一层迭一层,但是地层大角度不整合却打破了这个规律

地层不整合在全球皆可见

虽然岩层缺失在美国大峡谷特别明显,但这种现象在全球是普遍存在。

美国伊利诺伊大学(University of Illinois)地质学系名誉教授斯蒂芬·马夏克(Stephen Marshak)说,「很多人甚至没有意识到,在他们脚下就有这样的现象。」他解释说,在任何大陆的中心地带,无论是美国、西伯利亚还是欧洲,如果向地层下钻得足够深,就会碰到这种神秘的两岩石层不整合现象。

马夏克说,「这即是说,在你脚下的每一个地方,都存在着岩石层不整合边界,有时接近地表,你可以看到,有时在地表以下几公里,但一定会在那里,除了地层被完全剥离的山脉中。所以这个地质现象很普遍,这告诉我们地球历史中有一个我们还未搞明白的非常、非常重要的故事。」

正如马夏克所暗示的,要想弄清楚在这消失的10亿年里地球发生了什么事件,以及导致了什么事件,这并非是无关紧要的一件小事。原因有二。

首先,这个地层不整合恰好发生在另一件令人费解的事件之前,即5.41亿年前地球生命的多样性突然爆发性的激增,这就是我们所称的寒武纪生命大爆发(Cambrian explosion)。

寒武纪生命大爆发是指地质史这样一个年代,原来海洋生命尽是零落分布怪异奇特,生物学很难分门别类的生物,比如状似科幻片巨型三叶裂变植物的奇怪东西,以及如同压扁了的巨大椭圆生物,但随后,竟突然之间丰富多样的生物在海洋中出现,许多主要的生物门类至今仍然存在于地球上。而更神奇的是,这个生命的突然大爆发是发生在1300 万年至 2500万年前的时间段,这在以亿年为计的漫长生命进化史上只是一眨眼的时间。

寒武纪时生命突然大爆发在19世纪40年代首次被发现,已证实还难倒了进化论之父达尔文(Charles Darwin)。达尔文承认寒武纪生命大爆发「令人百思不得其解」,并在他的传世名著《物种起源》(On the Origin of Species)中哀叹道:「对于寒武纪之下的地层缺乏大量生物化石,要找到一个合理的解释是非常困难的。」

其次,有科学家认为地球在失去地质年代的10亿年里经历了剧烈的气候变化,可能变成了一个巨大的冰球,地球表面几乎完全冻结。至于「雪球地球」如何形成,地球生命又如何活过10亿年的严寒,目前科学界所知甚少。

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发生在至迟6.5亿年前的「雪球地球」大冰期,甚至连赤道地带也被冰封

然而,如果我们知道在这个史前黑暗时代发生了什么,也许我们就能解答这些棘手的科学难题。

科罗拉多大学(University of Colorado)地质科学系副教授丽贝卡·弗劳尔斯(Rebecca Flowers)说,「在地球历史上这段时间发生了很多事件。所有这些事件显然都以某种形式相互关联,所以在地球历史的这个关键时期,理清这些不同过程之间的关系,我认为是非常重要的。」

理论一:雪球地球

关于长达10亿年地质年代消失的原因,有一种观点是受今天地球冰川状况的启示。比如说今天地球上第二大冰体格陵兰冰盖(Greenland Ice Sheet),这个巨大冰盖覆盖了格陵兰80%的面积,大约170万平方公里。

就像河流一样,冰川也会移动,但移动得非常缓慢。冰川移动时,会逐渐冲刷掉冰层下的地表。如果这种情况持续数万年甚至数百万年,最终这种侵蚀会冲刷掉大量的岩石层。因此,格陵兰岛到处都是冰川移动历史留下的伤疤,比如深峭的山谷和巨大的峡湾。

但是,虽然格陵兰的一些地区其地表被移动的冰川雕刻侵蚀,但也有一些地区因为被坚硬寒冷并不移动的冰川覆盖着,地表被安全地包裹在下面,因而未受到任何侵蚀。这些地区因岩石层基本没有变化,从而成为格陵兰的高原。

美国新罕布什尔州(New Hampshire)达特茅斯学院(Dartmouth College)地球科学系的助理教授C·布伦欣·凯勒(C Brenhin Keller)说,格陵兰这两种冰川,前者是地球科学家所说的「湿」冰川,而后者是「冷」冰川。

雪球地球理论认为,当地球还是一个巨大的雪球时,格陵兰冰川侵蚀地表的过程也适用于当时的整个地球表面。所以唯一的问题是,这个时代到底有多酷寒?冰川是「湿的」还是「冷的」?当时的冰川会强大到能够侵蚀掉整整10亿年的岩石层吗?

早在2018年,凯勒和其他几所大学的同行一起,试图回答上述问题。根据另一个研究小组几年前开发的研究模式,他们假设当时雪球地球的表面确实会有一个「湿」冰川,而且移动惊人。

按此模式,因为全球冰盖锁住了大量的水,地球海平面因而急剧下降。这会造成陆地到海洋的坡度更加陡峭,落差增加,地球表面的冰川因而会移动得更快速,这就像河流从山地流往低地流速会增加一样。

总而言之,凯勒的研究小组估计,这个开始于大约7.17亿年前,结束于大约5.8亿年前的前寒武纪大冰期,有能力将地表厚达3000至5000公尺的岩石层搬移原处,这一模式足以解释地层大角度不整合现象。

凯勒说,「我认为有充分的理由相信大冰期对地表的侵蚀相当大。」不过他也指出,被侵蚀的岩石量不可能在地球任何地方都是等量的,「因为冰川侵蚀并非普遍都一样,也有偶然因素。」这也许可以解释为什么世界上某些地方消失的岩石层比其他地方要少些。

然而,这还不是故事的全部,因为在新的沙岩层形成之前,还有4000万年的岩层空白。凯勒说,「我认为实际上发生的事情基本应该是这样的,(大冰期结束)最冷的部分被切掉,地球外壳就会变热。这让地壳较有浮力弹性。」这会推高地表,为更多的侵蚀铺平了道路,因为地势越高,就越容易被雨水和风等一般风化作用力所侵蚀。

理论二: 超级大陆的死亡

另一种理论是,造成10亿年岩层消失的罪魁祸首可能是罗迪尼亚(Rodinia)超级大陆。这是远古时代曾出现过的超级大陆,结合了今天的南极洲东部、印度、西伯利亚、中国、南美洲、北美的一大块地区和非洲的一部分,大约在10亿年前形成,然后逐渐分裂,直到7.5亿年前瓦解。

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冰川切割出的U型山谷在海水倒灌后,形成峡湾。

伊利诺伊大学(University of Illinois)地质学系的博士生迈克尔·德鲁西亚(Michael DeLucia)撰写了一篇关于罗迪尼亚超级大陆的论文。他说,「这个超级大陆基本上把世界上所有的地壳合并成一个巨大的大陆。」他解释说,大多数来自地球中心的热量通常是通过海床上的山脉,即海洋山脊释放出来。海洋山脊形成于地壳构造板块的边缘带。但当所有的大陆都挤成一团形成超级大陆时,释放地球中心热量的海洋山脊就会减少,所以罗迪尼亚超级大陆会变得很热。

德鲁西亚说,「当然,温度上升,就会膨胀。所以我们认为,基本上是罗迪尼亚超大陆下面的膨胀推动了地壳隆起事件,导致地壳垂直隆起大约6到8公里。」

地壳的隆起不仅加速了罗迪尼亚超级大陆的分裂,而且还可能抹去了之前10亿年发生的一切地质记录。同样,陆地隆起越高,也越容易被冰川所侵蚀。

根据这一理论,罗迪尼亚超级大陆在长达2亿年的时间里应该看起来就像一个巨大无比没有任何生命的丘陵高原,而当时的生命仍然只局限于围绕超级大陆的广阔海洋中。最终导致10亿年岩层被侵蚀到几乎为零。德鲁西亚说,「我们在当前所有大陆上都能看到这种侵蚀现象。」

但这还不是故事的全部结局。整个罗迪尼亚超级大陆的侵蚀量还会改变大气和海洋的化学成分,引起重大的气候变化。不过,这个过程可能与今天的世界气候暖化正相反。当时雨水冲刷超大陆的表面时,会释放出钙离子,钙离子随后被冲进海洋,形成碳酸钙(白垩的主要成分)。也就是说,罗迪尼亚超大陆的侵蚀作用会将二氧化碳困于海洋中,锁定于大气层之外,结果使得地球气温下降。

如果是这种情况,地球应该是在10亿年的岩层消失后变成一个雪球,而不是变成雪球之后才失去10亿年的岩石层。

也参与了这项研究的马夏克说,「雪球地球之形成甚至可能刮掉了地表更多的沉积物,从而加强并放大了地层大角度不整合现象。」最终,已裂解了的罗迪尼亚超大陆下面的17亿年前的老岩层会暴露出来,一旦地球气候再次稳定,就会与新形成的沉积岩直接连接起来,从而在其间形成整整10亿年的地质空白。

无论怎样的沧海桑田之变,但可以设想,当时会有无可计量的岩石被侵蚀被冲刷到海洋中,这可以解释为何随后会出现寒武纪生命大爆发。特别令人注目的是,在这个海洋中溶解的矿物质比以往任何时候都多的地质年代,海洋中开始出现许多需要以钙作骨骼和外壳的新生命形式。

不过马夏克强调,关于地球有10亿年岩层消失的原因,科学界的争论仍在进行中。他说,「有几个问题仍然存在争议,仍然是研究的主题。」

理论三:岩层消失不是源于单一事件

然后是最新提出的一种理论。

长达10亿年时间的岩层消失,只有两种可能。一是没有岩石沉积,一是所有岩石全部被移走,或者两者都有。

虽然地层大角度不整合现象在科罗拉多大峡谷最明显,但在世界其他一些地方也可以看到,其中之一是环绕加拿大东北部哈德逊湾(Hudson Bay)的一大片裸露的古代岩石盘,即加拿大地盾(Canadian Shield)。最近对加拿大地盾的研究有一个重大发现。

参与这项研究的弗劳尔斯说, 「看来,大峡谷的岩石大侵蚀发生在雪球冰川作用之前,加拿大地盾则发生在雪球地球冰川作用期间或之后。」

这表明,地质记录中的这一巨大的岩层中断不是单一孤立现象,而是至少为两个较小的间断,因为大约发生在同一时间,看起来像同一个大间断一样。

2021年早些时候,又出现了一个令人意外的发现。在鲍威尔那次决定性的探险刚刚过去150年,弗劳尔斯和她的同事们回到大峡谷进行了他们自己的调查。他们的发现很惊人:即便是大峡谷消失的10亿年岩层,也可能不是同时消失,而是在几亿年时间发生的几个独立事件中消失的。

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寒武纪大爆发之前的地球生命多是很怪异的软件东西,其中很多种在今天会无法归类确认

加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)的地质学教授弗朗西斯·麦克唐纳(Francis Macdonald)也参与了大峡谷地层研究,他说,「在这些时间尺度上,我们真的无法精确地确定10亿年岩层是在什么时间段失去的。所以之前的理论表明,既然如此,应该是一次性完成的,并且都是冰川的作用。但我们说,『不,这个丢失过程经历了数亿年』……当你得到更好的数据时会发现,这里多处的(地层不整合)彼此并不完全相关。」

如果遗失的两组岩石真的是各不相干,这表明其岩石层的遗失根本不是由雪球地球这样的特殊事件造成的。在这种情况下,弗劳尔斯认为可能是地质构造过程将地壳大幅向上推动而造成。或许也没有什么冰川侵蚀的作用,有可能是地壳大幅上升后,高海拔使得沉积物难以沉积成岩石,因此在这个时期就几乎无岩石层可言。

一个未解之谜

然而,有关地层大角度不整合现象仍没有定论。争论仍在继续中,所有与我交谈过的专家都强调需要更多的数据才能做结论。幸运的是,这可能很快就会改观。

麦克唐纳说,「我认为学界对这一地质之谜重新产生了兴趣。」10年前,关于大角度不整合及其成因的研究相对较少。但古怪的新理论的激增,以及能够检验这些理论的技术的出现已经改变了这个领域。

改变游戏规则的一项主要技术是一种称为热年代学(thermochronology)的技术,是通过测量岩石形成以来的温度变化来推断岩石的历史。

马夏克解释说,「例如,(用较老的年代测定方法),如果有人说他们测定一块花岗岩的年代,结论有1亿年的历史,他们通常指的是这块花岗岩是从岩浆冷却成固体的这个时间。」使用热年代学,你不是测定岩石形成的时间,而是这块岩石大致在什么时候被推到地球的表面,这可以披露很多有关远古时代地球深处发生的未知事件。

麦克唐纳说,「这项技术基本上给了我们一个窗口来找回这段岩层失踪时间的记录。」

地球到底隐藏了什么秘密?只有到揭晓时我们才会知道。

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