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好几亿年地球史的地层神秘消失 冰河将证据埋掉?

2017年10月NASA的冰桥任务,在南极半岛上拍到这张冰雪与岩石交界面的照片。 数百万年以前在所谓的「雪团地球」阶段,整个地球的情况很可能与这个极地景象类似。

2017年10月NASA的冰桥任务,在南极半岛上拍到这张冰雪与岩石交界面的照片。 数百万年以前在所谓的「雪团地球」阶段,整个地球的情况很可能与这个极地景象类似。 PHOTOGRAPH BY MARIO TAMA, GETTY

这片岩壁上显露出大不整合面:寒武纪的砂岩直接压在年代更为久远的维斯纽片岩的基岩上。 照片摄于亚利桑那州黑尾峡谷。 PHOTOGRAPH BY EARTH GAL

这片岩壁上显露出大不整合面:寒武纪的砂岩直接压在年代更为久远的维斯纽片岩的基岩上。 照片摄于亚利桑那州黑尾峡谷。 PHOTOGRAPH BY EARTH GALLERY PHOTOGRAPH, ALAMY

(36500365uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:ROBIN GEORGE ANDREWS 翻译:蔡雅铃):代表好几亿年地球史的地层不见了,那段消失的地质时间究竟发生什么事?地球地质史五分之一消失的原因,可能是因为全球各地的冰河将证据给埋掉了。

大峡谷是巨大的地质图书馆,重重的岩石层讲述许多关于地球历史的故事。 然而奇怪的是,一层代表2.5亿到12亿年不等的大型地层却不见了。

这个著名的「大不整合面」(Great Unconformity)的巨大时间空缺,不只出现在这个著名的峡谷里,在世界各地都能发现。 大约5亿4000万年前的地层属于寒武纪时期,这层沉积岩里压着复杂的多细胞生物化石。 紧邻其下的一层则是不含化石的结晶基岩,大约在十亿多年前生成。 那么中间这段时间形成的岩石都到哪儿去了?

各国地球科学家组成的团队从多条证据判断,偷走这地层的就是雪团地球(Snowball Earth)。 雪团地球假说认为,地球有一段时期被冰雪全面(或大部分)覆盖。

根据此团队的说法,那段消失的地层代表了大约十亿年不等的时间,而雪团地球上移动的各条冰河和它们的侵蚀能力,把地球将近三分之一的地壳「锯开」了,这些被冰河刮擦掉的沉积物被倾倒到泥雪覆盖的海洋里,再经由板块运动隐没于地函内。

研究团队在《美国国家科学院院刊》发表的研究中主张,地球把自己地质史的五分之一给埋掉的证据,实际上在许多地方都可看到。 这个见解很简洁,但也很耸动,连作者自己都预计一定会遭到某些地球科学家的质疑。 「不过呢,我认为我们手上握有非常好的证据,可以支持这个出众的论点,」这篇研究的第一作者布瑞恒. 凯勒(C. Brenhin Keller)说。 凯勒是柏克莱地质年代学中心的博士后研究员。

地球化学的幽魂

虽然关于雪团地球的细节、触发与结束机制的争议持续不断,但科学界愈来愈能接受地球在大约7亿年前曾是巨大冰冻「雪球」的想法。 而且就和我们今天在南极见到的情况相似,雪团地球上的众多冰河曾是非常强的侵蚀动力,来自上方冰雪的重量会形成压力,造成冰河底部湿滑1,因此能移动沉积物,尽管它表面的温度非常低。

大不整合面虽然常被认为是侵蚀作用的特征,不过这么大量的地壳被彻底抹去,让某些地质学家迟迟无法接受这样的观点。

不过凯勒在古老的锆石内发现了新线索。 这种顽强的矿物会把自己结晶化时所处环境的地球化学条件封存下来,数十亿年后的科学家就可以分析它们,来了解地球曾经的样貌。

特别的是,这些锆石里含有好几种有如记录器的放射性同位素。 铀同位素能让研究人员知道晶体形成时的精确年代。 其他如铪同位素等能揭露地壳和地函当时经历的事情,因为某些同位素有偏好某种地质环境的特性。

透过研究大量锆石,凯勒与团队仔细地解开地壳在44亿年时光中地球化学性质的演变。 他们看到理论上雪团地球的全球冰河作用开始时,地球化学性质有了很大的转变,而唯一的解释就是大量地壳被回收到新的岩浆库里。

锆石内的氧同位素也显示地壳曾经历过低温的热液变化。 这表示与冰、水接触并被铲断后隐没的是地壳最上面的表层地层,而不是更深的地层。

总而言之,这些证据都表明了地表曾经发生规模庞大的侵蚀作用,虽然对世界各地的侵蚀程度不一,平均来说有3至5公里厚的沉积层被扫除掉。

可疑沉积物里的意外发现

虽然地球化学的证据很有力,不过在最近举行的科学研讨会里的讨论,让所有共同作者了解到故事内容还有很多东西可以讲。

其中一件就是:「大约6到7亿年前,地球的陨石坑消失了。 」研究的共同作者比尔. 波奇(Bill Bottke)说。 他是西南研究院的行星科学家和小行星专家,该院位于科罗拉多州的波尔德。 某些古代的陨石坑还存在于稳定的大陆核心(cratons,又称克拉通)上,不过数量很少而且彼此距离遥远。

这个谜团可以很简单地解释,也就是存在某个规模非常大的侵蚀事件,但过去想要找到一丁点儿证据都是很困难的。 不像其他行星,「地球对于抹去自己过往的痕迹是非常拿手的。 」波奇说。 幸运的是,凯勒的地球化学证据清楚表明了,雪团地球能很自然地解释这样的情况。

还有一点,就是沉积率在寒武纪初期时大幅上扬。 南安普敦大学地球科学副教授托马斯. 葛农(Thomas Gernon)说,所有新的沉积物都需要很大的空间来沉积,而唯有先前发生过剧烈的侵蚀事件才有可能获得这样的空间。

但研究人员也指出,他们的数据还存在一个问题,那就是预测雪团地球结束时间到寒武纪开始时,中间的数百万年仍然是一段空白。 现在还不清楚所有侵蚀停止后,为什么新岩层的生成还得花上那么久的时间。

虽然这很可能是多种因素同时造成的,但其中一个可能性就是雪团地球的侵蚀力非常强,导致结束后没有什么地形留存下来。 于是地球需要先形成更多土地,而这很花时间。

面面俱到的理论

没有参与这个研究的伯明翰大学地球科学名誉教授伊恩. 菲尔柴德(Ian Fairchild)指出,可以理解这个研究无法把所有事情都解释得很完美,不过它所叙述的过程「十分合理」,而且各个论点都「相当高明」。

波奇希望这个团队的论点是正确的,但无论如何,他很高兴这篇论文能激起对这个地质谜团的论辩。

「这种对谈正是驱动科学前进的力量。」他说。

若这理论能被证实,它的含意可能非常重要。 毕竟这个研究指出,复杂的生命形式是在雪团地球大规模侵蚀事件结束之后才出现的。 冰河可能会切割出像峡湾这样的浅海地形,而当地球回暖时,这些地区会成为生命的安居之所。 这样庞大的地壳耗损,也可能与对生物演化有帮助的重大地球化学与环境变化同时发生。

从本质上来讲,多细胞动物的多样化,有可能是古代冰河消切地壳所造成的直接结果。




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