地质之谜:地球缺失长达10亿年的岩石层

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【新唐人北京时间2021年09月28日讯】一个半世纪以前的一支美国探险队在考察科罗拉多大峡谷期间,意外发现一宗神秘的失踪事件,即地球失去了长达10亿年时间的地质年代,而这一失踪事件让随后的地质学家一直困扰到今天,科学界的争论仍在进行中。

1869年,自学成才的独臂地质学家约翰·威斯利·鲍威尔(John Wesley Powell)率领10人组成的一支小队展开一项长达10个月的探险之旅。他们的任务很简单,沿流经怀俄明州(Wyoming)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(Grand Canyon),沿途记录他们的发现。

虽然在探险过程中危机重重,但他们却有幸目睹了很多自然奇观,宏伟的悬崖、鬼斧神工的绝壁,以及千奇百怪、棱角分明、高耸入云的高崖。但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。

但随后鲍威尔在大峡谷绝壁仰望令人头晕的高处时,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米厚的红色砂岩带,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有3050米的厚度,但实际测量后却发现只有152米厚。也就是说,整整二千多米厚的岩石竟然完全消失了。他将这一怪事称为“地层大角度不整合”( The Great Unconformity)。

科罗拉多大峡谷的岩层。(公有领域)

现在的地质学家们都知道,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。

地层不整合现象普遍存在

虽然岩层缺失在美国大峡谷特别明显,但这种现象在全球都可以见到。
美国伊利诺伊大学地质学系名誉教授马夏克(Stephen Marshak)对英国广播公司(BBC)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。“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,原来海洋生命仅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,但随后突然之间丰富多样的生物竟在海洋中出现,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发生在1300万年至 2500万年前“一眨眼”的时间段内。

科学家们日前在加拿大洛矶山脉的伯吉斯页岩中发现了一个已灭绝的寒武纪时期动物化石。图为这一物种的正面复原图。(J.-B. Caron and J. Moysiuk/Wikimedia Commons)

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”(snowball Earth)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。

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。

地层不整合现象的可能原因
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。

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。

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凯勒(C Brenhin Keller)带领的研究小组猜测,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3,000至5,000米的岩石层搬移原处,这一模式足以解释地层大角度不整合现象。

理论二: 超级大陆(supercontinent)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。

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。

理论三:岩层消失不是源于单一事件

然后最新提出的一种理论是,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。

最近科学家对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)开展了一项研究,结果有了重大发现。

参与这项研究的科罗拉多大学(University of Colorado)地质科学系副教授弗劳尔斯(Rebecca Flowers)接受BBC采访时说: “看来,大峡谷的岩石大侵蚀发生在雪球冰川作用之前,而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。他们惊奇地发现: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。

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,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。

参与大峡谷地层研究的加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)地质学教授麦克唐纳(Francis Macdonald)表示,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。

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。”

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。”

地球到底隐藏了什么秘密?只有到揭晓时我们才会知道。

(转自大纪元/责任编辑:叶萍)

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