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    為什么地球山脈停止上升長達10億年?

    為什么地球山脈停止上升長達10億年?由于風化侵蝕,再加上板塊構造不再向上推動,美國東南部的阿巴拉契亞山脈正在緩慢地縮小。在地球歷史上,大約10億年里,幾乎所有的山脈都停止了增長,但具體原因仍然不確定。
    攝影:ROBB KENDRICK, NAT GEO IMAGE COLLECTION

    撰文:MAYA WEI-HAAS
     
      如果能回到10億年前,你會發現,地球表面最吸引人的地方可能是這個世界平淡無奇。沒有樹木,沒有蟲子,也沒有鳥從頭頂飛過。唯一的生命是簡單而又渺小、黏糊的原始湯。
     
      發表于《科學》的一項新研究指出了另一個缺失的特征:高山。
     
      現代地球的構造板塊在不停地移動,仿佛緩慢的舞蹈,重塑著地球表面。大陸之間的碰撞使地殼變厚,讓山脈抬升,向著天空延伸,比如喜馬拉雅山。
     
      但在地球深處,那些微小的鋯石晶體中藏著一些線索,表明板塊構造并不總是像今天這樣。在18億年前至8億年前這段時間(被稱為“無聊的10億年”)里,大陸似乎變得越來越“瘦”。這背后的確切原因仍是一個謎。不過,最薄的時候,陸地只有現在的三分之一;研究人員認為,這種變化的部分原因在于板塊構造減速。
     
      研究人員還推測,這層薄薄的地殼可能延緩了生命的進化,正如我們所知道的那樣。微小的山脈會減緩地球巖石的侵蝕,從而減少海洋生物賴以生存的營養物質。
     
      “當時就像一場海洋饑荒,”北京大學的地球化學家、新研究的首席著者唐銘說。但不久之后,大陸又開始變厚,大量營養物質推動進化向更大、更復雜的生命發展。
     
      “這篇論文提出了更多問題,而非答案,”加拿大女王大學專門研究地質構造學的地球化學家Christopher Spencer說。但他表示,總體來說,這項研究可以作為“跳板”,讓我們更好地理解現代世界的形成過程。
     
    叩問巖石
     
      唐銘在分析西藏南部喜馬拉雅地區的花崗巖時,注意到鋯石晶體中有一個奇怪的圖案。隨著地球內部巖漿冷卻,形成了這些微小的時間膠囊,記錄下了地球古代環境的化學印記,而且它們幾乎堅不可摧。研究人員已經發現了近44億年前,地球誕生后不久形成的鋯石。
     
      唐銘意識到,在西藏發現的鋯石晶體的化學成分變化,與母巖形成過程中大陸厚度的變化同步。
     
      唐銘說,之前科學家通過觀察巖石中鑭和鐿元素的相對含量,來確定大陸的厚度。但利用巖石本身來窺探過去卻很困難,因為自地球形成初期以來,幾乎沒有完整的巖石留存至今,地質歷史上存在空白。
     
      “這就像讀一本缺了四分之三的小說,”澳大利亞莫納什大學的地質學家Peter Cawood說,他沒有參與此次研究。然而,鋯石經久不變,讓科學家得以了解這顆星球更完整的歷史。
     
      唐銘和團隊開發了一種新的研究方法:用鋯石來估算大陸的厚度:他們發現,晶體中銪元素的含量會隨著大陸厚度的變化而改變,之前科學家已經用巖石化學方法測算出了大陸厚度的變化情況。
     
      去年,唐銘和團隊把新模型發表在《地質學》雜志上,然后開始利用這個新工具。他們收集了之前研究過的鋯石數據,并描繪了它們隨時間流逝的化學變化情況。這些鋯石來自全球各地,數量超過1.4萬塊。他們發現了一個明顯的模式:在所謂的“無聊的10億年”里,地殼在不斷變薄。
     
      “我們沒有預料到,”唐銘談到這個模式時說。在地殼變薄的同時,古代造山運動的其他很多標志也消失了,科學在之前的巖石記錄中發現了這些標志。與侵蝕有關的鍶出現了明顯變化,同樣地,鉬和鈾從海洋巖石中完全消失;富含磷的巖石變得稀少。
     
      “所有這一切都可以用大陸更平坦的模型來解釋,”唐銘說。
     
    粘稠的蛋糕
     
      雖然這種地殼變薄的確切過程我們仍不確定,但唐銘和同事認為,這種變化可能部分源于板塊構造減速。沒有了持續上升,再加上風和水對巖石的侵蝕下,山峰慢慢變平。
     
      研究團隊認為,這種減速是因為無聊的10億年里,地球表面熱量分布有所變化,當時大陸基本上都集中在一個超大陸上。
     
      唐銘認為,超大陸下方過多的熱量會造成海洋地殼下變冷,影響構造板塊運動。
     
      然而女王大學的Spencer表示,地質構造變緩不完全符合地質記錄。雖然板塊沒有在全球范圍內出現驟變,但仍存在巖漿活動;近40%的北美大陸形成于這一時期。如果在南加州和拉布拉多之間畫一條線,那么你會發現,東南方向的一切形成于18億年前到10億年前,Spencer說,如果沒有活躍的構造運動,這是不可能發生的。
     
      除了構造運動減緩的問題外,超大陸覆蓋層的假設提出了另一種可能性:地面下方過多的熱量削弱了上方的巖石。這種現象會導致地面變平,因為炙熱的巖石無法支撐高大的山脈。
     
      “有點像一個粘稠的蛋糕,”Cawood說。只要糖的結構是冷的,那就能保持形狀;但一旦加熱,糖就會開始滲出。
     
      “我認為這才是論文的核心,”Spencer說。也許地殼變薄并不是因為造山運動趨于停止,而是這個過程的發生方式有所變化。
     
      賓夕法尼亞州立大學的變質地質學家Andrew Smye沒有參與此次研究,他說,多余的熱量和薄薄的地殼或許可以解釋碰撞過程中產生的一組特別的巖石,碰撞造就了羅迪尼亞超大陸。就這些巖石的深度而言,它們形成過程中的溫度似乎比預期要高,熱而薄的地殼可以解釋這一點。
     
      不過唐銘認為,斷斷續續的構造運動和變弱的地殼可能都起了作用;他說,10億年前的地球是什么樣,我們還有很多未知。他的團隊的研究工作為無聊的10億年增添了不少有趣的地方,并強調了一些科學家過去提出的觀點:也許這個時期并沒有那么無聊。
     
      “我不認為無聊,它不是安靜或者靜止的,”Cawood說,他用“中間時期”(Middle Age)形容這個時期。但他表示,名字無關緊要,重要的是這個時期明顯不同于其他時期。
     
      “很顯然,當時發生了一些有意思的事情,”Smye說。
     
    (譯者:Sky4)
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