地球探秘:找尋地球失去的10億年歷史

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雲霧繚繞的科羅拉多大峽谷(Credit: Getty Images)
雲霧繚繞的科羅拉多大峽谷(Credit: Getty Images)

1869年7月3日的《芝加哥論壇報》(Chicago Tribune)在頭版發了一條消息,標題是「可怕的災難」。

這條新聞報導了一個探險隊遇難的消息。這是由自學成才的獨臂地質學家約翰·韋斯利·鮑威爾(John Wesley Powell)率領的探險隊。他們的任務很簡單,沿流經懷俄明州(Wyoming)的科羅拉多河的支流格林河(Green River)順流而下1609公里,考察大峽谷,沿途記錄他們的發現。但這個探險任務也危機重重。

自出發後已經有好幾個星期沒有人聽到這個探險隊的消息,公眾越來越感到擔心。這時,一名自稱是探險遇難唯一倖存者的男子向這家報紙披露了噩耗。他說,他最後一次與隊友在一起時,鮑威爾正站在船上,揮舞著帽子愉快地向他告別,但隨即整個探險隊就直接被捲入致命的急流中。根據這位講述者之說,幾個小時後,他只在河中發現一個地毯包,裏面有鮑威爾的筆記本。

隨後一個星期,探險隊遇難的消息傳了開來。但鮑威爾的妻子卻不相信,結果證明她是對的。事件很快就搞清楚,這個消息人士可能從未見過鮑威爾本人,更不用說隨同探險隊前往考察。他的整個故事完全是編造的。

而就在此時,鮑威爾的探險隊仍在其探險旅程中,完全不知道家鄉發生了以為他們失蹤的烏龍鬧劇。不久之後,仍然活著的鮑威爾在大峽谷倒確實發現了一宗性質完全不同的失蹤事件,而這一失蹤事件讓隨後的地質學家困擾了整整150年。

消失的地質年代

鮑威爾的探險隊組成很複雜,有捕獵者、疑似逃犯、印第安人嚮導、前編輯,甚至獲釋的囚犯。在烏龍消息見報的兩個月前,探險隊在四艘木船上裝載了他們探險所需的一切,包括一些精密的科學儀器,在一群祝福者的簇擁下,升起了小小的美國國旗,然後駕船衝進了格林河洶湧的激流中。

這次探險將長達10個月,需要很大的勇氣才能完成。探險隊幾乎每天都會遇到急流險灘、危險的瀑布和威脅到船隻的水中暗礁,鮑威爾曾一度不得不急忙從寬達6公尺的紅色泥流中脫險。探險隊在出發後僅僅幾個小時就失去了一隻劃槳,而僅僅兩個多星期,他們的一隻船就被激流沖走。最後,探險隊的10名隊員只有6人能夠回家。

溪流泛舟
鮑威爾1869年到大峽谷探險的時候,大峽谷在美國西部的地圖上還是空白。當然北美原住民對它很了解(Credit: BBC)

探險隊於1869年8月13日首次到達大峽谷(Grand Canyon)。此時,他們只剩下一個月的口糧,即一些濕漉漉的蘋果、腐爛的醃肉、發霉的麵粉和一袋咖啡,而前面尚有許多未知的危險。探險隊員仍輕鬆以對,照常開玩笑,但鮑威爾在日記中卻這樣寫道,對他來說「歡快等於陰沉,玩笑即是可怕」。

即使在這個令人絶望的時刻,探險隊依然被不斷出現在眼前的自然奇觀所震懾。他們放眼望去,四周是宏偉的懸崖、鬼斧神工的絶壁,以及千奇百怪、棱角分明、高聳如雲的高崖,景物之壯觀,如同到了巨人國。在所有這些自然奇景中,鮑威爾對懸崖尤其感興趣,他後來描述大峽谷懸崖為「眾神的圖書館」,是五顏六色岩層構成的「一本偉大著作的岩石書頁」,一行一行地閲讀這本書,可知地球形成的歷史。

至少一開始看起來這本書確實是如此。但隨後鮑威爾在大峽谷絶壁仰望令人頭暈的高處發現了一些反常的東西。

站在懸崖底向上仰望,鮑威爾可以看到一大片堅硬的結晶岩石,大部分是花崗岩,以及片岩(即受到強烈壓力的板岩或頁岩),以不同尋常的垂直層狀排列。在結晶岩石層上面是305公尺厚的紅色砂岩帶,就像所期望的那樣呈現整齊的水平排列。

但這裏發現了一個問題。鮑威爾數過垂直結晶岩的層數後,估計這部分岩石本應該達3050公尺,但實際測量後卻發現只有152公尺。有整整2000多公尺厚的岩石不見了,竟然完全消失。他將這一怪事稱為「地層大角度不整合」( The Great Unconformity),並自問,「這是怎麼回事?」

今天,地質學家都知道,堅硬的結晶岩石最年輕的也有17億年的歷史,而砂岩層中最古老的岩石最早則形成於5.5億年前。這意味著我們地球的地質記錄中有超過10億年是空白的。直到今天,沒有人知道中間這層岩石為何消失了。

岩石層
地球上岩石是依照地質時間先後一層疊一層,但是地層大角度不整合卻打破了這個規律(Credit: PA)

地層不整合在全球皆可見

雖然岩層缺失在美國大峽谷特別明顯,但這種現象在全球是普遍存在。

美國伊利諾伊大學(University of Illinois)地質學系名譽教授斯蒂芬·馬夏克(Stephen Marshak)說,「很多人甚至沒有意識到,在他們腳下就有這樣的現象。」他解釋說,在任何大陸的中心地帶,無論是美國、西伯利亞還是歐洲,如果向地層下鑽得足夠深,就會碰到這種神秘的兩岩石層不整合現象。

馬夏克說,「這即是說,在你腳下的每一個地方,都存在著岩石層不整合邊界,有時接近地表,你可以看到,有時在地表以下幾公里,但一定會在那裏,除了地層被完全剝離的山脈中。所以這個地質現象很普遍,這告訴我們地球歷史中有一個我們還未搞明白的非常、非常重要的故事。」

正如馬夏克所暗示的,要想弄清楚在這消失的10億年裏地球發生了什麼事件,以及導致了什麼事件,這並非是無關緊要的一件小事。原因有二。

首先,這個地層不整合恰好發生在另一件令人費解的事件之前,即5.41億年前地球生命的多樣性突然爆發性的激增,這就是我們所稱的寒武紀生命大爆發(Cambrian explosion)。

寒武紀生命大爆發是指地質史這樣一個年代,原來海洋生命盡是零落分佈怪異奇特,生物學很難分門別類的生物,比如狀似科幻片巨型三葉裂變植物的奇怪東西,以及如同壓扁了的巨大橢圓生物,但隨後,竟突然之間豐富多樣的生物在海洋中出現,許多主要的生物門類至今仍然存在於地球上。而更神奇的是,這個生命的突然大爆發是發生在1300 萬年至 2500萬年前的時間段,這在以億年為計的漫長生命進化史上只是一眨眼的時間。

寒武紀時生命突然大爆發在19世紀40年代首次被發現,已證實還難倒了進化論之父達爾文(Charles Darwin)。達爾文承認寒武紀生命大爆發「令人百思不得其解」,並在他的傳世名著《物種起源》(On the Origin of Species)中哀嘆道:「對於寒武紀之下的地層缺乏大量生物化石,要找到一個合理的解釋是非常困難的。」

其次,有科學家認為地球在失去地質年代的10億年裏經歷了劇烈的氣候變化,可能變成了一個巨大的冰球,地球表面幾乎完全凍結。至於「雪球地球」如何形成,地球生命又如何活過10億年的嚴寒,目前科學界所知甚少。

雪球地球
發生在至遲6.5億年前的「雪球地球」大冰期,甚至連赤道地帶也被冰封(Credit: Science Photo Library)

然而,如果我們知道在這個史前黑暗時代發生了什麼,也許我們就能解答這些棘手的科學難題。

科羅拉多大學(University of Colorado)地質科學系副教授麗貝卡·弗勞爾斯(Rebecca Flowers)說,「在地球歷史上這段時間發生了很多事件。所有這些事件顯然都以某種形式相互關聯,所以在地球歷史的這個關鍵時期,理清這些不同過程之間的關係,我認為是非常重要的。」

理論一:雪球地球

關於長達10億年地質年代消失的原因,有一種觀點是受今天地球冰川狀況的啟示。比如說今天地球上第二大冰體格陵蘭冰蓋(Greenland Ice Sheet),這個巨大冰蓋覆蓋了格陵蘭80%的面積,大約170萬平方公里。

就像河流一樣,冰川也會移動,但移動得非常緩慢。冰川移動時,會逐漸衝刷掉冰層下的地表。如果這種情況持續數萬年甚至數百萬年,最終這種侵蝕會衝刷掉大量的岩石層。因此,格陵蘭島到處都是冰川移動歷史留下的傷疤,比如深峭的山谷和巨大的峽灣。

但是,雖然格陵蘭的一些地區其地表被移動的冰川雕刻侵蝕,但也有一些地區因為被堅硬寒冷並不移動的冰川覆蓋著,地表被安全地包裹在下面,因而未受到任何侵蝕。這些地區因岩石層基本沒有變化,從而成為格陵蘭的高原。

美國新罕布什爾州(New Hampshire)達特茅斯學院(Dartmouth College)地球科學系的助理教授C·布倫欣·凱勒(C Brenhin Keller)說,格陵蘭這兩種冰川,前者是地球科學家所說的「濕」冰川,而後者是「冷」冰川。

雪球地球理論認為,當地球還是一個巨大的雪球時,格陵蘭冰川侵蝕地表的過程也適用於當時的整個地球表面。所以唯一的問題是,這個時代到底有多酷寒?冰川是「濕的」還是「冷的」?當時的冰川會強大到能夠侵蝕掉整整10億年的岩石層嗎?

早在2018年,凱勒和其他幾所大學的同行一起,試圖回答上述問題。根據另一個研究小組幾年前開發的研究模式,他們假設當時雪球地球的表面確實會有一個「濕」冰川,而且移動驚人。

按此模式,因為全球冰蓋鎖住了大量的水,地球海平面因而急劇下降。這會造成陸地到海洋的坡度更加陡峭,落差增加,地球表面的冰川因而會移動得更快速,這就像河流從山地流往低地流速會增加一樣。

總而言之,凱勒的研究小組估計,這個開始於大約7.17億年前,結束於大約5.8億年前的前寒武紀大冰期,有能力將地表厚達3000至5000公尺的岩石層搬移原處,這一模式足以解釋地層大角度不整合現象。

凱勒說,「我認為有充分的理由相信大冰期對地表的侵蝕相當大。」不過他也指出,被侵蝕的岩石量不可能在地球任何地方都是等量的,「因為冰川侵蝕並非普遍都一樣,也有偶然因素。」這也許可以解釋為什麼世界上某些地方消失的岩石層比其他地方要少些。

然而,這還不是故事的全部,因為在新的沙岩層形成之前,還有4000萬年的岩層空白。凱勒說,「我認為實際上發生的事情基本應該是這樣的,(大冰期結束)最冷的部分被切掉,地球外殼就會變熱。這讓地殼較有浮力彈性。」這會推高地表,為更多的侵蝕鋪平了道路,因為地勢越高,就越容易被雨水和風等一般風化作用力所侵蝕。

理論二: 超級大陸的死亡

另一種理論是,造成10億年岩層消失的罪魁禍首可能是羅迪尼亞(Rodinia)超級大陸。這是遠古時代曾出現過的超級大陸,結合了今天的南極洲東部、印度、西伯利亞、中國、南美洲、北美的一大塊地區和非洲的一部分,大約在10億年前形成,然後逐漸分裂,直到7.5億年前瓦解。

冰川
冰川切割出的U型山谷在海水倒灌後,形成峽灣(Credit: PA)

伊利諾伊大學(University of Illinois)地質學系的博士生邁克爾·德魯西亞(Michael DeLucia)撰寫了一篇關於羅迪尼亞超級大陸的論文。他說,「這個超級大陸基本上把世界上所有的地殼合併成一個巨大的大陸。」他解釋說,大多數來自地球中心的熱量通常是通過海牀上的山脈,即海洋山脊釋放出來。海洋山脊形成於地殼構造板塊的邊緣帶。但當所有的大陸都擠成一團形成超級大陸時,釋放地球中心熱量的海洋山脊就會減少,所以羅迪尼亞超級大陸會變得很熱。

德魯西亞說,「當然,溫度上升,就會膨脹。所以我們認為,基本上是羅迪尼亞超大陸下面的膨脹推動了地殼隆起事件,導致地殼垂直隆起大約6到8公里。」

地殼的隆起不僅加速了羅迪尼亞超級大陸的分裂,而且還可能抹去了之前10億年發生的一切地質記錄。同樣,陸地隆起越高,也越容易被冰川所侵蝕。

根據這一理論,羅迪尼亞超級大陸在長達2億年的時間裏應該看起來就像一個巨大無比沒有任何生命的丘陵高原,而當時的生命仍然只局限於圍繞超級大陸的廣闊海洋中。最終導致10億年岩層被侵蝕到幾乎為零。德魯西亞說,「我們在當前所有大陸上都能看到這種侵蝕現象。」

但這還不是故事的全部結局。整個羅迪尼亞超級大陸的侵蝕量還會改變大氣和海洋的化學成分,引起重大的氣候變化。不過,這個過程可能與今天的世界氣候暖化正相反。當時雨水衝刷超大陸的表面時,會釋放出鈣離子,鈣離子隨後被衝進海洋,形成碳酸鈣(白堊的主要成分)。也就是說,羅迪尼亞超大陸的侵蝕作用會將二氧化碳困於海洋中,鎖定於大氣層之外,結果使得地球氣溫下降。

如果是這種情況,地球應該是在10億年的岩層消失後變成一個雪球,而不是變成雪球之後才失去10億年的岩石層。

也參與了這項研究的馬夏克說,「雪球地球之形成甚至可能刮掉了地表更多的沉積物,從而加強並放大了地層大角度不整合現象。」最終,已裂解了的羅迪尼亞超大陸下面的17億年前的老岩層會暴露出來,一旦地球氣候再次穩定,就會與新形成的沉積岩直接連接起來,從而在其間形成整整10億年的地質空白。

無論怎樣的滄海桑田之變,但可以設想,當時會有無可計量的岩石被侵蝕被衝刷到海洋中,這可以解釋為何隨後會出現寒武紀生命大爆發。特別令人注目的是,在這個海洋中溶解的礦物質比以往任何時候都多的地質年代,海洋中開始出現許多需要以鈣作骨骼和外殼的新生命形式。

不過馬夏克強調,關於地球有10億年岩層消失的原因,科學界的爭論仍在進行中。他說,「有幾個問題仍然存在爭議,仍然是研究的主題。」

理論三:岩層消失不是源於單一事件

然後是最新提出的一種理論。

長達10億年時間的岩層消失,只有兩種可能。一是沒有岩石沉積,一是所有岩石全部被移走,或者兩者都有。

雖然地層大角度不整合現象在科羅拉多大峽谷最明顯,但在世界其他一些地方也可以看到,其中之一是環繞加拿大東北部哈德遜灣(Hudson Bay)的一大片裸露的古代岩石盤,即加拿大地盾(Canadian Shield)。最近對加拿大地盾的研究有一個重大發現。

參與這項研究的弗勞爾斯說, 「看來,大峽谷的岩石大侵蝕發生在雪球冰川作用之前,加拿大地盾則發生在雪球地球冰川作用期間或之後。」

這表明,地質記錄中的這一巨大的岩層中斷不是單一孤立現象,而是至少為兩個較小的間斷,因為大約發生在同一時間,看起來像同一個大間斷一樣。

2021年早些時候,又出現了一個令人意外的發現。在鮑威爾那次決定性的探險剛剛過去150年,弗勞爾斯和她的同事們回到大峽谷進行了他們自己的調查。他們的發現很驚人:即便是大峽谷消失的10億年岩層,也可能不是同時消失,而是在幾億年時間發生的幾個獨立事件中消失的。

軟體生物
寒武紀大爆發之前的地球生命多是很怪異的軟體東西,其中很多種在今天會無法歸類確認(Credit: Reuters)

加州大學聖巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)的地質學教授弗朗西斯·麥克唐納(Francis Macdonald)也參與了大峽谷地層研究,他說,「在這些時間尺度上,我們真的無法精確地確定10億年岩層是在什麼時間段失去的。所以之前的理論表明,既然如此,應該是一次性完成的,並且都是冰川的作用。但我們說,『不,這個丟失過程經歷了數億年』……當你得到更好的數據時會發現,這裏多處的(地層不整合)彼此並不完全相關。」

如果遺失的兩組岩石真的是各不相干,這表明其岩石層的遺失根本不是由雪球地球這樣的特殊事件造成的。在這種情況下,弗勞爾斯認為可能是地質構造過程將地殼大幅向上推動而造成。或許也沒有什麼冰川侵蝕的作用,有可能是地殼大幅上升後,高海拔使得沉積物難以沉積成岩石,因此在這個時期就幾乎無岩石層可言。

一個未解之謎

然而,有關地層大角度不整合現象仍沒有定論。爭論仍在繼續中,所有與我交談過的專家都強調需要更多的數據才能做結論。幸運的是,這可能很快就會改觀。

麥克唐納說,「我認為學界對這一地質之謎重新產生了興趣。」10年前,關於大角度不整合及其成因的研究相對較少。但古怪的新理論的激增,以及能夠檢驗這些理論的技術的出現已經改變了這個領域。

改變遊戲規則的一項主要技術是一種稱為熱年代學(thermochronology)的技術,是通過測量岩石形成以來的溫度變化來推斷岩石的歷史。

馬夏克解釋說,「例如,(用較老的年代測定方法),如果有人說他們測定一塊花崗岩的年代,結論有1億年的歷史,他們通常指的是這塊花崗岩是從岩漿冷卻成固體的這個時間。」使用熱年代學,你不是測定岩石形成的時間,而是這塊岩石大致在什麼時候被推到地球的表面,這可以披露很多有關遠古時代地球深處發生的未知事件。

麥克唐納說,「這項技術基本上給了我們一個窗口來找回這段岩層失蹤時間的記錄。」

地球到底隱藏了什麼秘密?只有到揭曉時我們才會知道。

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