我们正生活在一个超级大陆诞生的途中

我们正生活在一个超级大陆诞生的途中
2019年09月22日 10:00 新浪科技-自媒体综合

  “珠穆朗玛峰是全球最高的山峰,我踩的这些岩石大部分都是灰岩,这些岩石都是在海底形成的。海底形成的岩石今天都“跑”到了世界的最高峰上,可见地球的变动非常大。”

  来源:SELF格致论道讲坛

  作者:万博 中国科学院地质与地球物理研究所研究员

  超级大陆是什么

  这七个字——超级大陆的节奏,就是我今天想传递给大家的所有信息。我想告诉大家:地球曾经存在过超级大陆,而且超级大陆的每一次存在和裂解,都是有节奏的。

  介绍超级大陆之前,我想先跟大家分享一下什么是大陆。我们今天所说的大陆是指大陆地壳,不是指中国大陆。

人类太空探测任务图人类太空探测任务图

  大陆是一种非常特殊的存在。这张图展示的是美国国家航空航天局和加州理工空气动力学实验室,执行完的所有关于太空的人类探测任务。从左到右是太阳、八大行星依次排开。

  围绕着地球,我们对近地行星进行了很多观测,包括火星、月球、金星,对一些较远行星也有不少观测。

  我们在地球上也会看到很多陨石,这些陨石来自不同的行星,研究陨石也可以了解行星的情况。

  通过这些观测和研究,我们发现茫茫宇宙中,其他的行星是不存在大陆地壳的,只有我们的地球有大陆地壳。地球黄色的这一部分就是大陆地壳,蓝色的就是海洋。

  如果我们把这些海水去掉,黑色的就是大洋地壳,大洋地壳和大陆地壳是有区别的。

  大家也许会猜测,其他的行星可能是有壳的。没错,其他的行星存在的壳和地球的大洋地壳非常相似,但是和大陆地壳完全不一样。

  今天大陆地壳只占整个地球表面30%的面积,如果按质量计算,大陆地壳占比非常小。

  而全人类都生活在大陆地壳上,我们的矿产资源、油气资源、农业都基于大陆地壳。

  可见,大陆地壳在整个太阳系中都是一种非常特殊的存在。今天的大陆地壳散布在全球各个地方,还没有形成超级大陆。

  我们今天的主题是“起源”。讲到起源,我们经常会问三句话:我们是谁?我们从哪里来?我们要到哪里去?

保罗·高更 1897保罗·高更 1897

  1897年,法国画家保罗·高更,在西南太平洋的一个小岛画了一幅画,就是用这三个问题命名的。

  这是一个非常高深、终极的哲学问题。如果把问题中的“我们”换成“超级大陆”,它就会转变成科学问题:超级大陆是什么?超级大陆从哪里来?未来还会不会有超级大陆?

阿尔弗雷德·魏格纳 大陆漂移学说之父 超级大陆之父阿尔弗雷德·魏格纳 大陆漂移学说之父 超级大陆之父

  什么是超级大陆呢?地球表面所有的大陆联合在一起,就组成了超级大陆。这个概念是气象学家魏格纳1912年首次提出的,1915年他正式发表了这个概念。

  动图显示,在汇聚成超级大陆以及超级大陆裂解的过程中,大陆是漂来漂去的,这就是魏格纳最著名的理论——大陆漂移学说。

  Ma代表百万年,从这张图我们往回看,可以看到超级大陆是怎么一步步裂解的。

  魏格纳是一位气象学家,他是通过地形猜出了曾经历史上出现过超级大陆。他提出这个概念的时候,只有32岁,他去世的时候,也只有50岁。

  超级大陆是怎么形成的

  我们如何才能知道,超级大陆上所有的陆块在地球历史上是怎么漂来漂去的呢?我概括了四个字——见微知著。

  研究者在野外经常看到的是几米、几百米或者几千米尺度的能够观测到的岩石和露头,我们通过一些观测并采集标本,再回到实验室在显微镜底下观察,这时便达到了厘米级或者微米级。

  见微知著

  再进一步观测的话,就会集中到矿物和矿物包裹体的尺度,例如这张图最右侧是金刚石。我们不仅研究金刚石,还研究金刚石里面的包裹体,它会携带丰富的信息。

  通过这些我们便可以了解地球是怎么演化的,而这时候涉及的就是板块的尺度或跨圈层的尺度,最后我们想要了解的是整个行星是怎么演化的。地质学研究的尺度跨越非常大。

  地球上的每一块大陆都不一样,所记载的信息也不一样。右侧的图是我在珠峰大本营,海拔5200米的地方拍摄的照片。

  珠穆朗玛峰是全球最高的山峰,我踩的这些岩石大部分都是灰岩,这些岩石都是在海底形成的。海底形成的岩石今天都“跑”到了世界的最高峰上,可见地球的变动非常大。

  做地质研究会经常旅行,中国有一句古话:行万里路,读万卷书。地质学家读的书和大家日常读的书有很大差异,我们的书是写在石头上的。

  我们知道历史上有很多石碑,尽管有些碑文现代人不认识,但是考古学家可以通过翻译,解释石碑上的字。

  我们读的这些书,相当于一个“三无产品”:没作者,没文字,没页码。这就好像一部记载了地球历史的书,全部被撕得粉碎,散布在全球各地,散布在各个地层里。

  石头书:没作者、没文字、没页码

  这张图是一个地壳的剖面,上部到下部有很多不同类型的岩石,最上面是沉积物质,我们叫沉积岩,再下面有火山岩、花岗岩,最下面还有变质岩,每一层岩石记录的信息都不一样。

  书:如何读

  左上角是我们在野外经常看到的岩石的露头,中间有一个地质锤作为比例尺,对于普通人来说,这是一个比较无聊的岩石,地质研究者却觉得这些岩石非常非常有趣,因为它记录了很多很关键的信息。我们对这些岩石拍照以后,会把这些特别的信息都标记出来。

  在野外,我们主要是通过放大镜仔细观察这些岩石有什么特征,再用野外记录本详细记录这些信息,累了找块平地还可以欣赏一下大自然的风景。

  我们在野外主要记什么呢?我们会素描,把这些岩石整体的特征记录下来,绘画的过程也是我们思考的过程,我们会想这些岩石为什么是这样的。

  有时间的情况下,我们会用罗盘测量关键的产状,然后把它投出来,就可以了解到,这个地区主要受到的应力方向是怎样的。

  我们再把这些岩石采回去,做成薄片,在显微镜底下观察这些岩石。在野外,我们看到的岩石颜色非常单调,其实每一种岩石在显微镜下都是丰富多彩的。

  我们的地质研究走到这一步,其实才刚刚开始。我们现在的科学研究,都需要了解定量信息,为此,我们也会通过很多的物理和化学方法,去定量了解这些岩石里面所包含的信息。

  比如,我们先把这些岩石粉碎到一定的程度,根据所需要的矿物的特征,把这些矿物分选出来。或者把这些岩石做成试剂,做成不同的溶液,用不同机器进行测试。

书:如何读书:如何读

  这张图是我们了解、测定岩石年龄的仪器——质谱仪,通过它我们就可以知道地球上的矿物质是在什么时代形成的,类似于我们给“书”定页码。地球的年龄是45.5亿年,就是用这个方法定出来的。

  除此以外,我们还想知道这本“书”上除了页码还有什么信息,为此我们可以用岩石的CT来扫描,可以知道这个岩石的内部结构是什么样子。

  还可以通过物理和化学的方法来了解,这个岩石是在什么深度、温度、压力下形成的,具有什么样的DNA编码。

  如果全世界还有其他的岩石跟这块岩石非常相似,我们就可以很肯定地说,它们几乎是来自同一个地方。

  通过这些测试,我们仅仅知道了很多关于岩石的信息,就像我们在医院里,只知道检测指标是没有用的,还需要有医生来判断这些化验单里到底包含哪些有用信息。

  3亿年前地球上有一个潘吉亚超级大陆,潘吉亚是一个古希腊词,PANGEA,PAN是所有的,GEA是陆地的意思。

3亿年前潘吉亚超级大陆3亿年前潘吉亚超级大陆

  那个时候,恐龙全部生活在一个超级大陆上。我们看这张图,在非洲和南美洲有很多相似的恐龙,这些恐龙是不会游泳的,它们怎么横穿海洋呢?这说明当时没有海洋,所有大陆是连在一起的。

  非洲和南美洲还有很多陆生的植物也很相似,这是因为当时所有的大陆是连在一起的,这就解释了我们的很多困惑。

  除此以外,我们还可以在现在的南北极,看到很多阔叶林植物的化石,说明这些植物是从热带漂到南北极的。赤道附近又有很多冰川的痕迹,说明赤道附近的岩石是由南北两极大陆漂过去的。

7亿年前的罗迪尼亚超级大陆7亿年前的罗迪尼亚超级大陆

  7亿年前还有一个超级大陆,罗迪尼亚超级大陆。地球在距今5.4亿年以后有了比较高级的生命,在此以前叫隐生宙,是没有生命的。

  为了解释这个现象,我们就要恢复这个超级大陆,所有的证据都取决于岩石的记录。

  越古老的岩石,被改造得越强,恢复起来也就越难。1970年科学家提出一个假设,认为7亿年前存在一个超级大陆,将其命名为罗迪尼亚超级大陆,2008年的时候,才有了非常好的制约。

  我们知道罗迪尼亚超级大陆有什么意义呢?主要是对于探索生命起源有非常大的作用。

  7亿年前,超级大陆彻底改变了全球的气候和环境。当时整个地球被冰雪覆盖,在冰雪覆盖下,海里面就增加了丰富的营养物质,所以在埃迪卡拉纪就孕育了极为丰富的生命,也有足够的养分让生命延续,这就是生命大爆发很主要的因素。

  罗迪尼亚这个名字是什么意思呢?本身就是孕育生命的意思,这是1970年麦考林夫妇在西伯利亚研究的过程中提出的名字,这是一个俄语的词。

18亿年前的哥伦比亚超级大陆18亿年前的哥伦比亚超级大陆

  18亿年前还有一个叫哥伦比亚超级大陆,1997年,哈佛大学的霍夫曼教授提出了这个概念。

  大家可以看到这张图,是从1500Ma开始,为什么从这个时候开始?因为再往前的历史是不明确的。

  这张图是2017年在网上发布的,地球上是有板块构造的,板块构造是区分地球和其他所有星球的关键标志。

  但是,板块构造并不是地球一诞生就有了,是地球演化到了一定时期才有的一个特征。18亿年前超级大陆的重建,对于板块构造的起源、启动是非常重要的。

  这个图最早只到15亿年前,是因为我们对18亿年前的超级大陆还没有很好的制约。

  因此,我的团队在2015年的时候,对华北地区,北京到山西、东北、河南这一区域,进行了研究。

哥伦比亚超级大陆哥伦比亚超级大陆

  我们发现华北区域在地球历史上跟西伯利亚非常相似,它们有可能18亿年前是连在一起的。我们的研究工作就是对中国一个最古老的小的陆块,在18亿年前处于什么样的位置进行了推测,对18亿年前的超级大陆重建有一些小小的推动作用。

  超级大陆旋回是地球进入“中年”后的主旋律

  地球有45.5亿年历史,在20亿年前第一个超级大陆才出现,这是有比较充分的证据支持的。20亿年以前有没有超级大陆呢?目前还没有很明确的证据。

  2014年,澳大利亚的科学家Peter Cawood教授将18亿-8亿年的地球,命名为地球的中年期。地球进入中年期以后,出现了若干次的超级大陆,每一次超级大陆都进一步把地球往更加宜居的方向来调节。

  比如,人类等很多生物是需要很多氧气才能生存的,但是在地球早期,氧气是非常稀薄的,大气也非常稀薄。哥伦比亚超级大陆汇聚的过程中,大气中的氧气短时间内增加了很多。

  在形成第二次超级大陆的时候,也就是形成罗迪尼亚超级大陆时,地球开始孕育生命。在第三次超级大陆的时候,有一个特殊的现象,就是海底的生命出现了一次大灭绝,导致现在山西等地有很多的石油和煤,这些能源矿产就是这次海洋的生物大灭绝所造成的。

  现在地球上并没有超级大陆,但是我们生活在超级大陆汇聚的过程中。印度和欧亚大陆碰撞形成了喜马拉雅山,阿拉伯和欧亚大陆碰撞形成了扎格罗斯山,非洲正在和欧亚大陆碰撞。正是因为这些碰撞,在非洲起源的人类,可以走出非洲,迁移到世界各地。

  未来还有超级大陆吗

  我们说“天下大势,合久必分,分久必合”,这是元末明初的罗贯中在《三国演义》中提出来的,是他对历史经验的总结。

  其实我们把这段话放在地球演化的历史上也可以看到,所有的大陆也是分分合合,聚聚散散。

  美国哈佛大学Paul Hoffman教授在1999年预测未来还有一次超级大陆,他给这个超级大陆起了名字——美亚超级大陆。

  也就是说美洲和亚洲碰撞将形成下一次的超级大陆。但是现在争议的问题是,美洲和亚洲会通过哪种方式碰撞?

  有一种方式是我们中间的大西洋先闭合;还有一种方式,是太平洋先闭合,形态不一样。

  可以看到,美洲和亚洲是一定要碰撞的,具体是怎么碰撞,还有待时间的检验,而下一次超级大陆的出现是在2.5亿年以后。

  通过地球物理的方法我们可以知道,地球半径有6000多千米,但是我们现在直接观测到的证据还很少。

  人类向地下钻孔,现在能够直接观测到的最深的深度,是12.3千米。

  1950年,“海底扩张之父”Harry Hess向美国国会游说,希望他们支持打穿莫霍面的计划。

  不过,人类到现在还没有打穿莫霍面。我们现在发现大洋中最浅的地方莫霍面,只有3千米。但是就是这3千米的莫霍面,打穿地壳的计划,我们到现在还没有实现。

  我们研究所也有同事参与了这个伟大的计划。现在我们人类还没有打穿最浅的这个界面,对于更深部的观测也非常非常少。

  上天不易、入地更难,仰望星空、脚踏实地

  这张图也是告诉我们,地球的深部有很多未知的东西,还亟待广大的朋友们投身到地球科学的研究中。

  毛主席跟我们说:“广阔天地,大有作为“。在这个充满奇迹的地球上,我们现在只是在地表很浅的地方进行研究,地球深部肯定蕴含了更深刻、更神秘的东西。

  所以,我希望未来能有更多朋友投身到地球科学和行星研究中,谢谢大家!

  “SELF格致论道”讲坛是中国科学院全力推出的科学文化讲坛,致力于精英思想的跨界传播,由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办。SELF是 Science, Education, Life, Future的缩写,旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。关注微信公众号/微博获取更多信息:SELFtalks、SELF格致论道讲坛。

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