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位于美国亚利桑那州西北部的大峡谷(Grand Canyon)长约280英里,最宽处达18英里,峡谷两岸岩壁陡峭,几乎垂直于地面,多处深度超过1英里,景色雄伟壮观。

最近,科罗拉多大学博尔德分校的丽贝卡·弗劳尔斯等人对大峡谷的西部谷底的矿物质颗粒进行了分析,得出了一个结论:大峡谷的大部分区域在距今约7000万年前就基本形成了

之前学界的观点一般认为,大峡谷是在距今约600万年形成的(大概是人类祖先刚刚开始直立行走的时候)。新的结论把大峡谷形成的时间往前推了6000多万年。又因为恐龙是在距今6500万年前才灭绝的,所以这个新的结论认为有很多恐龙也欣赏过大峡谷的壮丽景象。

这次弗劳尔斯等人采用了一种新方法,叫氦素定年法,其原理如下:

在大峡谷中有很多磷灰石(apatite)。这些磷灰石中本来含有铀原子(uranium)钍原子(thorium),经过漫长的时间,这两种原子会发生放射性衰变,会变成氦原子(helium)

在磷灰石自身温度高于华氏158°(=摄氏70°)时,其所含的氦(以小气泡形式存在)就会完全逸散。在磷灰石自身温度低于华氏86°(=摄氏30°),其所含的氦就会完全保留(被锁在磷灰石中)。

大峡谷是被河流不断侵蚀而形成的。谷底地表的岩石一点点被侵蚀,地下的岩石的位置也一点点往地表移,最后露出来。这些岩石在地下深处时,其温度就比较高,越往地表移,温度就会变得越低。

将以上两个自然规律结合起来分析,科学家们就能测算出大峡谷谷底岩层是什么时候露出到地表来的。科学家们先在谷底岩层采集多块磷灰石,然后测量其中氦的含量。氦含量越低,则说明其温度越高,其所处岩层露出地表的时间,就越晚;氦含量越高,则说明其温度较低,其所处岩层露出地表的时间,就越早。

结果弗劳尔斯发现,他采样的这些石头,很早很早以前,温度就已经比较低了(就露出地表了)。所以他就得出结论,大峡谷很早就形成了。

这一次,科罗拉多大学的科学家们不仅研究了磷灰石中氦的含量,还研究了氦在磷灰石晶体中的空间分布情况,这一情况可以表明磷灰石当年是较迅速降温(迅速露出地表)的,还是较缓慢降温(较缓慢露出地表)的。

关于大峡谷是如何形成、是什么时候形成,科学家一直有争议。大量证据表明,大峡谷可能先是分成好几段,不同的部分可能是在不同时期各自独立形成,然后再汇聚到了一起。

早在2008年,科罗拉多大学同一团队就已经对大峡谷东段做了研究,认为东段有部分区域是在距今5500万年前形成的。

那老的理论说大峡谷的年龄是大约500万到600万年,有什么依据呢?就是根据被古科罗拉多河的河水冲到下游去的砾石沉积物的年龄来推定整个大峡谷的年龄。但是弗劳尔斯认为,那些五、六百万岁的砾石沉积物只显示了河水的流向,并不能因而断定峡谷的年龄。古河水道会因不同地质年代地貌、坡度的改变而改变,而且也有可能峡谷东西两端是各自形成后,到了近期才合而为一的。

2008年,还有一些科学家提出了另一个理论假说,他们根据大峡谷岩壁上的岩洞内矿物质的年龄推断整个大峡谷的年龄是距今约1700万年。但这一理论假说有一个被人攻击之处:该项研究涉及的那些岩洞并不直接位于河道上,所以该研究结果所表明的水位线不能真正反映当年大峡谷内河流的水位。

关于大峡谷的年龄,已经争论了150年了,可见这个问题确实不简单,要不然大家早就不争了。弗劳尔斯的这项研究结论,仍然会引起争议。

有人赞同。加州理工学院地质学家布莱恩‧渥尼克认为,光从景观地形很难看出大峡谷被侵蚀出来的历史,外表可以骗人。弗劳尔斯等人的研究方法特别有力之处在于根据岩石温度而非外表来判明当年的地形。

但不是每个人对信服弗劳尔斯的研究。新墨西哥大学的卡尔‧卡斯特罗姆就认为该研究的结果完全错误。卡斯特罗姆的研究团队也分析了磷灰石中的氦浓度,其采样处也在大峡谷西部,不过在距离弗劳尔斯采样地点的下游约两公里的地方。卡斯壮初步的分析结果:大峡谷并没有七百万岁的论点。他们采样的那些岩石在距今一千五百万到两千万年前的温度仍在摄氏50° 到 60°之间(高于摄氏30°,低于摄氏70°),表示这些岩石那时所处的位置还很深,低于地壳表面一公里以上,并没有露出地表(若露出地表则表示在距今一千五百万到两千万年前大峡谷即已形成)。

这里补充说明一下,为什么弗劳尔斯和卡斯特罗姆用同样的研究方法,会得出完全不同的结论。因为他们在一个问题上有不同而假设。弗劳尔斯等人认为,岩石露出地表时,其温度大概在25°到30°。而卡斯特罗姆认为,岩石露出地表时,其温度大概在摄氏10°到25°。这就导致他们对同一块岩石,在若干年前的某一时刻,是否已经露出地表,会做出截然相反的判断。

卡斯特罗姆认为,大峡谷的部分区域确实是几千万年就形成了,但是我们今天看到的这个大峡谷整体,还是比较年轻的。他认为,靠近峡谷中部的两条河段确实相当古老:东部大峡谷的年龄为 1500至2500 万年,下游的另一段年龄为 5000至7000 万年。但唯有最上游和最西端的那两段较年轻。峡谷的不同部分各自有着不同的历史和不同的年代,在距今500到 600 万年前时,科罗拉多河从中流过,把这些分段连接到了一起,才形成了今天我们看到的大峡谷

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