地球10亿年的岩石层缺失，到底发生了什么？SAT阅读背景知识

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地质学的一个基本原理是，在地球漫长的演变过程中，地表的岩层会一层盖着一层。埋得越深的岩层，距今年代就越远。通过仔细研究地下几十米深某个岩层的成分，就可以推知在该岩层所处的年代（当时该岩层位于地球表面，裸露在空气中），当时地表的各种状况。

今天地球上很多峡谷地貌可以最方便、最清楚地看到这种岩层的累积分布（因为在平原你需要往地下挖好多米，在峡谷你站在谷底就可以直接看到一层一层地堆积着的岩层）。其中最著名的就是美国科罗拉多州的大峡谷。这个大峡谷就像一本书，岩石层讲述着地球历史。但是科学家们在这里发现了一件怪事，就是好像缺失了一些岩层（就像你翻开一本书，发现书被人撕掉了很多页。）这些岩层所代表的时间总跨度应该是最少两亿五千万年，最多12亿年（地球不同地方缺失的岩层总厚度不同）。这一异常现象最早是由John Wesley Powell在1869年发现的。

上图中的大峡谷岩壁上可以清楚观察到“大不整合面”：

寒武纪的砂岩（内含大量动物化石）直接盖在古老的、基本不含动物化石的维斯纽片岩上（中间缺了很多本来应该存在的岩层）地质学上，对这个现象专门取了名字，叫“大不整合面”。大约距今5亿4000万年前的岩层对应的是寒武纪时期，这层沉积岩里存在很多复杂的多细胞生物化石。紧邻其下的一层却一下子就变成了不含生物化石的结晶基岩，大约在十亿多年前生成。那么这两个年代中间五亿年时间里的岩石都到哪儿去了？地球上究竟发生了什么，这么厚的岩层为什么消失了？

各国地质学家组成的团队从多条证据给出了一个判断，偷走这地层的就是“雪球地球”。“雪球地球”是一个理论假说，认为地球有一段时期被冰雪完全覆盖。

根据此团队的说法，地球处于“雪球地球”状态时（持续了大概十亿年），地表移动的多条冰河的流动和侵蚀力，把地球将近三分之一的地壳锯开了，这些被冰河刮擦掉的沉积物被倾倒到雪泥覆盖的海洋里，再被板块运动中的“潜没”吸住，一起深埋到地幔里去了。

该研究团队认为，雪球地球把地球地质史的五分之一给埋到地幔深处里的证据，实际上在今天地球很多地点都可找到。

这个理论假说很简洁，也很带刺激性、挑衅性，连作者自己都预计一定会被其他一些地球科学家质疑。

地表岩层被冰河侵蚀的情景（想象图）

这里再谈一些“雪球地球”这个理论假说。关于这个理论假说的各种细节、触发与结束机制的争议持续不断，但科学界确实越来越接受这个理论假说了。地球大约7亿年前确实是一个巨大的“雪球”。地表的众多冰河有很强的侵蚀力（就像今天地球的南极一样），来自上方冰雪的重量会形成压力，造成冰河底部湿滑。压力会使冰块熔点下降，冰河本身的重量，成为冰河底部融化的压力。因此，冰河能移动沉积物，尽管它表面的温度非常低。

经常有科学家认为“大不整合面”是上述侵蚀作用形成的。某些地质学家迟迟无法接受这样的观点，觉得如此大量的岩层被彻底消除抹去，不太可能。

不过凯勒在古老的锆石内发现了新线索。这种韧性极强的矿物会把自己结晶化当时所处环境的各种化学条件保存下来，数十亿年后的科学家就可以分析这些锆石，就可以了解地球曾经的样子。

这些锆石里含有好几种放射性同位素，这些同位素就像图书记录员一样。铀同位素能让研究人员非常精准地知道晶体形成时的年代。锆石中的其他一些同位素（比如铪同位素）能揭露地壳、地幔当时经历了什么，因为各种同位素偏好各种不同地质环境。

因此，科学家们利用现存的大量锆石，展开了地壳在44亿年中演变的历史书卷。他们发现，正是在雪球地球的全球冰河作用开始时，地球各项化学性质有了很大的转变。他们能找到的唯一的解释，就是大量地壳被回收到岩浆（地幔）里去了。

锆石内的氧同位素也显示地壳曾经历过低温的地热变化。这表示与冰、水接触并被锯断后又被潜没的是地壳最上面的表层地层（因为只有最表层和氧气有接触），而不是更深的地层。

总之，种种证据表明，（在“雪球地球”时期）地表确实发生过规模超庞大的侵蚀作用（尽管当时世界各地发生的侵蚀严重程度不一），平均1.9英里至3.1英里厚的岩层被清除了。

科学家们还发现了另一件事：在距今大约6到7亿年前，地球的陨石坑几乎完全消失了，找不到。尽管在稳定的大陆核心（名字叫“克拉通”大陆）上，还是有一些古代的陨石坑，但数量很少而且彼此相距很远。

这个谜团可以很简单地解释，也就是假设当时地球表面发生了规模非常大的侵蚀事件。但以前想要找到一点儿证据都很困难的。幸运的是，这次终于从锆石中找到了确凿的证据，就是雪球地球状态下的冰河把地表侵蚀了。

科学家们还发现了第三件事，就是沉积岩增加的速度在寒武纪初期时大幅上扬。所有新的沉积物都需要很大的空间来沉积，而唯有先前发生过剧烈的侵蚀事件（很多岩层消失、被埋入地幔）才有可能把空间给空出来。

但研究人员也指出，他们的数据还存在一个问题，那就是从雪球地球结束的时间到寒武纪开始的时间，中间的数百万年仍然是一段空白。现在还不清楚，侵蚀停止后，为什么新岩层的生成还得花上那么久的时间。不过，正如法国作曲家德彪西所说，“音乐是音符之间的空白”。

对这个问题的一个解释就是，雪球地球的侵蚀力太强了，导致雪球地球结束时，没什么地形留存下来。于是地球需要先形成更多土地，而这要花很多时间。

如果这理论能被证实，它的含义可能非常重要。毕竟这个研究指出，复杂的生命形式是在雪团地球大规模侵蚀事件结束之后才出现的。侵蚀可以向海中释放大量的钙、铁、钾、硅等离子，为形成复杂的生命形式提供条件。冰河可能会切割出像峡湾这样的浅海地形，等当地球回暖时，这些地区就可以成为生命的安居之所。这样庞大的地壳消失，也可能与对生物演化有帮助的重大地球化学与环境变化同时发生。从本质上来讲，多细胞动物的多样化，有可能是古代冰河锯断地壳所造成的直接结果。