地球时光旅行(上)

文/陈威宇 陈衍景 

 

宇宙中的星球之多,目前还无法数清,我们居住的地球只是其中之一。地球上有变幻多端的大气,有险峻连绵的山脉,有奔流不息的江河,有浩瀚无际的海洋,有种类繁多的生物??在宇宙中,地球独一无二。
独特的条件为地球铸就了千姿百态的自然景观,诸如科罗拉多大峡谷、尼亚加拉瀑布、亚马孙热带雨林、澳大利亚大堡礁、南非克鲁格公园、企鹅聚集的南极冰封大陆以及世界屋脊喜马拉雅山脉。近距离观赏这些神奇的景观,是很多人的梦想。
然而,这些仅仅是当今地球的景观,与它灿烂辉煌的历史景观相比,显得微不足道。地球的历史极为悠久,总计长达46亿年,曾出现很多不可思议的奇迹,大多掩藏在地下深处或历史长河中,使我们无法直接观赏。庆幸的是,地质学家经不懈努力,正逐步揭开地球历史的盖头,再现远古时期地球的美丽与辉煌。
来吧,请乘上我们的时光机器,开始我们长达46亿年的旅程吧。本次旅程,我们重点观赏8个景点。
1. 地球诞生:外来撞击与火山喷发的交响曲
(冥古宙距今45亿~40亿年前)
宇宙的起源虽然到现在仍然是一个未解之谜,但是目前很多科学家都相信和支持大爆炸理论。这个理论认为宇宙是由一个密度无限大、温度无限高的点于137亿年前在一次大爆炸后膨胀形成的。大爆炸使宇宙中的物质四散出去,宇宙空间不断膨胀,温度也在下降,后来相继出现了宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命。到目前为止,宇宙仍然在不停地膨胀。
那么,地球又是什么时候形成的呢?在宇宙大爆炸发生以后,宇宙中的物质以尘埃的形式存在,它们相互聚合最后变成星球,星球成长到一定程度又爆炸为尘埃,地球就是在这些尘埃不停地“拼贴”之中形成的。
最初的地球是混沌的,荒芜的。最开始只是一个炽热的岩浆球,然后逐渐冷却固化,出现原始的海洋、大气与陆地。当然,海水的成分、陆地的面貌、大气的组成,跟今天也是千差万别。那个时候,地质活动剧烈,火山喷发遍布,熔岩四处流淌。距今41亿~38亿年前,地球遭到大量小行星与彗星的持续轰击,那简直就是无尽的灾难。
2. 地球圈层系统的形成
(太古宙距今40亿~25亿年前)
地球形成之后,在重力的作用下,相对较重的物质不断聚集在地球内部,相对较轻的物质跑到了地球表面,慢慢形成了不同的圈层,即固-液-气(固体地球-水圈-大气圈)的圈层结构。
固体地球也不是一个均匀一致的整体,也具有圈层结构。像鸡蛋有蛋黄、蛋清和蛋壳一样,固体地球由内至外依次是地核、地幔、地壳。地球最中心的是地核,地核主要由铁(Fe)、镍(Ni)组成,是最重的部分,地核也可以分为两层:液体的外核和固体的内核。地幔是在地核和地壳之间的部分,占据整个固体地球84%的体积,分为上地幔和下地幔,主要由富含铁镁的硅酸盐组成。最外面的部分是薄薄的地壳,地壳的成分也并不均一,分为硅铝质的大陆地壳和镁铁质的海洋地壳。此外,地壳并不是固定不动、一成不变的,现在的地壳可以分为6大板块:太平洋板块、欧亚板块、非洲板块、美洲板块、印度洋板块和南极洲板块,这些板块不断地运动,相互挤压或者分离,形成了高山、海沟等这样高低不平的地貌。
固体地球外面覆盖着水圈和大气圈。在太古宙,水圈和大气圈的成分跟现在有天壤之别,其中一个很重要的差别是那时候的水和大气中缺乏氧气。不过幸运的是,生命已经渐渐形成,但是没有形成如今这样生机勃勃的生物圈,而是稀少的和原始的。这可能是由于当时地球表面的氰酸根(CN-)和硫氰酸根(SCN-)的含量较高,而这两种化学成分极大地抑制了生命的发展和演化。
3.大氧化事件和全球冰川事件
(古元古代距今23亿年前左右)

我们现在的地球是一个繁荣昌盛、生机勃勃的居住福地,有800多万种生物物种生活在这七大洲、四大洋之中。然而,在遥远的过去,地球的表面跟现在完全不同,不同的大陆、大洋,极少的生物,连空气都和现在不同。
现代的大气大约由79%的氮气和21%的氧气组成,二氧化碳等其他气体的含量总共不到1%。可是在25亿年前,大气中的主要成分是氮气和二氧化碳,氧气的含量不到现在的0.0001%,几乎可以忽略不计。地球上死气沉沉,只有零星的厌氧细菌可以存活。
那么,氧气是什么时候来到大气中的?又是从哪里来的呢?这是一个备受关注的科学问题。
1990年之前,科学家普遍主张大气中的氧气是在距今26亿~19亿年期间逐步充盈的,持续时间达7亿年,主要来自藻类生物的光合作用。后来,科学家注意到南非兰德金矿中距今23.4亿年的砾岩和加拿大安大略省距今23.3亿年的砾岩中都保留了历经风化搬运而磨圆的黄铁矿(FeS2)碎屑,表明当时水圈和大气圈中仍然缺氧;同时,两地分别距今22.4亿年和22.8亿年的沉积物都被同沉积的赤铁矿(Fe2O3)染成了血红色,表明当时大气圈和水圈中的氧气含量已经足够多,达到现今含量的20%。因此,推断缺氧大气圈变为富氧大气圈的事件发生在距今23.3亿~22.8亿年期间,持续时间不超过0.5亿年,非常短暂,充氧速度非常快,称之为大氧化事件。
不难想象,快速大量充氧阶段需要巨量的氧气,也就需要大量生物进行光合作用。那么,当时生物活动是否繁盛呢?答案是肯定的。距今23亿年左右,蓝绿藻类在全球大规模爆发,布满了整个地球的海洋,它们以密集发育、类型多样的叠层石(藻类的化石)的方式记录下来。如果您有机会到五台山或嵩山旅游,请不要忘了去看看在当地的碳酸盐地层中那些千姿百态的叠层石,它们比秦皇汉武墓穴中的东西可是古老多了。
生命活动大量消耗大气中的二氧化碳,释放出氧气;充氧事件使大气的甲烷被氧化为二氧化碳。如此,大气圈中的甲烷、二氧化碳等温室气体的含量快速降低,氧气等冰室气体含量快速增加,必然造成气温快速降低。于是,在距今22.9亿~22.5亿年期间,地球迎来了首个全球性冰川事件。这次冰期记录可以在每一个古老大陆上寻找到,即使当时处于赤道附近的澳大利亚某地区也有冰碛岩记录,表明冰雪已经覆盖到了赤道;在北美五大湖地区,此次冰川事件形成了3层冰碛岩;在我国五台山地区,也新近发现了该冰川事件的冰碛岩。
科学家还发现,正是通过这次充氧事件,地球开始渐渐形成了臭氧层。臭氧层是地球生命弥足珍贵的天然庇护,使地球生命免受紫外线伤害。自此以后,生命得以大量发育,出现了真正意义上的生物圈。
这次大氧化事件,从根本上改变了地球表层系统(土壤-水-生物-大气)的性质。究竟是什么原因造成当时生命快速繁衍,水圈、大气圈快速大量充氧,仍然是科学界的待解之谜。(待续)
(本文作者工作单位为北京大学地球与空间科学学院)

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