研究揭示地球岩石记录中长达十亿年的缺失层成因

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想象一下，打开一本历史书，却发现其中几章被撕掉了。这正是1870年代地质学家们在研究地球过去的岩石记录时，在几个大陆上发现的情况。

他们将其称为“大不整合面”。在岩层通常按从最古老到最年轻的顺序稳定堆叠的地方，世界上许多地方却存在着数亿年的空白。

150年来，没有人知道是什么抹去了那些缺失的篇章。在今日发表于《自然》的新研究中，我们终于给出了一个解释：地球内部的深层过程将一些大陆抬升到海面以上很高的位置，在那里，巨大的冰盖的磨蚀运动将它们的表面刮削殆尽。

岩层通常按时间顺序堆叠，最古老的位于底部，最年轻的位于顶部。

然而在某些地方，比如北美的科罗拉多大峡谷，你可以触摸到相隔数亿年的两个不同时代的岩层。一层大约5.4亿年或更年轻的平坦沉积岩，直接覆盖在年龄高达20亿年的结晶“基底”之上。

在这两者之间的某个地方，地球历史中相当大的一部分（多达四分之一）就这样消失了。

那段时期发生了重要的事情。大不整合面较年轻一侧的沉积层，与地球生命形式的巨大多样化同时出现。这就是所谓的寒武纪大爆发，大约始于5.4亿年前。

科学家们推测，在大不整合面形成期间，整个大陆都被侵蚀，这可能改变了海水的化学平衡，使动物生命得以繁盛。

地质学家在北美各地和中国北方部分地区，以及北欧较年轻岩石之下，都发现了大不整合面的证据。然而其成因一直是个谜。

一些科学家认为，它是由7.2亿年前至6.35亿年前“雪球地球”时期的巨大冰盖侵蚀造成的。其他人则指出大陆块的重新排列、造山过程、地球内部热致运动、火山活动或全球海平面变化。

检验这些假说一直是个挑战，因为主要证据就是缺失的岩石。因此，我们需要从已知的信息出发来填补空白。

我们有一个理论：大不整合面的形成可能受到了地球地幔中热驱动运动的影响。地幔是一层厚达2900公里的热固体岩石，在数千万到数亿年的时间里缓慢移动。热地幔从深处上升，冷地幔下沉，推拉着上方的表面。

这种巨大而缓慢的运动可以使地表升高或降低数百米。大陆位于地幔之上，被其运动推上推下。

我们使用澳大利亚超级计算机Gadi来模拟过去十亿年间地幔运动如何影响大陆。

我们的结果一致表明，地幔对流导致古大陆块劳伦西亚（现构成北美大部分地区）、波罗的大陆（北欧部分地区）和华北陆块从大约十亿年前到5.4亿年前被抬升。在过去5.4亿年里，它们则被向下拉。

这种上下运动是大不整合面形成和保存的理想场景。当这些大陆块被抬升时，我们看到结晶底层位于地表——上面的沉积层被侵蚀掉了。然后当这些陆块下沉时，新的沉积层开始形成，这些沉积层保存至今成为岩石。

重要的是，我们模型预测的抬升与雪球地球时期相吻合。在此期间，巨大的冰盖在数千万年间刮过大陆表面。

冰川和冰盖在侵蚀大陆方面比河流更高效，即使在平缓的斜坡上也是如此。冰盖会缓慢地滑下被抬升的大陆，侵蚀掉沿途的一切。

与劳伦西亚、波罗的大陆和华北陆块相反，我们发现澳大利亚和南美洲从9亿年前起只经历了两个抬升和沉降周期。这种情况不利于大不整合面的形成和保存——事实上，我们在这两个大陆上几乎看不到相关证据。

我们的研究表明，地球地质档案中缺失的篇章可能归因于缓慢的地幔对流，它轻轻抬升了整个大陆，然后在数亿年间使其沉降。

从这个意义上说，大不整合面是地球深层过程的指纹。我们脚下的深层力量在地质记录中留下了行星尺度的印记，并塑造了复杂生命最初演化所处的环境。

本文在知识共享许可下转载自The Conversation。阅读原文。

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