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分久必合合久必分?咱们正生活在一个超级大陆诞生的途中……
2019-10-05 23:58:35

超级大陆就是地球表面所有的大陆联合在一起,就组成了超级大陆。7亿年前,超级大陆彻底改变了全球的气候和环境,成为了生命大爆发的主要因素。然而你可能不知道的是,下一次超级大陆的出现是在2.5亿年以后,美洲和亚洲将碰撞在一起…

出品:"SELF格致论道讲坛"公众号(ID:SELFtalks)

以下内容为中科院地质与地球物理研究所万博演讲实录:

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

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

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?

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分久必合合久必分?咱们正生活在一个超级大陆诞生的途中……——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跨圈层的尺度,最后我们想要了解的是整个行星是怎么演凌浅沫化的。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

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分久必合合久必分?咱们正生活在一个超级大陆诞生的途中……么样子。

还可以通过物理和化学分久必合合久必分?咱们正生活在一个超级大陆诞生的途中……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

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

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。

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!

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