海底地质历史 -海底地质构造

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一名潜水员在加州湾圣灵岛附近游泳，这片不断扩大的水域形成于500万至1000万年前：地质构造变化导致下加州的土地从今天的墨西哥分离开来。摄影：THOMAS P. PESCHAK, NAT GEO IMAGE COLLECTION

撰文：MAYA WEI-HAAS

　　在位于纽约的美国自然历史博物馆里，有一间昏暗的房间，一堵不起眼的石墙几乎一直贴到天花板。第一眼看过去，它就像一块属于厨房中岛或台面的案板，黑色、白色和粉色的色斑混合着矿物带，在我的头顶延伸。但随着展示灯光从白变黑，这块10吨重的岩石散发出橙色和绿色的霓虹光。

　　“你一定会惊讶得目瞪口呆，”George Harlow说。他是博物馆新翻修的米尼奥内宝石矿物展览厅的策展人，这块岩石就放置在展厅内。

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　　令人惊讶的色彩揭示了这些矿物质的独特性：它们形成于约12亿年前的海底，现在这里已经消失，当时比米粒还小的纺锤形藻类是最大的生命形式之一。在这片远古海洋中，富含金属的微粒从热液喷口涌出，一层层沉入海底，形成一种特殊的混合物，在紫外线照射下会发出荧光。

　　这些岩石真切地提醒着我们，在几十亿年时间里，由于地球构造板块网络的不断变化，我们的海洋发生了很多改变。这些改变就像倒下的多米诺骨牌一样，在地质、大气和生物系统中引起阵阵涟漪；从矿物质的多样性，到海洋洋流和大气气流的流动路径，地球上的一切事物都受到了影响，而且也在影响今天的生命。

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这块墙壁大小的荧光石板来自新泽西州奥格登斯堡，反映的是约12亿年前海洋世界的一部分，如今这片海洋已经消失。摄影：D. FINNIN/©AMNH

　　“作为地理变化的一部分，整个地球系统的改变有着深远的影响，”威斯康星大学麦迪逊分校的地球科学家Shanan Peters说。他专门研究生命与地球系统的共同进化。

　　保存下来的海底石板，比如正在展出的这块，再加上大量其他地质线索，正在帮助科学家重建错综复杂的海洋历史，这段历史已经消失在了时间长河中：巨神海、瑞亚克洋、特提斯海、盘古大洋、乌拉尔洋等等。就像这些古代水体一样，现代海洋最终也会闭合，由新的海洋取而代之。

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　　正如Harlow所说的：“事情还没结束。”

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海底线索

　　地球的构造板块不断变化，不仅创造了高山和峡谷，还会让海洋周期性开放和闭合——“就像手风琴一样”，利兹大学的地质构造建模师Andrew Merdith说。

　　这种运动部分源于俯冲带，即一个板块俯冲到另一个板块下方，海底进入地球深处，拖拽后方的陆地，缩短大陆之间的距离。这一过程不断循环。

　　例如，美国自然历史博物馆的这块石板来自新泽西州奥格登斯堡，在北美洲的前身与另一个古大陆的碰撞中被保存了下来。这次碰撞抹去了陆地之间的海洋，把多层海底沉积物置于高温高压的环境中炙烤，形成了我们今天所见到的岩石。

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　　然而，保存在干燥陆地上的少量古代海底遗迹，比如新泽西州的岩石和马里兰州的一大块地幔，只能提供海洋随时间变化的一些小线索。为了更好地了解这些运动，一些科学家把目光投向了蚀刻在海底的线索：磁性矿物。

　　海洋板块的诞生地位于世界上最长的山脉：被称为“大洋中脊”的水下山链。大洋中脊环绕地球约6.5万公里，标志着构造板块撕裂的地方，地幔灼热的岩石向上涌出，填补了裂隙。随着熔化的岩石冷却，一些矿物质沿着地球磁场排列，在海底形成地质条形码，每当磁场翻转，就会增加新的线条。科学家利用这些条形码，追踪海洋的形状随时间的变化。

过去的海洋幽灵

　　然而，磁记录并不完美，“回溯的时间越久远，我们能处理的海洋岩石就越少，”奥斯陆大学的地球物理学家、板块构造重建专家Grace Shephard说。除了地中海下面的一小块岩石（可以追溯至3.4亿年前），大部分海底只有1亿年的历史，大多数不到2亿年。

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　　不过，科学家已经找到办法，分辨消失的海洋底部，它们沉入地球地幔，现在藏在海洋墓地里。

　　方法包括观察地震产生的地震波在地球上传送的速度。在约2.5亿年时间里，消失的部分海底温度相对较低，在穿过寒冷的石板与地球炙热的内部时，地震信号有所不同。

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　　“它是我们脚下的黑盒子，”荷兰乌得勒支大学的板块构造专家Douwe van Hinsbergen解释说。但现在，科学家可以借助地震分析研究这些古老的石板，回溯地质状况，破解驱动世界的地下力量。这些海底遗迹宛若幽灵，潜藏在几乎每一个大陆之下，van Hinsbergen和同事在《地下世界地图集》中收录了近100个。

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　　在最古老的遗迹中，有约2.5亿年前的海洋板块残余，它们现在位于地幔与地核的交界处，包括冲刷着冈瓦那大陆海岸的古特提斯洋。冈瓦那大陆是一片超级大陆，主要由今天的南美洲、非洲、印度、阿拉伯、澳大利亚和南极洲组成。

　　把这些消逝的海底遗迹碎片、磁性条形码和其他大量地质线索拼凑在一起，科学家团队重建了10亿年前的地球，令人叹为观止。

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　　模型架构师之一Merdith指出，这不是关于地球早期形态的定论，随着更多数据的出现，分析结果也会不断改变。但大陆与海洋的此起彼伏，则突显了地球表面形状变化的迷人之处。

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　　“这是全球难题的一部分，”Shephard说。

穿过地球栖息地的涟漪

　　海洋开放又闭合，大陆在地球上漂移，生命在不断变化的环境中转换。例如，根据Peters和同事的研究，一个新海洋的形成将有利于生物多样性，盘古大陆分裂时就出现了这种情况。

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　　盘古大陆上生活着今天所有主要陆地生物的祖先，Peters解释说。这个超级大陆分裂后，陆地动物在孤立的陆块上进化出了各种颜色、体型和生活方式。新的海洋环流路径把水分送入大陆内部，湿润了以前的干旱地带。与此同时，阳光照射在新大陆架的浅水水域，海洋生物在这里繁衍生息。

　　“对于蛤蜊、鱼类等动物而言，这些大陆架边缘是最适宜的住所，”Peters说。盘古大陆分裂后，地球上的生命迎来了繁荣。

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　　即使是很小的板块构造变化也会对地球表面造成巨大影响，巴拿马地峡的形成就是一个惊人的例子，这是连接南北美洲的狭长地带，Peters解释说。大约2000万年前，海水通过这条海洋动脉从大西洋流入太平洋。但随着太平洋板块俯冲到加勒比板块之下，海底上升，海底火山透出水面。

　　海洋之间的水路开始变窄，最终被完全切断，使得温暖的海水向北流去，形成了今天的墨西哥湾暖流；这股洋流提高了欧洲西北部的气温，当地也因此相对气候温和，虽然它与加拿大寒冷地区的纬度相似。

　　这一变化也为现代洋流传送带的形成做好了准备，风暴模式、带来养分的洋流都受到传送带控制。“巴拿马地峡的闭合产生了巨大影响，”Peters说。

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未来的海洋

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　　未来，地球将会迎来更多改变世界的板块构造变化。约2.5亿年后，地球上的陆地地块可能会再次汇聚成一个超级大陆：终极盘古大陆。在古地图项目（PALEOMAP Project）负责人Christopher Scotese绘制的这幅未来场景中，大西洋几乎闭合，并缩成了不起眼的内海。

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　　但地质上的未来仍无法确定。也许情况恰恰相反：太平洋闭合，在地球的另一端形成名为“新盘古大陆”（Novopangea）的超级大陆。还有一些模型显示，多种变化结合在一起，会导致大西洋和太平洋闭合，新的海洋诞生于亚洲。

　　无论遥远的未来将发生什么，构造变化已经发生了。科学家认为，地球上的下一个海洋将形成于东非大裂谷；在这里，灼热的岩石升起烟羽，正缓慢地迫使非洲大陆东部海岸的狭长地带分裂开来，杜兰大学的地球物理学家Cynthia Ebinger解释说。她对这片区域进行了广泛研究。

　　今天，这种分裂在带来了非常现实的后果，这是地球上火山活动最丰富的区域：最近，刚果民主共和国的尼拉贡戈火山剧烈喷发，导致40万人流离失所，至少32人死亡。位于厄立特里亚海岸的另一座火山则带来了截然不同的影响：它牵制了红海，保护埃塞俄比亚东北部位于海平面以下的土地不被洪水淹没，Ebinger说。这里曾有过一个小小的海洋，虽然海水早已干涸，但地球构造板块的移动可能再次引发洪水。

　　地质构造学是地球地质历史与未来的重要驱动力，今天，还有一种强大的力量也参与了地球的进程：人类。人类以前所未有的速度，向天空中排放温室气体，改变了海洋和大气循环，造成致命后果。人类还通过进口和旅行，混合了不同的生态系统，这是从未有过的。

　　“地球上从来没有发生过这种情况，从来没有，”Peters说。

　　从地质时间角度来看，人类的时代只不过是一瞬，但我们的行为却会给全世界留下难以磨灭的痕迹，尤其是生物圈的混合，Peters说。

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　　“它的影响会存在于未来的每个生物中，就像盘古大陆的影响存在于今天地球的每个生物中一样。”

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（译者：Sky4）

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