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科学秀——地质学六大迷题

6 Things We Still Don't Know About Earth

地球是我们的家园
我们普遍觉得很了解地球
但事实上 我们仍在探索很多关于地球的知识
有6个我们仍正在尝试解决的关于地球的谜题
从板块运动及大陆 到地中海消失的时间
首先 板块运动是如何 以及何时开始的
地壳(加上地幔的最浅层)被划分成浮动的构造板块
这些板块一直在移动 相互挤压或滑到另一板块底部
这个过程会造成地震 火山喷发 大陆的移动等现象
了解板块运动是了解地球的基础
事实上 甚至可以称板块运动为地质学的“基岩”
但即使过了50多年
板块运动是何时以及如何开始的 仍旧没有确切答案
一部分原因是 早期地球留存的实物证据非常之少
而那些留存下来的物质 是可以被各种解释的
所以 两名研究同一个样本的科学家
可能会得到迥异的结论
但我们还是有一种调查的办法:
通过使用像蛇绿岩这样的矿石样本
来试图确定板块运动的开始时期
蛇绿岩是存留在大陆地壳中的洋壳碎片
它们只有在板块已经相互碰撞或滑动的情况下
才能形成
所以我们若能在某一时期的岩石中发现它们
就可以将其作为证明板块运动当时已开始的证据
我们发现的一些最古老的蛇绿岩 有38亿年历史
这说明板块运动很久以前就以某种形式存在了
也有其他证据表明开始日期可能处于
40亿年前地球刚形成时
至不到10亿年前 这一时间段之间
跨度有点大
与此同时 科学家也在通过创建并测试电脑模型来研究该问题
比如 2015年
一项研究利用模型来调查地幔柱
地幔柱是指从地球深处涌出的大量岩浆
该研究发现 远古时期一次或多次的地幔柱运动
就拥有足够撞裂早期地壳的力量
从而开启板块运动
如果从宇宙飞船上俯视此过程的话 会相当壮观
但在地球上就另当别论了
揭开这个难题很重要
因为这能让我们理解不仅地球上的生命
还有宇宙里的
因为板块运动除了塑造了地球的外表
还通过增加或去除二氧化碳
维持了大气的稳定
这让我们的地球避免了极寒或极热的气候
因此 一些科学家认为
板块可能也是其他星球上生命发展和繁荣的必要条件
不管是如何开始的
板块运动的确是开始了缓慢重塑地球的样貌
这也引出了我们的第二个谜题
大约2.5亿到3.5亿年前
各大洲挤压在一起 合并成为一块巨大的陆地
被称为“盘古大陆”
一片科学家们所说的超大陆
但这不是在地球初次发生了 也不会是最后一次
从更广的层面上看
超大陆的反复循环 就像板块运动一样
对地球的地壳 大气 海洋 以及生命有着深刻的影响
举个例子 盘古大陆的分裂
有导致全球性气候变化的可能性
这是因为刚裂开的缝隙会向大气中释放二氧化碳
但是 解释该循环存在的原因及其动力要更棘手
就像刚才说的 许多实物证据是可以有多种解释的
而且有可能 每个超大陆的形成原因都是不同的
举个例子
科学家们正在研究超大陆形成背后的动力
其中一个可能的解释
叫做“外向”
这个“外向”跟性格“外向”没有任何关系
这个过程起始于一个超大陆
接着 一个大洋在中间形成
并将其他板块挤走
最终 由于大洋扩张得太大了
导致那些板块在地球上转了一圈
最后挤成一片
但是2018年一篇论文指出
尽管单靠外向这个理论 也许能解释一些超大陆的存在
但外向很难解释超大陆形成的每个步骤
包括盘古大陆的形成
盘古大陆的成因可能正和外向相反:
“内向”
内向也始于一个大洋在大陆中间成型
但是 大洋之后停止了扩张 并且整个过程逆转了
把其他板块拉回了原位 好似一个巨大的排水系统
科学家们在探究该过程某些步骤背后的动力时
可以使用的一种办法是
测试位于板块碰撞带的海洋沉积的年龄
这个方法可以测出这些沉积物是来自古老的洋壳
还是近代洋壳
来自古老的洋壳就说明是外向
来自近代洋壳就说明是内向
板块运动所造成的另一个可能的结果
是墨西拿盐度危机
约600万年前 由于古直布罗陀海峡被关闭
地中海从此与大西洋切断
自然地 地中海从河流获得的淡水量
开始跟不上其水分蒸发量
所以 在没有直布罗陀海峡补给水量的情况下
地中海开始干涸
尽管关于干涸了多少是存在争议的
但可以确定的是
那里形成了厚达千米的盐层
该危机也对当地气候和动物群落有着巨大影响
但海峡为什么会关闭呢
只研究岩石本身是难以获得答案的
因为确认岩层的年龄并非易事
举个例子 通常可以充当“指路标”的化石很少
所以我们不得不使用其他方法
比如研究火山岩
2003年 科学家们比较了位于同一处
但年代不同的岩石
他们发现 岩石中各种元素的比例有所变化
他们认为这表明 地幔中发生过变化
他们提出 在那场危机前后
一个版块移动了
导致高温地幔物质上涌
并将直布罗陀海峡周围的土地从海中抬起
从而关闭了海峡这个“大门”
墨西拿盐度危机最终还是过去了
地中海再次被海水注满
而这究竟是怎么发生的 则又是一个难题了
当然 以上整个想法只是一个假设
所以一如既往地 还需要更多的研究
火山定期向地表喷射岩浆
重塑或是创造新陆地
大多数情况下 这只对小区域有影响
或是只在短时间内有影响
比如 一次强力的火山爆发 有时可能会毁灭一个岛屿
或对世界气候产生暂时性影响
但是 被称为“泛流玄武岩”的 更大规模的喷发
也可能发生
玄武岩浆厚达几千米
并能覆盖超过100万平方千米的区域
其中 西伯利亚和德干高原的两次喷发
还被指出导致了大灭绝事件
所以我们自然想知道发生的原因
通常被人引用的原因应该是地幔柱
地幔柱是从地心附近上涌的大量岩浆
另一个可能的原因是拆沉作用
拆沉作用指部分岩石圈(地壳和上地幔的顶部)
与本来上覆着的地壳剥离的过程
但这些现象是如何 为何发生的 我们没有肯定答案
毕竟这些是几百万年前
发生在地球深处的事件
但仍然有一些办法 有可能让科学家们
破解泛流玄武岩的成因
比如 2006年
一篇论文研究了多块捕虏体的成分及年龄
捕虏体是指存在于其他火成岩间的岩石
该论文的作者们所研究的捕虏体
应该是会形成于地幔中 紧贴地壳下方
并且 他们研究的那一层岩石应该是
在发生泛流玄武岩喷发后迅速沉积的
他们依据的思路是
如果拆沉作用确实是泛布玄武岩的成因
那么 如此一大块岩石圈的消失
也应该会导致其中或其下方的捕虏体的消失
科学家们可以利用任何找到的捕虏体的年龄
如果有拆沉作用的话
那么就不应该存在比之更早的地幔捕虏体
通过研究这些岩石 确实说明了
拆沉作用在某时期的中国发生过
但无法说明其他事件
比如南非的事例
所以 科学探索仍需继续
地轴会随着时间推移不断地游离偏移
比如 20世纪时 地轴似乎每年都移动了10厘米
部分原因是源于上次冰河时代的反弹效应
我们可以通过人造卫星绘制这张极移图
理解这个过程对于气候建模很重要
但地轴的偏移可能并非一直都是这样的稳定从容
事实上有证据表明
地轴曾发生过重大偏移
举例来说 大约1.74亿到1.57亿年前
东亚经历了一次剧烈的气候变化
从雨季转变为极端的干旱季节
对当地动物造成了毁灭性的打击
一直都存在着一些对该现象的解释
但2019年的一篇论文表明
该变化的原因是极移
若事实真是如此 就意味着地球基本上扭转了
使今中国的地区南移了2800千米
跟现今的小型极移一样
这些大型扭转会被和地球质量重新分布联系到一起
碰撞或冰川都有可能引起质量的重新分布
多余的地球质量连同地壳和地幔
一起被强力撞向赤道
这正如同物理学上
一个旋转的球体失去平衡后的结果
尽管如此 要想找到这些转变具体发生的时间及原因
还是非常难的
我们能用的一个方法 是古地磁学
岩浆冷却后 取决于其在地球磁场中的位置
会呈现出不同的磁特征
所以 如果看到一连串岩石的磁特征
在快速又剧烈地变化
有可能意味着
这些岩石曾经的所在之处短时间内移动了位置
虽说如此 但岩石可能并非完美地记录了一切
因为之后的撞击和挤压是有可能改变磁特征的
再次说明了我们很难言之凿凿地确定什么
最近出现了其它方法
有建议表明我们可利用热点
比如夏威夷热点
因为地壳只是浮在地幔上方
所以理论上讲 地壳发生移动
而地幔保持不动 是有可能的
而因为热点是地幔特征 并非地壳特征
所以我们可以利用热点追踪出地壳是如何移动的
最后 即地质学最公认的事实之一:
地核温度极高
但问题是:究竟有多热?
这些细节会帮助我们
探明有关地球如何运转的大量信息
比如磁场是如何产生的
地球是如何形成的
甚至是如何预测地震
可是想确定地核温度却不容易
因为不能简单地把温度计插到地核里
所以我们必须想出新点子
科学家们在利用
金刚石压砧来实验出
金属在高温高压下的反应情况
在这些实验中
科学家们将少量样本放置于一对金刚石对顶砧之间
然后观察测量样本被加热并挤压后会发生什么
他们的想法是 把铁放在其中一个对顶砧里
然后将其加热并挤压到与地核密度相同
地核的密度我们已经由其他测量得知
达到地核的密度后
就可测量那块铁的温度
而这应该就是地核的温度
2013年 一个实验运用这种方法
将内地核边界处铁的熔点
从约4800摄氏度修改至约5900摄氏度
5900度 跟太阳表面的温度都差不多了
这之后该数据就没有什么大幅度的改动了
所以这个谜题也许被我们暂时搁置了
但是 这正是谜题吸引人的地方
一个新研究 就能重新打开探索的大门
地球是我们的家园
但它是一个由各股力量和各种变化过程塑造的家园
而其中很多力量和过程都是看不见的 或早已不复存在
或复杂程度令人一筹莫展
经常是以上三点兼备
我们的地球不仅是一个布景
它本身还是伟大的科学谜题之一
感谢观看本集《科学秀》
如果你喜欢了解地质学
你大概会很喜欢我们在华盛顿拍摄的三集特别系列
主题是华盛顿国家公园的地质学
我们真的去了华盛顿拍摄 这是个全新的挑战
我们也学到了很多东西
你可以本视频结束后观看该系列的第一集

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译制信息
视频概述

主要介绍地质学界内的待解决的疑问,包括泛布玄武岩、地核温度等等

听录译者

收集自网络

翻译译者

克里斯托

审核员

审核员MS

视频来源

https://www.youtube.com/watch?v=MWcsP7H66co

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