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调查“雪球事件”档案-前寒武纪地质学家Hoffman的故事 精选

已有 6122 次阅读 2022-6-5 11:27 |系统分类:科普集锦

在这个世界上总是有些人不惧危言,大胆前行,即使头破血流,也在所不惜。他们像一条游鱼,纵然游遍了太平洋也不满足,总是内心蠢蠢欲动,时刻想去大西洋、印度洋、北冰洋一试身手。只做个游泳冠军依然非他所乐,不时被身边的洋流、露出海面的火山岛,矗立的冰川所吸引,他们天生就是一群不知疲倦,充满了奇思妙想,又身体力行,敢于尝试的巨人。既然选择了走钢丝,就放下恐惧的包袱,“舟遥遥以轻飏,风飘飘而吹衣”,即便坠落山崖,摔得粉身碎骨,也只当为未来人提供前车之鉴。Paul F. Hoffman这位前半生从事大陆岩石圈研究,后半生涉足新元古代气候历史,一生辗转于地层岩石、板块构造、地球化学、气候科学诸领域,最终以“雪球事件”调查而广为人知的前寒武纪地质学家正是这样的人,他也被认为是近100年来最具影响力、最富创造性的地质学家之一。

Hoffman1941321日出生于加拿大安大略省多伦多市,是家庭四个孩子中的老大。他的父亲是一位极有耐心,不辞辛劳的工业涂料化学家,早年从波兰移民而来;他的母亲是一位热情专注、喜欢运动、对事物充满好奇心的小学教师。Hoffman一家在郊区拥有一小块土地,上面盖了两间木屋,每到周末,全家就来此度假。父母的理念是孩子应该呆在户外,拥抱大自然,因此Hoffman的自小“流浪”让他在城市与乡村都有家的感觉。

生活在城市的好处是有许多机会参观动物园、博物馆、艺术长廊、植物园以及天文台等。十余岁时,Hoffman痴迷于矿物与岩石,经常在地质博物馆一呆数小时,他专心致志听取博物馆工作人员的讲解并跟随他们到野外采集矿物标本,收集古生物化石。当在泥盆纪白云岩洞壁上敲下蓝色、橙色的天青石矿物时那份悸动如马蹄踏花,归香久挥不去。父母告诫孩子要去追求自己喜欢的活动,只要顺从内心即可,当看到Hoffman对矿物岩石越来越痴迷,似乎要以此为职业时,一股对遥远北方的浪漫幻想在心中升腾,令他们激动不已。虽然父母连高中教育都没有接受过,但家中藏书丰富,Hoffman对科学的第一次接触是阅读物理学家乔治·伽莫夫的畅销书《从一到无穷大》,但早期的偶像却是阿瑟·柯南道尔爵士《失落的世界》中的Challenger教授。如果科学是去充满野性的山川,寻找举世瞩目的发现并在公众面前进行栩栩如生的讲座,为什么要对成为这样的科学家说不呢?Hoffman欣然接受这样的挑战。

上世纪六十年代,麦克马斯特大学(McMaster University)还是一所规模较小,正在发展的大专院校,位于钢铁城市汉密尔顿附近,坐落于安大略湖与尼亚加拉悬崖交汇处。当时的校长是Henry G. Thode,一位核化学家,诺贝尔奖得主Harold Urey的忠实信徒,一直对地质学与地球化学感兴趣。麦克马斯特大学有一项政策:每年招收100名低于省最低录取标准的特殊学生。每天早起上自习,全天坐在教室里,回家做作业到很晚,非Hoffman喜欢的活动,在高中学校田径教练的推荐下,他幸运地成为100名特招生之一。

麦克马斯特大学地质系师资力量雄厚,共有10位地质与地球化学教授,其中有几位是各自领域的领军人物,而Hoffman的班级却仅有4名学生。其中一位叫Vinton E. Gwinn的构造与沉积地质学家给他留下了深刻印象,Gwinn提出对造山带的理解应该由外及内,始于毗邻前陆沉积盆地中的地层与沉积物。每年夏天,作为野外助手Hoffman都参与加拿大地质调查局等单位在西北地区开展的野外填图项目,所赚取的薪水加上生活补助足够担负学杂费等日常开支。在此期间,Hoffman对加拿大地盾构造产生了浓厚兴趣,而当时业界对这方面的理解还淡月朦胧。他在野外注意到,前寒武纪沉积岩和年轻沉积岩保存情况并无多大差别,只是前者出露情况没有后者广泛而已。

1964年本科毕业后,Hoffman去了美国马里兰州约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)攻读博士学位,研究课题是对比某盆地与阿巴拉契亚沉积序列古水流方向。该盆地位于大奴湖(Great Slave Lake)东支,紧邻加拿大斯拉夫地盾(Slave Craton)南侧,盆地内的沉积物厚达12000m,已于早元古代发生了明显褶皱。虽然当时板块构造已箭在弦上,但它更像是一场隐匿的革命,在大多数地质学家意识到任何不同寻常的事情发生之前,它已经结束了。与托马斯·库恩在《科学革命的结构》中阐述的范式理论相反,在板块构造理论出现之前,地质学家并没有对当时占主导地位的地槽理论大肆声讨,也没有与日俱增对它的不满,所以地槽理论还是某些地质舞台上的主角。按照Francis J.Pettijohn的观点,造山前沉积物流向地槽轴方向,造山后沉积物流向相反方向,同造山(以深水为主)沉积物流向通常与造山轴平行。如果研究区褶皱带与相似于阿巴拉契亚褶皱带的地槽相邻,那么在轴向沉降过程中,沉积物扩散则向东南方向;随后造山运动过程中,沉积物扩散则向西北方向。在野外进行地层剖面、古水流方向测量期间,他发现了大量广泛出露,保存完好的精美叠层石。这些叠层石由碳酸盐岩组成,是蓝绿藻活动过程中形成的一种沉积构造,叠层石的形态与沉积环境中水的能量、冲刷效果密切相关,也可以用于指示水流方向。Hoffman对叠层石的偏爱扩展到对碳酸盐岩的关注,世事难料,三十年后,正是对碳酸盐岩的研究,使得“雪球事件”昭然若揭,大白天下。

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加拿大地盾西北角构造要素(来自文献1

1969年,Hoffman加入了梦寐以求的加拿大地质调查局,开始着手调查位于斯拉夫克拉通与大熊湖(Great Bear Lake)之间的Wopmay造山带。该造山带推测由地槽演化而来,这时他已转变思想接受了板块构造理论,地槽曾经是裂开的大陆边缘。Wopmay造山带是研究古元古代构造样式的典型区域,若想深入理解,就需要面对解决各种难题,特别是造山带的核心部位,地质构造复杂、岩浆活动频繁、变质作用强烈,非一己之力单枪匹马可以解决,需要有一支坚强有力、作战勇敢、无畏风霜、信念坚定的队伍才能担此重任。不计报酬,以苦为乐,荒老了青草,流淌了溪水,最终Hoffman和他的团队得出Wopmay造山带经历了完整的威尔逊旋回,以陆--陆碰撞结束。当时尚无前寒武纪造山带以板块构造理论进行综合解释实例,而且所有的时间关系都建立在野外填图基础之上,无一粒当时正在兴起的锆石U-Pb年龄。Hoffman还深刻意识到,20亿年前的板块构造特征从细节上来讲同现今并无多大差别。地质填图是一项不屈不挠的科学活动,是现代发达世界最接近原始狩猎采集的一项运动,每一个观察过的露头都要与预想的三维构造演化相一致,构造演化既可以预测未见露头的性质,又可以识别出最需要检查的关键露头。当填图人员从一个露头走向另一个露头时,他心中必须时刻牢记总结、预测、检验这些推断的构造演化史。做野外工作的全部意义在于挑战先入为主的观念,当细节不合理时,通常是大局出了问题。在这个世界上,难道还有什么比解释地球自身及生命随地质年代演化更荣耀的事情吗?至1982年,北美板块前寒武纪基本轮廓已清晰,共有5-6个在太古代独立存在的板块在元古代相对较短的时间内(1.97-1.84Ga)汇聚碰撞,整个拼合过程很像古生代之冈瓦纳,中生代之中亚。

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Hoffman(最右)与他的团队在野外(来自文献4

科学家在上世纪60年代就注意到在世界各地广泛分布着新元古代冰川沉积物,古地磁资料表明这些沉积物许多形成于赤道附近,这使得他们萌生地球在新元古代曾经遭受了大面积冰川作用的想法。另外困扰科学家的是,冰川沉积物中含有已经消失了近10亿年的BIF含铁建造,冰川沉积物之上竟然直接覆盖了原本形成于浅海温暖环境下的碳酸盐岩。1992年,加州理工学院Joseph L. Kirschvink提出了“雪球”(Snowball Earth)理论,用于解释新元古代广泛分布的冰川沉积物以及BIF含铁建造的形成。主要观点是冰雪拥有更高的反射率,使得地球温度快速下降,引起的效果称为冰反射率回馈(ice-albedo feedback),在赤道附近时,正常的冰反射率回馈失去控制,温度急剧下降,最终地球被全部冻结。

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世界各地新元古代冰碛物

分别出露于挪威、中国、纳米比亚、美国

上左来自文献7,上右由中国地质大学(武汉)俎波提供,其余均来自网络

由于加拿大地质调查局管理结构变化引起的独立性收缩和丧失,Hoffman想去别的地方碰碰运气,1992年去了维多利亚大学(University of Victoria),1994年到了哈佛大学(Harvard University)。在研究前寒武纪地质以及超大陆旋回过程中,Hoffman就注意到海相碳酸盐岩在元古宙最后的300Myr无论是放射性同位素还是稳定同位素波动异常。在他的心目中,碳酸盐岩是所有岩石中最有趣的,因为在地质不同时期特征都不同,它们直接反映了海洋和内陆水域的生物和生物地球化学行为。当在参会等候穿梭巴士时,Kirschvink和他谈到了“雪球”想法,Hoffman怦然心动。Hoffman环顾世界各地寻找合适的新元古代碳酸盐沉积序列,该沉积序列必须广泛出露,且显示不同水深,从而使得地球化学数据可以很好地被置于古沉积环境、层序地层以及成岩背景中,数据只有在思想的舞台上才能展示巨大魅力。别人向他推荐了非洲纳米比亚西北端Otavi Group地层,一位知天命之年的老兵又开启了一段长达20余年的寻梦之旅。

雄伟的计划需要漫长的酝酿,经过5年的卧薪尝胆,Hoffman与他的同事1998年在Science上发表了A Neoproterozoic Snowball Earth,综述了他们的研究成果。Hoffman早已做好迎接暴风雨洗礼的准备,但其排山倒海的架势还是令他茫然失措,原本默默无闻的“雪球”理论似乎一夜之间改变了元古代研究的焦点与尺度,特别是它声称海洋完全冻结持续了令人咋舌的1000万年。“雪球”假说像月中仙子、海市蜃楼吸引了公众的眼球,激励了不同学科人员,也引发了诸多非议甚至刁难。但纵观科学史,任何一种科学理论要想被广泛接受,都需要严格接受各学科的检验!对于科学家的名誉来说,没有什么比长期坚持一个糟糕的想法更有害的了;同样,也没有什么比过早放弃一个好想法更糟糕的了。永远不要试图说服全世界的人接受一种新理论,说服两三个顶尖的科学家,其余的人就会随大流。有时候新知识本身的正确与否并不重要,重要的是学会以不同的方式思考问题。Hoffman从未退却,一直坚守,如今“雪球”理论广泛见于各种教科书。

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Hoffman在野外与研究区轮廓(来自网络)

到底是什么引发了“雪球事件”,它又是怎么消失的呢?为了解释北美克拉通周边早古生代被动大陆边缘沉降,地质学家推断在1100-750Ma地球上存在一个超级大陆,为罗迪尼亚大陆(Rodinia)。750Ma时,该大陆开始裂解,形成了太平洋,其裂开的板块散落于赤道两侧,大陆边缘与海水接触面积大为增加。由于热带、亚热带地区温度高,降雨频繁,化学风化作用强烈,特别是硅酸盐矿物在风化过程中会消耗大量CO2,例如长石风化为高岭土,这意味着大气中CO2含量会持续减少,温度变得更低。再来看极地地区,在这里光线斜照,随着全球CO2含量降低,冰川开始不断扩张,海里的浮冰变得越来越多,由于冰对光线的高反射率,温度持续走低,冰川不断向赤道方向蔓延。当到达南北纬30°附近时,反射率开始以更快的速度上升,因为阳光直射在每个纬度冰面上的面积越来越大。冰反射率回馈失去控制,表面温度断崖式下降,平均温度达到-50℃,全球为冰雪覆盖。

海冰阻止了水圈与大气圈之间的气体交换,导致大部分海底呈厌氧环境,海底热泉释放的大量Fe2+得以逗留在海水中。在“雪球事件”期间,大部分碳循环像疫情期间的人员管控一样缺少流动,化学风化率无限接近于零,这颗星球笼罩在死亡的阴影里,看不到一点儿生机。幸亏板块构造的源动力不是来自太阳,而是来自地球内部的热量,消减扩张不受影响,火山活动持续产出,在喷出熔岩与火山灰的同时,也释放出大量气体,15%CO2。没有生物活动,没有风化作用,CO2含量在大气中不断飙升。假设新元古代火山喷出气体的速度与今天相同,那么在足够多的CO2累积到开始融化海冰之前,地球可能会被冰锁数千万年。最终,当CO2产生的温室效应大于冰反射产生的冷却效应时,海冰开始融化,海水有效吸收入射的太阳能。海水面积越大,其吸热的热量也就越大,最终在短短几千年的时间内赤道地区海冰全部融化。海冰融化,地球温度升高,可以达到50℃,水循环活跃起来,海冰中原本携带的冰碛物纷纷落入海底。裸露的岩石遭受强烈风化,其Ca2+Mg2+HCO3+等风化产物被带入海洋中,迅速沉积最终形成了厚厚的碳酸盐岩。海洋中的Fe2+被空气中的O2氧化,形成了赤铁矿、磁铁矿。冰碛物之上的岩石被称为盖层碳酸盐岩,其内常常保存有特殊的结构,例如高达1-2m的文石,更多暗示了迅速生长的特点。

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雪球事件中温度及冰蔓延变化图(来自文件6

总的来说,雪球地球假说解释了新元古代世界地质记录中许多非同寻常的观察结果:与冰川沉积物相关的C同位素变化,与冰川沉积物相矛盾的盖层碳酸盐,冰川长期滞留于赤道附近海平面以及BIF含铁建造重现。相比其他假说这个理论的优势在于它能同时解释这些显著特征,而且,它还阐明了生命的早期进化。

大约35亿年前,在原始海洋里,出现了地球上最古老的生命—单细胞原核生物,包括所有的古细菌、细菌和蓝绿藻。20亿年左右,真核生物开始出现,与原核生物的主要区别是前者具有带细胞膜的细胞核,但在其出现后的10亿年间,最复杂的生命形式仅限于丝状藻类与单细胞原生动物。而在“雪球事件”后,生命形式开始变得复杂,先是6.7-5.7亿年出现了类似植物的埃迪卡拉动物群,随后5.7-5.3亿年寒武纪生命大爆发,地球上突然出现了大量带壳的种类繁多的生物种类,这一直是一个谜。“雪球事件”对环境施加了外在压力,形成了一个“环境过滤器”,地球上现存的11个动物门都出现于最后一次雪球事件之后一个狭窄的时间段,因此所有现存的真核生物其实都是新元古代灾难事件的幸存者。在“雪球”期间,只有与深部岩浆有关的热泉附近最有可能保留生命形式,热泉环境类似地狱,温度、化学梯度多变,只有那些快速改变基因,迅速适应环境的物种才有可能在如此恶劣的境遇下活下去,在数百万年的时间里,遗传多样性被不断积累,最终导致了“雪球事件”后的生命大爆发。灾变事件产生基因突变,或者基因变化适应灾变环境,从而使得原物种得以生存繁衍,更有甚者,基因突变会产生新物种,就像人类战争,在带来痛苦的同时,也在无声或剧烈地发生着变化,才有今日繁复世界。

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生命进化与“雪球地球”的关系(根据文献3重绘)

在科学家的职业生涯中,大多数都像蚕宝宝一样待在自我编织的知识卵袋里,Hoffman却非如此,他总是不断挑战自己,进入地质新领域,掌握它们,并做出重要贡献。从早期对叠层石、地槽和坳拉槽起源的见解,到中期对Wopmay造山带火成岩、变质岩、构造地质的研究,到后期对北美前寒武纪地质的编纂以及最后他在“雪球地球”假说成熟过程中的领导作用,Hoffman对地质文献及其历史有着百科全书式的统领,对大范围的地质剖面有着精辟独到的理解,并以新鲜、深刻和创新的思想扩充了这方面的知识。在任何领域,很少有科学家能像Hoffman这样勤奋地工作,也许从他的职业生涯中学到的经验教训就是要勤奋地阅读文献,花尽可能多的时间看岩石,永远不要停止学习和进步,总是用崭新和可测试的方法挑战自我和他人,真正明白所建立模型的优缺点,最终让它成为自己思想和身体的一部分。除了不知疲倦的工作,他还是一位马拉松爱好者,每年至少参加三次完整比赛,因为他觉得跑步对大脑有好处。有时候他也会与同事朋友争论各种问题,譬如沉积结构、政治、田径、爵士乐、棒球……

感谢中国地质大学(武汉)俎波博士与南京大学胡修棉博士为写就本文所提供的图片与技术支持!

参考文献

1.Paul F. Hoffman.2019.Big Time.Annual Review of Earth and Planetary Sciences,Volume 47,1-18

2.Hoffman PF, Kaufman JA, Halverson GP, Schrag DP. 1998. A Neoproterozoic snowball Earth. Science281,1342-1346

3.Hoffman PF, and Schrag DP. 2000. Snowball Earth.Scientific American, Volume 282,68-75

4.Robert S.Hildebrand, Galen P.Halverson. Paul F. Hoffman: Career and Contributions. Geoscience Canada Reprint Series 11,1-13

5.the Geological Society of America. Tectonics Division Career Contribution Award2009

6. Paul F. Hoffman and Daniel P. Schrag.2002. The snowball Earth hypothesis: testing the limits of global change. Terra Nova, Vol 14, No. 3, 129-155

7.Snowball Earth. https://opengeology.org/historicalgeology/case-studies/snowball-earth/













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