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地球的中年-无聊的十亿年真的无聊?

已有 3203 次阅读 2021-2-15 09:57 |系统分类:观点评述

地球在18亿-8亿年期间被称为地球的中年,这期间过得平平凡凡,不思进取(很稳定、被动边缘少,没冰川沉积物、铁建造、古海水记录和碎屑锆石中无明显的锶异常等)。在地球整个进化史上,一个最大的谜团就是为什么动物没有在23亿年前氧含量达到峰值之后就开始进化,相反这个进化历程却停滞了十亿年。复杂细胞在21亿至16亿年前就开始出现了,但是只到8亿年前多细胞动物才开始爆发,这近10亿年时间没有找到太多的化石记录,进化似乎陷入停滞状态,古生物学家称之为“无聊十亿年”(boring billion)。这十亿年,年代相当于中新元界。

第一次提出无聊的十亿年,是在2001年5月29-6月1日在美国召开的美国地球物理联合会春季会议(Spring Meeting of the American-Geophysical-Union)由Gregory S. Jenkins提出的。

目前关于这十亿年有6种说法,来描述这一段地球的中年,感觉缺氧更靠谱。

■太宽,2014年,Cawood第一次提出了地球的中年,即无聊的十亿年的说法。罗迪尼亚的超级大陆大部分是陆地,非常稳定,在7.5亿年前解体之前,它主要位于在热带和温带地区。下地壳被熔得一踏糊涂。

■壳太软,2012年,Gerya认为外层太软,因为心里热(下地壳),板块构造无法起作用。

■缺氧,大量学者提供了沉积学证据,如Planavsky(2014), Gramling(2014), Planavsky(2014),有铁的证据,说明这阶段缺氧。

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图1 中新元古铁矿石揭示当时缺氧

缺物源,2019年,Sobolev计算了各时期的造山带的长度,在这一时期的长度较短。这意味着,入海的沉积物减小了,于是板块运动就弱。

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图2 造山带长度和年代的关系

缺营养,2018年,Mukherjee认为,海洋营养不良,生存艰难,节衣缩食,后来条件改善了,变成了大胖子(生物大爆发)。碳、铬同位素非常平坦,微量元素含量低,如下图所示(灰色背景部分)。他把这十亿年比喻为生命的弹弓,之后的生物大爆发就是弹弓释放的瞬间。

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图3 微量元素含量与时代的关系,中间两段正的算啥?


缺山,2021年,北大Tang认为铕元素异常和地壳厚度呈正相关关系,Z=84.2*Eu/Eu*zircon+24.5,由此计算出地壳厚度在此时最小,地壳呈完美的蛋壳状,厚度均匀,山被磨平的,没剥蚀,似乎借用了Mukherjee(2018)的观点,海洋生物没陆上物质供给,海里的生物被饿死了(演绎了一下,但是这个意思)。地壳变薄似乎借用了Cawood及Gerya的观点(未看到原文)。

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图4 不同年代的地壳厚度

上图看似吻合,但,中新元古界(即无聊的十亿年)地壳活动性不是最弱的,最却得了一个地壳最薄的结论?而22-24亿年的雪球事件及以前,地壳活动性才是最弱的,这时地壳应该是最薄的,却得到一个地壳厚度差最大的结论?18-22亿年之间强烈的造山运动时地壳却不是最厚的,反正,我自已已经乱了。如图5所示。这无聊的十亿年,只是生物没有太大的突变,好象不是地壳厚度发生了什么翻天覆地的变化。

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图5 中新元古界对地壳活动性的多个维度随时间的变化

a. 地幔亏损率,反映俯冲带通量;b.地壳厚度; c.造山带长度

总结一下,氧含量、微量元素、造山带的长度、地壳厚度差等这些参数和这一时期的活动性弱,生物突变弱看似有一定相关关系。若明年再找一些参数,也能和稀泥地拟合一个很好的曲线,但这些“吻合度”是真的还是假的?哪个才是本质?目前看来,似乎缺氧的证据更铁一些,有多位学者论述,是沉积证据,原位,而不是用一把沙子看地球。

实际上,这个时期应该是一个进化过程,也不缺陆源物质。曲阳县孝墓村中新元古露头1851米,能见到竹叶状灰岩(图7,反映浅水,水动力强);河北易县马头村东中新元古露头厚3896米,发育有页岩、长龙山砂岩、白云岩等。高于庄组底部有陆源的物质,如图6为易县马头水库东(115.4902, 39.4503);雾迷山组底部也有厚层陆源碎屑。在周口店地区的铁岭组有叠层石。有黑色页岩发育,近年来油田公司甚至想在中新元古地层中找油,说明当初水体并不深,各层之间还有较大的不整合面,如铁岭组和下马岭组(据苏德辰)。无聊的十亿年真的无聊?

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图6 易县马头村水库东高于庄底部(20200827)

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图7曲阳县杨沙侯村南4km竹叶状灰岩(20200826)

  表1 中新元古代地层

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   最后,提出几个对牛年的第一牛文没有高山的地球中年一些疑问:

       (1)  隐含的气候是由地壳运动引起的不成立。作者引用了大量中新元古的文献,被认为是热的,地壳薄,因为没冰川,这本身隐含了一个错误的前提:气温是由地壳运动决定的。大量证据显示,气候变化远快于地壳运动,第四纪四次冰期和四个间冰期,并不是地壳运动引起的。这些冰期不是假说,是高精度的气候还原得到的;

       (2) 中新元界地壳薄不成立。此文的主要观点是通过铕异常来获得此时地壳薄。假设地球深部的温度真的突然增加了(如超大陆拼合了),它不会影响到莫霍面厚度变薄。温度只影响岩石圈总的厚度,使软流圈的顶界深度变浅,而岩石圈包括地壳和上地幔,地壳平均厚度17km, 岩石圈平均厚度80km, 除非将地壳底部约60km的岩石圈全部熔化,才会影响到地壳。而莫霍面仅仅是一个密度分界面,地球内部温度增加,对其密度分界面的性质来说是不会变化的。作者应该研究一下岩石圈厚度和Eu关系。

      (3)前面(2)中的假说地球深部温度突然增加也是不成立,因为22-23亿年有一次雪球事件,按目前认为气温是由地壳运动决定错误推论来推断,地球内部曾经冷过,若没冷过,“这次雪球地球是怎么产生的?”显然,这个内因说是很荒唐的,这里只想以子之矛阐述一下。地球温度是逐渐变冷,这个大趋势基本被认可,不会突升突降。

      (4)铕和地壳厚度的拟合得到的结果,和Silver(2008)的结果,及最新的地壳活动性-造山带的长度(Sobolev,2019,发表于Nature)不匹配,如图5所示,至少22-23Ga的雪球事件没体现出来,而这些雪球事件期间(Spencer,2018),图5a的俯冲带的通量应为0,但他的两条曲线中,只要氦同位素在此时“晃”了一下;地壳活动性最强处在18-22亿年,其氦同位素体现出来了。

  (5)作者假设,俯冲通量减小,气温变化对于俯冲通量一点儿影响都没有,而只是地壳厚度小,大陆海拔低于1-2km所致。直白地说,作者认为,当且仅当地壳厚度薄了,则剥蚀量减小了,俯冲减弱了,这很荒唐!大陆裂解与拼合的原因也被排除在外,仅仅是地壳厚度变薄了。作者引用了Larsen(2014)和Viviroli(2003),他们论证了高差小侵蚀率低,是一个充分条件,不是必要条件。也许作者看到了雪球地球期间俯冲通量为0(Spencer,2018),但如果承认这个,则本文就没任何意义了,于是只好选择性忽略。但22-23亿年,整整2亿年,地壳停止活动,是著名的古元古代雪球事件。气候对地壳活动性的影响是被证实了的,且是近期的,如我国大陆新生代四次冰期火山活动次数几乎为0,而每次间冰期暖和时期为7-8次(刘嘉麒和郭正府,1998)。



参考文献

Carolyn Gramling. Low oxygen stifled animals' emergence, study says. Science 31 October 2014: Vol. 346 no. 6209 p. 537

Noah J. Planavsky et al. Low Mid-Proterozoic atmospheric oxygen levels and the delayed rise of animals. Science 31 October 2014: Vol. 346 no. 6209 pp. 635-638

Jeff Hecht. Why did evolution stall during the 'boring billion'? 2014-05-01.New Scientist.

 Jane Qiu. Oxygen fluctuations stalled life on Earth. 14 July 2014 http://www.nature.com/news/oxygen-fluctuations-stalled-life-on-earth-1.15529

S.V. Sobolev and M. Brown. Surface erosion events controlled the evolution of plate tectonics on Earth. Nature. Vol. 570, June 6, 2019, p. 52. doi: 10.1038/s41586-019-1258-4.

Tang, M., Chu, X., Hao, J. and Shen, B., 2021. Orogenic quiescence in Earth's middle age.  Science, 371(6530), pp.728-731.

Gerya, Taras. Precambrian geodynamics: Concepts and models[J]. Gondwana Research, 2014, 25(2):442-463.

Cawood P A , Hawkesworth C J . Earth's middle age[J]. Geology, 2014, 42(6):503-506.

Jenkins G S , Mckay C P , Mcmenamin M A S . Introduction: The Proterozoic[J]. Geophysical Monograph Series, 2004:1-4(2001年的会议).

       Spencer C J ,  Murphy J B ,  Kirkland C L , et al. A Palaeoproterozoic
tectono-magmatic lull as a potential trigger for the supercontinent
cycle[J]. Nature Geoscience, 2018.

 

 

 




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