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当地质学家克拉伦斯达顿
（ Clarence Dutton）
在1880年第一次看到
大峡谷（Grand Canyon） 时，
他被眼前的景象所震撼！
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from Utah
色彩斑斓的峡谷，每一处
都好像是一幅精美的画。
一块鲜红，一方深赭，
一团黝黑，一片铁灰，
大地像一块巨大的调色板，
美不胜收。
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大峡谷的岩壁由岩石层构成，
每一层都代表着地球
历史上 的 一个独特时期。
峡谷深处一些较低的岩层
看起来 有些倾斜，
达顿 知道，这些层源自
非常古老的沉积物。
最初，它们作为水平岩层
大多位于河流或浅海中。
随着时间的推移，沉积物变硬，
地质力量将一些地层
向上推成一个角度。
然后，这些倾斜层的顶部
开始逐渐被侵蚀。
再后来，新的沉积层
（或多或少保持水平）就在
它们的正上方沉积下来，
从而形成了这样的景观。
克拉伦斯达顿对大峡谷的研究，
使他获得了地质学家所称的
“不整合”的重要资料。
确定了这一地区的沉积作用
并不是连续发生的，
而且不同岩层之间存在年龄差异，
有时这种年龄差距可能长达
数百万年……或者更多。
1882年，达顿将这种
“特殊的空缺”称为：
大不整合面
（The Great Unconformity）。
今天，我们通过
放射性年代测定法得知，
直接位于大不整合面之上的岩石
是在大约5亿年前的
寒武纪时期形成的。
而在某些地方，
这个“大不整合带”下面的岩石
大约有12亿年的历史!
地球本身有40多亿年的历史。
这意味着，在大峡谷中，
地球25%的历史已经消失了
——岩层已经不存在。
而且，大峡谷并不是
唯一出现这种情况的地方。
从西伯利亚到南极洲，
以及其间的许多地方，
都有这种“缺失”现象的存在。
造成这种大不整合的原因是什么？
我们先来了解一下
当时的地球背景！
1
科学家们认为，地球历史上
这一缺失的篇章可能与
破碎的超大陆、失控的冰川、
或者生命的多样化有关。
沉积岩层是由风、水
甚至冰等侵蚀的地质物质
(如沙子) 沉积而成的。
它们堆积起来形成沉积层，
然后变成岩石。
地层是一切成层岩石的总称，
是一层或一组具有某种
统一的特征和属性的
并和上下层有着明显区别的岩层。
把多个岩层叠在一起，
每一层代表一段时间，
它们就会成为一个岩层序列。
不整合面是划分两层之间
有年龄差异的地层的边界。
不整合可能意味着
很长一段时间没有新的物质
沉积在这个地方，
从而中断了岩石序列。
当然，如果地层受到侵蚀，
也会产生不整合面。
在大峡谷内，风景如画的岩层
充满了不整合。
例如，两层石灰岩之间
存在1.5亿年的差异：
一层来自石炭纪早期，
另一层来自寒武纪。
但和大不整合面的规模相比
就不值一提了。
大不整合开始于砂岩的底部，
这是一层约5.08亿到5.01亿年前
寒武纪时期的浅海
古潮汐所形成的地层。
这套地层再往下，是一块
17.5亿年前的变质岩，
被称为Vishnu基底岩
（ 这些基底岩也被称为
毗湿奴杂岩或 毗湿奴变质岩。）
以及被称为大峡谷超群
（Grand Canyon Supergroup）
的年龄在12.5亿年到
7.4亿年之间的倾斜岩层。
而弄清楚空缺层所在的
时间内究竟发生了什么，
是解释大不整合面存在的关键。
从地质年代表来看，
我们目前生活在显生宙，
它始于5.41亿年前寒武纪的黎明。
但在显生宙之前，
存在一个元古宙，
一个比显生宙长得多的宙，
大约在25亿年前开始形成。
元古宙见证了
三个超级大陆的兴衰，
最后一个被称为
Rodinia（罗迪尼亚超大陆）。
科学家认为它形成于 13亿到9亿年前。
罗迪尼亚 超大陆合并程度比较高，
是由当时几乎所有陆块合并而成。
罗迪尼亚超大陆的重建（ 750 Ma） ——by John Goodge
然而超级大陆不会永远存在。
罗迪尼亚在大约7.5亿年前开始分裂
——在寒武纪开始之前。
而它的解体可能与元古宙晚期
发生的其他事件有关。
自20世纪30年代以来，
科学家们一直在寻找证据，
证明在元古宙晚期，
赤道地区存在冰川很普遍。
通过观察晚元古宙的沉积物，
他们发现沙、泥、砾石和
大圆石总是混杂其中。
这些沉积物被称为冰碛岩，
正是冰川留下的残余物质。
在晚元古代的低纬度地区，
地质学家经常发现这些
冰碛岩夹在石灰岩床之间，
这一发现 连同古地磁数据和
其他线索，催生了“雪球地球假说”
(Snowball Earth hypothesis)。
根据这个观点，冰川曾经覆盖了
地球表面的全部或大部分，
从两极一直延伸到赤道。
而这种情况在元古宙晚期
可能发生过不止一次，
第一次始于大约7.16亿年前，
最后一次结束于6.35亿年前。
不论是超大陆的解体
还是雪球地球，
都可能与大不整合面的形成有关。
科学家们对此提出了
各种不同的观点！
by CNN Newsource
2
2018年，有科学家
发表的一项研究
提出了一个观点：
大不整合促成了
雪球地球的形成。
作者研究了北美的奥扎克高原，
那里有5亿年之久的
寒武纪砂岩，坐落在14亿年之久的
花岗岩之上。与大峡谷一样，
这里的大不整合十分常见。
奥扎克高原
为了确定这次大不整合的日期，
他们利用了锆石晶体中的
铀同位素和氦。
从这些晶体中，他们得出结论：
该地区在大约8.5亿至6.8亿年前
受到构造抬升和剥蚀。
这与罗迪尼亚超大陆的
分裂阶段是一致的。
在这种情况下，该研究的作者认为，
大规模的构造隆升可能是
超大陆破碎的副作用。
几公里长的岩石先被抬升，
之后由于被剥蚀从而变薄。
由于奥扎克山脉当时位于内陆，
科学家们怀疑在整个大陆
甚至全世界都爆发了大规模的侵蚀。
如果这真的是一种全球性的现象，
那么它可能就是造成
巨大不整合的原因，
使现今的岩石层在地质记录中
以残缺的形式出现。
除此之外，该研究还认为，
元古宙时期基岩的侵蚀通过
捕获地球和海洋中的大量碳，
对气候产生了影响。
雨水在风化过程中
经常从大气中吸收碳。
且由于雨水是弱酸性的，
它会溶解岩石并释放离子。
这些离子被冲进海洋，
在那里形成碳酸钙，
碳酸钙最终被掩埋，
并将碳困在岩石中。
由于碳是温室气体的重要组成部分，
因此，如果大气中没有大量的碳，
这可能会进一步促进
全球气温的降低。
随着世界变得越来越冷，
冰川扩散失去控制，
雪球地球来临！
按照这个研究结果来看，
罗迪尼亚超大陆的分裂促进了
大不整合面的形成，
并影响了气候，
为雪球地球的形成奠定了基础。
by SARAH SCHLICHTER
3
然而，并非所有人都同意这一观点。
另一项发表于2019年的研究
提出了反对意见：
雪球地球的冰川碾碎了地球表面，
造成了巨大的不整合。
当时的冰川在侵蚀掉
大量的外部大陆地壳后，
将其倾倒入海洋中。
而侵蚀物质的大量累积也会
增加 地壳被压入地幔的程度，
其中一些被循环成新的岩浆
并送回地表。
这种现象的证据再次来自
锆石晶体中的同位素。
但这次，是铪元素的同位素。
一些铪同位素更易在地幔表面形成，
而不是在地幔底层
——这种特征得以保留，
从而可以显示同位素的来源。
锆石可以被用于放射性年代测定，
而科学家们在锆石中发现了大量的铪。
通过研究这些锆石中
不同 铪同位素的比例和
锆石本身的年代测定，
研究人员认为，
地壳的侵蚀和循环可能
发生在“雪球地球”之后。
如果这是真的，那么侵蚀
——以及随之而来的地壳循环
——就不可能形成雪球地球。
相反，可能是冰川剥蚀了
超过10亿年的岩层，
造成了巨大的不整合。
不管怎样，这些侵蚀
导致的大量物质流失 对
地球上的生命很重要。
而复杂的生命在
埃迪卡拉纪时期确实多样化了。
于是，科学家们想知道
这是否与雪球地球和
大不整合有关。
一些研究人员认为，
当大量地壳被破坏时，
风化过程可能将大量 地质物质
从陆地搬运到海洋，
从根本上改变了海洋的化学成分。
因此，当时的海洋可能充满了
钙、钾、铁、磷和其他重要元素。
海洋为生命提供了
所需的化学物质，
给我们星球上的生命
带来革命性的变化。
有一种假说甚至认为，
这些新成分有助于促进生物矿化，
生物矿化是生物为其外壳和
骨骼制造矿物质的过程。
所以，当克拉伦斯·达顿第一次
在大峡谷看到大不整合时，
出现在他眼前的不仅仅是美景及
地层消失的奇怪现象。
而是一段漫长的，近十亿年的历史，
而正是这段地球的历史使我们
——人类的存在成为可能！
参考资料：
Cox et al, 2016. “Continental Flood Basalt Weathering as a Trigger For Neoproterozoic Snowball Earth.” Earth and Planetary Science Letters 446, 88-99.
Cuthill and Morris, 2014. “Fractal Branching Organizations of Ediacaran Rangeomorph Fronds Reveal a Lost Proterozoic Body Plan.” PNAS 111 (36) 13122-13126.
DeLucia et al, 2018. “Thermochronology Links Denudation of the Great Unconformity Surface to the Supercontinent Cycle and Snowball Earth.” Geology 46(2).
Harland, W. Brian. 2007. “Origins and Assessment of Snowball Earth Hypothesis.” Geological Magazine 144(4), pgs. 633-642.
Karlstrom et al, 2012. “Introduction to Grand Canyon Geology.” The Geological Society of America. Special Paper 489.
Karlstrom et al, 2018. “Cambrian Sauk Transgression in the Grand Canyon Region Redefined by Detrital Zircons.” Nature Geoscience 11, 438-443(2018).
United States Antarctic Program；维基百科；YouTube；Unslpash；CNN；百度百科等。
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