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锁住时间的岩层

在美国亚利桑那州那个“彩绘沙漠”中,古生物学家保罗·奥尔森钻取的岩石层有超过2两亿多年的历史,或许可以回答关于恐龙进化中一直存在的疑问,甚至还能预测我们太阳系未来的可能命运.

许天源

沙漠下面的地质时间线

在美国亚利桑那沙漠里,隆隆声漫天回响在空旷无人且布满岩石褶皱的荒地里,钻井机器上的金属轴就像一根刺一样,从山面向下延伸刺穿地球,钻机的金属轴每秒旋转20次,通过一层又一层的沉积岩层,到达地下几百米的地壳.

这台钻机的工作人员经常钻取黄金或者其他贵重金属,但今天正在钻探的东西却完全不同,他们正在帮助古生物学家探索三叠纪的地质时间线.

当轰鸣声消退时,工作人员从洞里吊起一根圆柱体塑料筒,像一个人的胳膊那么长.而这个泥质塑料筒内藏着土柱子,就是一段被掩埋的未知世界.土柱子就是地层剖面,是地层的“芯片”,是科学家分析地下岩石层的基础.

在未来的几年内,古生物学家保罗·奥尔森和他的同事将重点研究这些地层芯片.比如,土柱子剖面显示出不同的颜色,包括蓝色、灰色或带点红色.红层意味着地表氧气渗入土壤,导致铁矿物生锈,从而形成的干燥的红色斑点；蓝灰层则暗示着之前可能存在一个古老的湖床或河床,水下的低氧气含量防止了铁矿物的生锈,土层显示蓝灰色.一些地层芯片甚至可以出现有古植物的根或古动物的洞穴.

在土柱子内,奥尔森甚至发现了鸡蛋一样大小的鹅卵石,这意味着当时这个地区不仅有河流,而且水流还很大,可以移动大块的岩石,使岩石磨损成圆滑的鹅卵石.

泥水和碎石的混合,沉积了将近2亿多年,形成了这里的地层.长期以来的研究表明,古时候的亚利桑那沙漠地区,很可能由一片热带森林、平原、湖泊和蜿蜒的河流组成的.

神秘的三叠纪

亚利桑那州沙漠的地层岩石,是世界上最神秘的三叠纪沉积岩之一.三叠纪囊括了从2.5亿年前到2亿年前的时间区段,其中就包括了早期恐龙的出现时间.现在古生物学家奥尔森的目标是重组岩石层的历史和时间线,并使我们了解恐龙如何一步一步主宰地球.

古生物学家一般是通过探究远古海床来构建地质年代表的.远古海床由1亿年以来的沉积物不断堆积形成,可以代表着一个连续的年代序列.但是由于三叠纪太古老了,三叠纪时期的大洋地壳早已从大陆边缘滑到地幔岩浆中,消失得无影无踪.这就意味着科学家无法建立三叠纪时期的地质时间线了,也就无法衡量那一时期的古生物化石的年龄,从而无法推断各类物种出现、消失的时间以及顺序.

因此,古生物学家们就必须寻找另外的方法来构建三叠纪年代表,奥尔森就是通过地壳碎片来重组地质的年代,比如研究短暂存在于陆地内湖中的沉积层.奥尔森认为,对不同地层的研究,可以填补三叠纪时期的时间空白,例如对美国新泽西州纽瓦克盆地的研究,这个下沉的盆地存留有跨越了3200万年的8千米深的三叠纪晚期的沉积层.

轨道周期驱动气候变化

在纽瓦克盆地,奥尔森使用那些重复的红色、黑色、灰色地层作为时间的标记,红色层是干燥气候的时间标记,黑色层和灰色层则是潮湿气候的时间标记,这种干燥与潮湿的循环往复,是著名的米兰科维奇循环的重要证据.

米兰科维奇循环讲的是地球气候大周期的变化,以10.9万年为主要周期,伴随着4.05万年以及2.6万年左右的周期.这三个周期与三种地球绕日运行轨道的变化有关.每10.9万年为一个周期,地球的轨道在圆形与椭圆形之间发生一次来回变化,这是地球公转轨道离心率的变化；每4.05万年为一个周期,地球自转轴的在21.5度到24.5度之间发生一次来回变化,这是地球自转轴倾斜角度的变化；此外,在重力作用下,地球自转轴在空间并不总是保持在同一方向上,而是不断发生变化.其长期变化使地球自转轴饶着地球公转轨道面（即黄道面）的垂直轴（黄轴）旋转,以大约2.57万年的周期在空间描绘出一个圆锥面,这种天文现象就叫岁差.

上述三种因素会综合影响地球的气候变化,例如：当地球在远日点且公转轨道离心率趋近于1（接近圆形）,地球自转轴倾斜角度为最大的24.5度,且南半球倾向太阳,则北半球将可能发生极寒天气.

这种长周期的气候变化会在地质层中留下烙印.奥尔森的研究团队从纽瓦克地层中提取八个地层剖面的芯片.在所有芯片中,奥尔森都看到重复的红色层、黑色层和灰色层.奥尔森不断地观察了那些干、湿交换的地下岩石层,然后将这些重复的气候带与地球轨道周期进行匹配.

果然,它们完美地匹配上了,奥尔森惊讶地发现,10.9万年、4.05万年和2.57万年三种周期叠加,能在纽瓦克地层的间距和相对厚度上清晰地反映出来,这表明古气候的波动过程真的能被地层记录下来,而且地球轨道周期会影响气候的想法被证实了.

晚三叠纪,不是恐龙的世界

1995年,奥尔森和地质学家丹尼斯·肯特公布了新的地质年代表,称为纽瓦克天文年代地层表.但这个新的年代地层表却无意中推翻了目前科学家对三叠纪晚期恐龙的研究成果.

目前被普遍认可的研究成果是：三叠纪时期（距今2. 5 亿年至2.03亿年）的世界,跟现在我们所了解的世界地图有很大不同.那时地球的各大洲是连在一起的,显示为一个单一的超级大陆——称为泛古陆.这样就有一个很大的好处,即大部分动物可以不受广阔水域的隔阂,能够在同一块大陆自由交流与活动.因此,任何在晚三叠纪活着的恐龙,应该会同时生活在泛古陆所包含的任意区域.

而纽瓦克天文年代地层表却显示了不一样的信息.例如在欧洲、印度、非洲南部和美国南部,就很少有三叠纪晚期恐龙化石的沉积,更不用说按年代、有规则排序的恐龙化石.这就是说,那个时期的恐龙在泛古陆的一些地区相当繁盛,在另一些地区却并没有什么立足之地.

纽瓦克天文年代地层表展现了晚三叠纪的另一幅生物图景：两栖动物和鳄鱼等爬行动物主宰着温暖的赤道地区,也就是北美在泛古陆时期的地理位置；而恐龙和哺乳动物的祖先则生活在清凉多雨的泛古陆南边和北边.骨骼解剖和生长速率的研究表明,恐龙可能是恒温动物,这样的自然特性能使它们快速生长.之后,由火山爆发造成的物种灭绝,摧毁了许多冷血爬行动物和两栖动物等恐龙的竞争对手,这是地球有史以来最严重的一次灭绝事件.估计地球上有96%的物种灭绝,其中90%的海洋生物和70%的陆地脊椎动物灭绝了.占领了地球近3亿年的主要生物——两栖动物和爬行动物从此衰败,生态系统获得一次最彻底的更新,为恐龙类动物的进化铺平道路.直到三叠纪结束后,恐龙才终于开始统治和主宰地球.

不同的声音

当然,也不是所有学者都赞同纽瓦克天文年代地层表,著名的三叠纪权威学者斯宾塞·卢卡斯就发表了不同意见,他花了30年时间利用生物地层学重组三叠纪的年代表,通过确定特定类型的化石,来确定包含化石的地层年龄,也就是以生物进化本身为岩石中地质时间的标记.他以化石为基础的年代表显示了,在晚三叠纪时期只有一系列小规模的物种灭绝.

卢卡斯还指出在纽瓦克天文年代学的许多弱点.比如,地层芯片充斥着微小的缝隙,地层沉积物会被定期侵蚀,如果仅仅研究不同颜色地层的重复,可能会漏掉数百万年的历史时间.

另外,我们需要注意的是,地层芯片隐含的年代也可能受地壳运动等因素干扰,导致旧地层出现在新地层之上.

尽管有反对的声音,奥尔森的纽瓦克天文年代地层表还是得到了不少同行的支持,他对这个地层表的应用价值也充满信心.他还相信,如果从亚利桑那沙漠地层中抽取的“芯片”展现出与纽瓦克天文年代地层表一致的年代序列,那么,天文学家就可以利用年代表,来解释过去或者未来太阳系中行星的运动.

火星撞地球？可能成真

上世纪90年代中期,奥尔森研究纽瓦克地层芯片时发现,芯片中记录的远古时期米兰科维奇循环周期与现在是一致的,但也有例外.火星与地球是相邻的行星,它们之间存在着一个微妙的引力拔河周期,这个周期在地层芯片中显示只有175万年,而不是如今的240万年.这暗示在我们的太阳系中,行星运动轨道并不是一成不变的.如果奥尔森的猜测是正确的,那么一些难以言表的危险因素可能就潜伏在我们未来的太阳系中,甚至可能过早结束地球的生命.

无独有偶,早前,法国天体力学研究所的天文学家贾可·拉斯卡尔也在做类似的事情,他花了10年研究一个问题：即地球的轨道是稳定的,还是会随着时间而不可预知地漂移？他经过对水星、金星、火星和地球之间引力的理论计算,结果表明,这些邻近行星之间的引力拔河,会导致地球未来200年内的轨道偏差将有15米,并会在1亿多年后扩大到惊人的3.8×108千米.现在,奥尔森提供了证据,说明这些假设可能是真的.

另外,拉斯卡尔的分析还表明,从现在到10亿至30亿年这段时间内,水星可能逐渐从它的轨道脱离,它可能会撞到太阳,或者反过来狠狠地撞上金星,甚至可能会碰到火星,相互碰撞后会导致火星撞上地球,到那个时候,我们的地球就将变成一团熔化的岩石.但是这种情况的可能性微乎其微,因为拉斯卡尔的仿真结果显示,水星在几十亿年的时间里,只有1%的时间能够脱离轨道.

但是我们不难想象,任何行星的轨道一旦发生偏离,引发的后果都是灾难性的,比如金星运行轨道可能出错,然后撞击到水星,释放出数以百万计的大碎片,而其中一些很可能与地球相撞；再比如地球与火星很相近地擦身错过时,可能会导致大部分的火星地壳被地球引力所撕裂,结果就是,在我们的地球上产生了数千颗流星……这可怕的想象只是个推测,但产生的最终后果却不可估量.

如果亚利桑那沙漠地层的结果与纽瓦克地层的结果相匹配,那么这些地层所反映的行星轨道变化数据,就可以帮助天文学家拉斯卡尔更好地量化行星运动所产生的风险.

目前,所有这些仍然是一个进展中的工作.如今,亚利桑那沙漠地层芯片已经接受了电脑扫描,不久之后,科学家们将获知地层内部的结构.

无论如何,有一件事非常难明确的：找到一种方法来测量更详细的地层时间,将会揭示进化生物学、古气候学、天文学等学科之间各种各样的问题与联系.

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