海底探索史話之海洋探索從源頭說起(下)

撰文/何其祥 許靖華

海底探索史話之海洋探索從源頭說起(下)

撰文/何其祥 許靖華

長期以來，人們簡單地認為現(xiàn)代大洋的鹽分來自陸地巖石的風化作用。按照這一模式，如果大洋的體積不再增加，大洋水的鹽度勢必隨著時間的推移而愈來愈高。

然而，大洋水體并非是鹽的簡單積聚場所。在水和某些鹽類向大氣圈蒸發(fā)的同時，某些鹽類也必然以礦物的形式從水體中析出，轉(zhuǎn)移到巖石圈中；或是被生物吸收，轉(zhuǎn)移出水圈?！?/p>

洋盆形成的歷史梗概只是海洋起源問題的一個方面。

在地質(zhì)歷史上，大洋與大陸出現(xiàn)過多次的分合。海底擴張、大陸漂移、板塊運動究竟始于何時，地學界迄今尚無共識。由于缺少未變質(zhì)的地質(zhì)記錄，對于7億年前海洋的演化，尚難勾畫出一個清晰的輪廓。現(xiàn)在掌握的沉積記錄表明，板塊運動至少在7億年前的元古代就已經(jīng)開始了。有人說也許還可以再有20多億年的壽命。

大約7億年前的元古代末期，地球上只有一個超級大洋和一個超級大陸。這個超級古陸也稱為羅迪尼亞大陸，是由以前分處各地的幾個大陸拼接而成的，泛非-貝加爾構(gòu)造線便是它們的一條構(gòu)造縫合線。距今 5.7億年的寒武紀，地球上出現(xiàn)了4個大洋和4個大陸。4個大洋分別是古海西寧海、古加里東海、古烏拉爾海和古特提斯海；4個大陸分別是北美洲、歐洲、亞洲和岡瓦納古陸。那個超級大洋還沒有消失，它可能就是太平洋的前身。

距今3.7億年左右的泥盆紀古歐洲與古北美洲板塊碰撞，合并成歐美大陸，古加里東海消亡，形成加里東山脈。距今3億年的晚石炭紀，歐美大陸沿海西寧構(gòu)造帶與岡瓦納古陸拼接，古海西寧海消亡。約在2.25億年前的二疊紀，亞洲沿烏拉爾構(gòu)造帶與歐洲大陸合并，重新組成歐亞大陸，古烏拉爾海消亡。古特提斯洋呈三角形楔入古陸之中，逐步演化成特提斯海。這時作為太平洋前身的超級大洋依然存在。

距今大約1.9億年的侏羅紀早期，沿著墨西哥灣到直布羅陀一線又發(fā)生張裂。承襲泛古洋的太平洋分出一支切入墨西哥灣，稱為太平洋海。它與由東向西延伸過來的特提斯海連在一起，把一個超級大陸一分為二，即北邊的勞亞古陸和南邊的岡瓦納古陸。這時，現(xiàn)代太平洋已正式形成，它的西北部洋殼的年齡為2億年，就是那個時代留下的歷史記錄。待到距今1.35～1.1億年間的早白堊世，南大西洋開始張裂，成為新生洋盆，接著，歐洲與北美洲分道揚鑣，岡瓦納古陸和勞亞古陸也開始破裂。在距今0.7億年的晚白堊世，大西洋、印度洋和南大洋相繼形成。

兩個古陸崩解后形成了歐亞大陸、北美大陸、南美大陸、非洲大陸、印度次大陸和南極洲－澳大利亞大陸。從距今0.65億年的古新世開始，格陵蘭與斯堪的納維亞分裂，挪威海與格陵蘭海形成，北冰洋與大西洋連通。距今0.53億年的始新世初，澳大利亞裂離南極洲，并開始向北漂移；距今 0.4億年的始新世晚期，印度與亞洲主體碰撞，特提斯海東段關(guān)閉；約0.18億年前的中新世期間，阿拉伯與亞洲主體碰撞，特提斯海西段部分關(guān)閉，遺留下西通大西洋的地中海；約0.035億年前的上新世時，北美與南美重新碰撞，巴拿馬地峽升起，切斷了大西洋與太平洋的直接通道，強烈地改變了大洋水的環(huán)流系統(tǒng)。我們在上面敘述了洋盆形成的歷史梗概。但是，這只是海洋起源問題的一個方面。而要真正弄清楚海洋起源，還不得不涉及海水的起源和變化。這又是一個充滿爭論的命題。

人類終于站到了自然史科學殿堂的門口，對海洋起源的認識有了一些眉目。

一般認為，在地球演化的早期，原始地球在繼續(xù)吸積、擴大的同時，氣體與固體粒子開始分離，形成了原始的大氣圈。原始大氣不斷地在向星際空間逸散，對于地球水圈的形成并無多大的貢獻。與此同時，來自地球內(nèi)部的揮發(fā)物質(zhì)，通過火山之類的地球排氣作用不斷地補充和替換著原始大氣，逐漸形成一個次生的大氣圈。

在起始階段，地球溫度比較高，這個次生大氣圈是還原性質(zhì)的。幾乎所有的揮發(fā)性氣體，都以氣體的形式保存在大氣之中。只有當?shù)乇頊囟戎饾u降低，到達沸點以下時，H2O冷凝為水，原始水圈或原始海洋才開始形成。從巖石中溶解出來的二氧化硅與某些陽離子反應(yīng)，形成了主要是由含鋁粘土礦物組成的沉淀物，這便是原始大洋最早的沉積物。地球內(nèi)部向外不斷排氣。大洋水隨著時間的推移而不斷積累增長。水量的增長早期較快，中期趨緩，晚期又增快。海納百川，地球上終于出現(xiàn)了漫無邊際的汪洋大海。資料表明，大部分海水是在地質(zhì)時期的后期形成的。

地球水圈形成后，從距今35億～20億年，也許延續(xù)到距今15億年，是酸性、缺氧的原始大洋水逐步向現(xiàn)代大洋水過渡的時期。當時大氣圈中的含氧量遠低于現(xiàn)在的水平，大洋水中的氧含量則更低，沉積巖的母巖也比后來的母巖更偏基性。礦物、巖石在缺氧的大氣中崩解，變?yōu)樗樾?，這些碎屑又在缺氧的海洋環(huán)境里堆積起來。

人們已經(jīng)在古老的沉積地層中發(fā)現(xiàn)了許多缺氧的證據(jù)。例如，我們在20億年以前的地層中，很少見到碳酸鹽巖，碳質(zhì)沉積物主要以石墨和油母巖的形式出現(xiàn)；在18億～20億年以前的沉積巖中，常見還原型礦物的碎屑，如黃鐵礦和瀝青鈾礦的碎屑。雖有磨圓等淺水搬運的特征，但是都沒有遭到氧化。還有一種巖石，是距今32億～20億年的古老地層中所特有的。那就是在世界許多地方都可以見到的條帶狀磁鐵石英巖。我國鞍山地區(qū)的富鐵礦就屬于此種類型，因此在中國也稱為鞍山式鐵礦。

早期大洋水的酸堿度pH值較現(xiàn)代海水低得多。它與偏基性火成巖之間的化學反應(yīng)不斷地改變著原始大洋的成分。早期大洋水中的負離子可能主要是碳酸根和碳酸氫根離子而不是氯離子。這時海洋中已有真核細胞的綠色植物出現(xiàn)，生物造氧能力大大增強，大量游離氧的生成不僅可以滿足海洋中各種氧化反應(yīng)的需要，且可向大氣圈逸散，逐步形成具有現(xiàn)代特點的大洋水和大氣圈，形成高度氧化的地面條件。

長期以來，人們簡單地認為現(xiàn)代大洋的鹽分來自陸地巖石的風化作用。按照這一模式，如果大洋的體積不再增加，大洋水的鹽度勢必隨著時間的推移而愈來愈高。然而，大洋水體并非是鹽的簡單積聚場所。在水和某些鹽類向大氣圈蒸發(fā)的同時，某些鹽類也必然以礦物的形式從水體中析出，轉(zhuǎn)移到巖石圈中；或是被生物吸收，轉(zhuǎn)移出水圈。所以現(xiàn)代大洋的化學成分在總體上維持著一種鹽類收支平衡的穩(wěn)定狀態(tài)，它不是鹽類的單純累積區(qū)，而是大陸（和很少部分的大氣）物質(zhì)向海底傳輸和部分再返大氣的中間站。大洋成為這樣一個穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，始于15億～20億年前，那時高級生命還沒有出現(xiàn)。

人類終于站到了自然史科學殿堂的門口，對海洋起源的認識有了一些眉目。但是，還有太多的問題有待解決，需要科學家更加努力地去求索。