新研究加强了冰川与地球大不整合之间的联系

根据发表在《国家科学院院刊》上的一项研究，新的研究提供了进一步的证据，表明在地球的“雪球地球”时期，代表长达 10 亿年地质时间的岩石被古代冰川雕刻掉了。

该研究在一场关于导致地球“大不整合”的辩论中展示了最新发现——地质记录中的时间间隔与全球范围内高达 3 英里厚的岩石的侵蚀有关。

地球科学助理教授、该研究的高级研究员 C. Brenhin Keller 说：“这么多地方都缺少这段时期的沉积岩，这是岩石记录中最令人费解的特征之一。” “有了这些结果，这种模式开始变得更有意义了。”

大量失踪的岩石被称为“大不整合”，最早是在 1800 年代后期在大峡谷命名的。显着的地质特征在遥远时期的岩层夹在一起的地方是可见的，并且通常可以识别出有化石的岩石直接位于不含化石的岩石之上。

“这是地球历史上一个迷人的时期，”达特茅斯学院的博士后研究员、该论文的第一作者 Kalin McDannell 说。“大不整合为寒武纪生命大爆发奠定了基础，这一直令人费解，因为它在化石记录中是如此突然——地质和进化过程通常是渐进的。”

一个多世纪以来，研究人员一直试图解释失踪地质时间的原因。

在过去的五年里，两种相反的理论成为焦点：一种解释说，这块岩石是在大约 700 到 6.35 亿年前的雪球地球时期被古代冰川雕刻而成的。另一个侧重于在大约 10 亿至 5.5 亿年前超罗迪尼亚的组装和分裂期间的一系列板块构造事件。

凯勒在 2019 年领导的研究首次提出，低温纪冰川期冰盖的广泛侵蚀导致了岩石的流失。这是基于地球化学代理，表明大量的质量侵蚀与雪球地球时期相匹配。

“新研究验证并推进了早期研究中的发现，”凯勒说。“在这里，我们提供了在北美大片地区的低温时期岩石冷却和数英里挖掘的独立证据。”

该研究依赖于对热年代学的详细解释来进行评估。

热年代学允许研究人员估计矿物晶体随着时间的推移所经历的温度，以及它们在地壳中的位置(给定特定的热结构)。这些历史可以提供证据，证明丢失的岩石何时被移走，以及目前暴露在地表的岩石何时可能被挖掘出来。

在科罗拉多州的梯形峡谷中，年龄相差约 10 亿年的岩石一起横跨大不整合面。图片来源：C. Brenhin Keller

研究人员使用了先前发布的北美四个地点的热计时数据中的多项测量值。这些地区被称为克拉通，是的一部分，化学和物理稳定，在此期间板块构造活动并不常见。

通过运行模拟来寻找岩石经历的时间-温度路径，该研究记录了一个广泛的快速、高幅度冷却信号，这与北美内部的雪球地球冰川期间约 2-3 英里的侵蚀一致。

“虽然其他研究使用热年代学来质疑冰川起源，但像大不整合这样的全球现象需要进行全球评估，”麦克丹内尔说。“冰川作用是对雪球地球时期大面积侵蚀的最简单解释，因为当时人们认为冰盖覆盖了北美大部分地区，并且可以有效地挖掘岩石。”

根据研究小组的说法，2020 年，当一个独立的研究小组质疑古代冰川的侵蚀性是否足以导致大量岩石流失时，提出了构造活动雕刻出丢失岩石的相互竞争的理论。虽然该研究也使用了热年代学，但它仅在单个构造活动位置应用了另一种技术，并表明侵蚀发生在雪球地球之前。

“基本概念非常简单：某些东西移除了很多岩石，导致大量时间丢失，”凯勒说。“我们的研究表明，只有冰川侵蚀才能造成这种规模。”

据研究人员称，新发现还有助于解释大约 5.3 亿年前寒武纪大爆发期间岩石侵蚀与复杂生物出现之间的联系。人们认为，雪球地球时期的侵蚀在海洋中沉积了富含营养的沉积物，这可能为复杂生命的组成部分提供了肥沃的环境。

该研究指出，关于岩石如何被侵蚀的两个假设并不相互排斥——在大不整合面的形成过程中，构造和冰川作用可能都导致了全球地球系统的破坏。然而，似乎只有冰川作用可以解释远离构造边缘的中心的侵蚀。

“最终就大不整合面而言，可能是普遍接受的对罗迪尼亚更集中的赤道堆积以及新元古代独特的环境条件的重建，被证明是一个地质意外的时期，与大多数时期不同。地球历史上的其他人，”研究论文说。

据该团队称，这是第一项使用他们的热年代学建模方法来研究一个远远超过十亿年的时期的研究。未来，该团队将在其他重复他们的工作，他们希望在那里进一步检验这些关于大不整合是如何产生和保存的假设。

据该团队称，解决研究中的差异对于了解早期地球历史以及气候、构造和生物地球化学过程的相互联系至关重要。

“克拉通边缘可能存在构造侵蚀的事实并不排除冰川作用，”麦克丹内尔说。“不整合是复合特征，我们的工作表明低温侵蚀是一个关键因素，但早期和后期的侵蚀可能都参与了不同地方的不整合表面的形成。全球检查会告诉我们更多信息。”

William Guenthner，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校;利哈伊大学的 Peter Zeitler;加州大学伯克利分校和伯克利地质年代学中心的大卫·舒斯特 (David Shuster) 是该论文的合著者。

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