走进深海洞穴

时间:2022-05-11 10:08:26

走进深海洞穴

一位爱好潜水的意大利地质学家无意中有了一个惊人的发现:漫长的地球气候变迁史,原来都携刻在深水下的不洞穴中,说不定未来气候的演变规律也蕴藏其中哩。

海中奇石

这是一块在深海下生长了20万年的岩石。在漫长的成岩过程中,它不仅经历了温度的高低变动、海面的升降变化,还目睹了旧石器时代尼安德特人的出现与消失,以及人类文明的进步和衰落。两次冰河期过去了,这块笋状岩石自始至终呆在洞里,默默地注视着世间的沧桑巨变。

在罗马的实验室里,安托尼奥里和他的合作者法国人巴德把石笋一劈两半,想看个究竟。出乎意料的是,岩石横断面上竟“烙”下了20万年来因海面升升落落而形成的完整无缺的岩层纹理变化!

距今200万年前,地球开始进入大冰川期,这就是第四纪冰川活动期。因为气候冷暖、干湿交替出现,这次大冰川期又由交替出现的亚冰期和亚间冰期组成。亚冰期通常可分为5次,最近的两次亚冰期距今约20―30万年前。随着冰期和间冰期的出现,海面有相应的降和升。科学家预言,从现在开始的几百年间,海面将上升2米或更多,这会造成沿海陆地被淹,人们固此流离失所。因此通过研究过去的气候变化来预测将来可能面临的危机,十分必要,而石笋恰恰能为这方面的研究提供帮助。

安托尼奥里的发现纯属偶然。他在从事地球气候变迁研究工作之外,还热衰于潜水运动。1991年,他在位于意大利西海岸距罗马北部100公里外的小岛附近30米深的海面下,意外地找到了一系列迷宫般的洞穴,这些水下洞穴此前从未在地图上标注过。

他潜入洞中,看到洞底生长着大群的灰色石笋,马上意识到这里肯定曾经暴露于海平面以上。洞底的石笋是碳酸盐类岩石受水溶蚀以后滴在地面,经长年累月沉淀,堆积而成。安托尼奥里虽然想到了石笋中可能有一些关于过去海面变动的线索,却无法寻找到它们。8年后,他把发现水下洞穴的事告诉了巴德――一位研究岩石年龄的专家。巴德自信能解读岩石的秘密,于是他们计划再采些石笋样本回来。

把深海下的岩石搬上地面并非易事。安托尼奥里的工具是一把钢锯。他面临的最大问题,是洞壁上覆盖着一层厚厚的淤泥。他开始锯石笋的根基,一分钟后,弥漫的泥浆就把他包围,甚至伸手不见五指,但他没有放弃努力。终于,一块30厘米长的石笋跟洞底分开……

解读石笋

石笋内部,黄褐色岩层与白色沉积层相间分布,非常醒目,这显然是海平面升降留下的“烙印”。在遥远的过去,海平面很可能不只一次地大幅度下降过,石笋因此几番暴露在空气中,随着富含碳酸盐的水从洞顶滴下,石笋就获得了黄色层。而当海平面回升时,石笋又浸没于水中,海洋微生物聚集在石笋表面,最终留下白色的沉积层。

如果能确定石笋的白色沉积层与黄色岩层之间的时差,就可以知道海平面升降的具体时间。这远比那种用古生物化石如珊瑚、孔虫等来推算海平面升降时间的办法准确得多,因为海底会随着其所在地质板块的运动而升降。

巴德利用岩石中所含放射性同位素的数量,来推断黄色岩层的年龄。水中有微量的可溶性元素铀,当从水中沉淀出黄色岩层时,这种放射性同位素全随时间推移而衰减,先是铀238衰变为铀234,而后变为钍230。钍230不溶于水,因此保留在岩层中。随着时间推移,岩层中的钍230越积越多。所以,岩层越古老,其中钍230与铀238的比值就越大。再根据每种同位素的半衰期,就能精确测定岩层的年龄。

检测结果显示,这决深海石笋已经生长了20.6万年。通过对黄色岩层与白色沉积层之间界限的时间测定,研究人员分辨出了海平面达到最高峰的两次时间,以及降至最低点的一次时间。位于最底层的白色沉积层在20.2万年前开始生成,经过1.2万年后停止生长,这就意味着那段时间,海平面高得足以浸没石笋。在这之后,冰期开始,海平面下降,岩石露出水面,这期间的黄色岩层是由洞顶含碳酸盐的滴水沉淀出来的。距今1.45万年前,冰盖消融,海平面回升,石笋又一次隐没于深海,直到这次被安托尼奥里带离水面。

安托尼奥里和巴德确信,推断结果仅有不到前后2000年的误差。而以前用海洋生物化石珊瑚和孔虫测算的结果,误差高达4000年左右。

海天之间

在明白岩石精确地记录着海平面升降时间后,两位科学家又开始琢磨岩石是否也能告诉我们导致海平面升降的冰河期为何来了又去。冰河期来去的根本原因,被认为是地球围绕太阳运行的轨道的形状和倾斜度的变化所导致的。在数万年至数十万年时间里,轨道的形状从几乎是正圆形变成椭圆形,然后又变回来。地球自转轴的倾斜度也在发生着变化。这两种因素造成地球接收的太阳热量在地球表面的分布也发生周期性变化。20世纪20年代,塞尔维亚地质物理学家米兰柯堆奇提出一种观点,认为地球何时处于冰河期或不处于冰河期,是由地球处于轨道周期中的哪一时期所决定的。

此后,天文学家十分精确地算出了地球轨道在过去数百万年间的变化情况,从而为确定地球处于冰河期和间冰河期的具体时段提供了依据。为了纪念米兰柯维奇,这种周期性变化被命名为“米兰柯维奇周期”。

重归大洋

当巴德和安托尼奥里把他们用石笋确定的海平面升降时间与“米兰柯维奇周期”确定的时间作对比时,发现二者比较吻合。不过,这并不是说石笋或“米兰柯维奇周期”就能回答有关气候变化的一切问题。事实上,气候变化与“米兰柯维奇周期”之间的关系并非如此简单,固为实际上存在三个相互重叠的“亚周期”或“小周期”,它们的作用又因地球自身的反馈机制而变得更加复杂。这些周期会引发一系列事件,其中大多数与地球大气中的二氧化碳以及冰面的反射能力有关,三个周期与气候之间的关联因此也就变得不那么简单了。

来自石笋的海平面升降时间与用其他方法推算的时间存在差别,恰好证实了这种复杂性。石笋显示,倒数第二个冰期之后的海平面上升是在14万年前,比“米兰柯维奇周期”确定的时间早了数千年。为查明原因,安托尼奥里和巴德又将石笋显示的海平面升降变化同大气中二氧化碳含量的历史记录作比较(这一记录完好地保存在取自南极沃斯托克湖中的冰芯中)。结果表明,14万年前,海平面的上升同当时大气中二氧化碳含量的剧增有关。不过,20.2万年前海平面的上升却与大气中二氧化碳含量的增加关系不大,这可能是由于20.2万年前大气中二氧化碳的含量增加得很少的缘故。专家们推测,20,2万年前海平面的上升主要受到了“米兰柯维奇周期”的影响,而14万年前的海平面上升则还受到了大气中二氧化碳反馈热量的明显影响。

不过,现在还不能断定二氧化碳或冰面是否是导致冰期来去的重要因素。安托尼奥里所找到的石笋还不能确切回答这个问题,因为它所记录的历史不足以涵盖整个“米兰柯维奇周期”所包含的时段――44万年,这一时段是石笋所记录的历史的两倍多。

于是,安托尼奥里打算重返大海,潜回自己所发现的海底迷宫,寻找更加古老的岩石。有谁会想到,仅仅是一些简单的潜水设备和一把毫不起眼的钢锯,也能完成人造卫星和极地探险才能完成的事呢?

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