马里兰州发现暴露在外的罕见地幔块

史密森尼国家自然历史博物馆的矿物学家George Guice研究了马里兰州巴尔的摩西部的岩石层，这些岩石层曾经位于地幔和地壳之间的边界。摄影：JOE BROWNING-HANSON

撰文：MAYA WEI-HAAS

站在马里兰州巴尔的摩市郊区的泥泞雪地中，我弯下腰去捡那个地幔块，它本应藏在我脚下几公里深处的地幔中。

寒冷的2月的一天，我和两位地质学家外出去看裸露在外的地幔。这层岩石通常位于地壳和地核之间，但有一段从马里兰州的灌木丛中探了出来，科学家因此有了近距离研究地球内部的难得机会。

更有趣的是，这块岩石的化学组成很不寻常，表明这块地幔，以及散落在巴尔的摩周围的大块下层地壳，来自一个已经消失的史前海洋的海底。

自其形成以来的大约4.9亿年里，这些地球内部的大块物质被移动的构造板块粉碎，被从裂缝中冲出的灼热流体炙烤，它们的成分和光泽也因此发生改变。地幔岩石通常包含闪闪发光的绿色橄榄石晶体，但我手里的这块岩石看上去却出奇地不起眼：斑驳的黄褐色石头点缀着几个黑色斑点。

史密森尼国家自然历史博物馆的矿物学家George Guice说：“这些岩石历尽了艰辛。”

由于这种地质冲击，一个多世纪以来，科学家们一直在努力确定这一系列岩石的确切来源。现在，Guice和同事们利用全新的视角和最先进的化学分析方法对巴尔的摩暴露的岩石进行了研究。他们的工作表明，这些看似平淡无奇的石头曾经潜伏在古代的巨神海（Iapetus Ocean）之下。

5亿多年前，这片海洋跨越4800至8000公里，穿过了如今的美国东海岸。现在阿巴拉契亚山脉所在的大部分土地都在海洋的一侧，而现代东海岸的部分地区则在另一侧。

这一发现已于近日发表于《地球圈》杂志，该研究主要作者Guice称:“它们之间是一片巨大的海洋，而我们在巴尔的摩也找到了这片海洋的一些痕迹。”

纵观地球历史，我们知道海洋其实是非永久性的，随着海床在俯冲带中回到地球深处，也就是一个构造板块俯冲到另一个板块之下，海洋会不断地开放和闭合。但偶尔也会有大块的海底岩石被抛到海面上，比如巴尔的摩的一系列岩石。这些岩石为了解古代海洋过程打开了一个罕见的窗口，可以帮助科学家更好地了解大西洋的未来。有一天，它可能也将关闭。

“大西洋也可能萎缩甚至消失，就像巨神海那样，”研究合著者、约翰·霍普金斯大学专门研究构造过程的地质学家说道。“这是残留在地球表面的大陆碎片的漫长活动。”

绿色闪光的诱惑

Guice一直在寻找闪闪发光的绿色岩石，地质学家称之为超镁铁质岩。这些富含镁的岩石构成了地球的地幔。但是，地幔碎片在地表很少见，超镁铁质岩可以以多种不同的方式形成，研究起来非常困难。

超镁铁质岩在地下深处高温高压下的环境中形成，所以其矿物在地球表面附近并不稳定。在这种表层环境中，由于经常暴露在冲刷裂缝的热流中，它们的矿物构成发生了改变，就像巴尔的摩周围的岩石所展现的那样。Guice称，通过这些变化了解岩石的历史，就像透过浓雾看东西。

“我被这些家伙搞得筋疲力尽，”他用略带沮丧的幽默语气说道。

Guice拿着一块地幔，指着一个微小的尖晶石黑色晶体--这是岩石中唯一一种基本完整地保存了数百万年的矿物。这些晶体的化学成分拥有关键的线索，指向岩石在古代海底的原始构造。摄影：MAYA WEI-HAAS, NATIONAL GEOGRAPHIC

当听说巴尔的摩稀奇的超镁铁质岩时，他立刻提起了兴趣。2019年8月，搬到华盛顿特区后不久，Guice就跳上火车，与Viete和其他约翰霍普金斯大学的研究人员会合。他们挤在一辆小巴上，前往一个名为士兵之乐（Soldiers Delight）的地点。

Guice带我去的就是这个地方。当我跟着他租来的银色越野车从巴尔的摩市中心驶向目的地时，我注意到景观发生了显著的变化。绿色植物从各种枝叶繁茂的树木和植物转为贫瘠的草场，边缘是矮小的橡树和松树。植被的差异反映了底层地质的变化，表明岩石中镁含量过高，而钙含量过低，这对大多数植物的生长是不利的。后来，我们的车开到了地幔上。

许多人曾提出，这些看似不起眼的石头来自于古老海洋的海底，但几代科学家一直未能找到令人信服的证据。被推到陆地上的海洋地壳和底层地幔的碎片被称为蛇绿岩（ophiolites）。它们在世界其他地方出现过，比如阿曼。

阿巴拉契亚山脉北部地区也发现了蛇绿岩，这条山脉穿越美国边境，一直延伸到加拿大，然后在爱尔兰、英国甚至挪威重新出现——同样的一片原始山脉，现在以不同的名字为人所知。所有这些与现在完全不同的地形都是在3亿到5亿年前堆积而成的，当时多个大陆碰撞在一起形成了盘古大陆。Viete说，今天，这些山地景观绵延近5000公里，但最初的山地带可能更长。

然而，与其他已知蛇绿岩不同的是，巴尔的摩的这一系列岩石已经解体并混杂在一起，一个庞大的大都市就在它们上面。“我们无法看到整个的岩套，只有一些小小的岩片，”Guice说。

五亿年的旅程

Guice和同事们第一次到士兵之乐（ Soldiers Delight）时，就开始在巴尔的摩收集岩石样本。他们计划与一个正在该地区巨大盆地上挖蓄水池的团队合作，后来他们发现这里的岩石曾位于地幔和地壳之间的边界。挖掘机将大块的灰色岩石从地下拉了出来，这大大降低了科学家们的工作难度。

“到处都是，一堆一堆的，”大约一年后，我们在停车场周围走动时，Viete指着那些石堆说道。

2019年11月，一个阳光明媚的下午，研究人员对森林公园高尔夫球场的岩石进行了采样，这里的岩石也曾属于地幔和地壳之间的边界。在第9洞绿地旁边的野草中，这些岩石巧妙地排列着。研究小组敲打了暴露的岩石，每当有高尔夫球手过来推杆时，出于礼貌，他们都会暂停。

研究小组总共从5个地点收集了19个超镁铁质岩样本，之后返回实验室仔细观察。Guice说，关键在于地幔的化学成分。上地幔经常是一点一点地融化，但不同的矿物会在不同的温度下融化。因此，当地幔部分融化时，一系列可预测的元素会流失，这就形成了一个特定的化学指纹。

Guice说：“以前在阿巴拉契亚山脉的这一部分没有发现过这种东西。”

梳理了上述线索并结合其他化学线索后，科学家们得出了该系统的形成过程。近5亿年前，由于劳伦古大陆（包含现代北美洲的核心）海岸边出现了一个新生的俯冲区，巨神海开始萎缩。这引发了大陆的堆积，使地表弯曲，巨大的阿巴拉契亚山脉隆起，据一些科学家估计，阿巴拉契亚山脉曾经可与喜马拉雅山脉媲美。

根据这项新研究，这种剧烈的变化也撕裂了一大块海底，使其解体的碎片散落到了现在的巴尔的摩--少数几个可以发现消失的海洋证据的地方。

我们身边的石头故事

虽然巴尔的摩岩石的起源故事一直备受质疑， 但新的研究提供了迄今为止最有说服力的证据。

“几十年来，我们一直在这些地方进行岩石学实地考察，”马里兰大学的地球化学家Richard Walker说道，他没有参加这个研究小组。“看到这样一篇论文，为我们一直以来的假设提供了地球化学证据，真的是太好了。”

这一地质拼图并不是每一块都能完美地拼在一起。但在类似巴尔的摩岩石所处的构造加热和挤压系统中，出现古怪的东西也不足为奇，马里兰大学地球化学家Val Finlayson说道，她没有参与这项研究。“更多时候，地球上的事物都要比我们想象的复杂得多。”她补充说，她对该团队从高度改变的岩石中提取的大量信息印象深刻。

对于Guice来说，这项工作是一个重要的试验场，可以识别出那些被推到陆地上的更古老的的海床块。他说，这样的岩套是板块构造的鉴定标志，通过识别更古老的蛇绿岩，我们可能会找到这一重要地质过程开始的线索。

Viete说，这项工作也适用于一个更大的有关俯冲作用的问题。俯冲带究竟如何形成一直是个谜。一种可能性是，许多这样的区域并没有一个精确地开始，而是从一个区域传播到另一个区域。这有点像撕破一块布。当面对的是一个整体时，很难撕裂，但在一边破开一个口，这块布就很容易撕开了。

此前，蛇绿岩的存在一直与处于萌芽状态的俯冲区联系在一起，因此Viete希望通过精确测定阿巴拉契亚山脉沿线的蛇绿岩的年代，了解地质裂缝的传播速度，它能将一个俯冲区变成数千英里的构造活动区域。这样的事件将点燃一连串的火山，类似于现代太平洋边缘的火山带。

除了这些科学追求之外，这个故事也提醒了我们现代社会的地质基础。岩石留下的遗产塑造了我们所知的巴尔的摩。19世纪早期，富含铬铁矿的海底矿石让Isaac Tyson, Jr.看到了商机。1845年，他开始购买满是黄褐色岩石的土地，建立了第一家铬厂，在当时的地图上，马里兰州成为了世界铬矿之都。虽然这一发现有利于经济发展，但它也产生了一种能够致癌的铬，该市至今仍在试图解决这一问题。

早在人类出现在地球上之前，构造活动就为现代工业和人类在世界各地的传播奠定了基础。虽然城市的建设已经覆盖了这些历史，但这些古老故事仍然刻在石头上，可能就隐藏在停车场和道路下面。

“它们就在大楼里，在你的脚下，”Viete说。“岩石无处不在。”

（译者：孙文静）返回搜狐，查看更多

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