牛津通识读本：地球 [9]
淤泥中的讯息
沉积岩芯承载着有关昔日气候的漫长而连续的记录。沉积物的类型可以揭示其周边陆地上曾经发生过什么——例如，有没有乘坐冰山漂流至此或是从沙漠乘风而来的物质。但钙质软泥中氧元素的稳定同位素的比率则保留了更加精确的记录。水分子中的氧以不同的稳定同位素的形式存在，主要是16O和18O。随着海水的蒸发，含有更轻的16O的分子蒸发得更容易一些，使得海水富含18O。除非有大量的水被锁在极地冰盖之中，否则富含18O的海水很快会被降雨与河流再度稀释。因此，与间冰期的情况相比，此时被浮游生物吸收并堆积在沉积物中的碳酸盐会含有更多的18O，沉积物中的氧同位素于是能够反映全球气候。通过将沉积物所记录的变化与2000多万年的时间相匹配，大洋钻探计划已经揭示出气候在这一时间尺度的波动，这似乎反映了米兰柯维奇循环，即地球轴线的游移不定，以及地球围绕太阳公转的偏心率。
1970年代，大洋钻探计划来到了地中海。那里的岩芯揭示的情况颇有轰动效应。有人向我展示了其中的一个，如今它保存在纽约哥伦比亚大学的拉蒙特—多尔蒂地质观测所。它由一层又一层的白色结晶物质组成，是一种盐类（氯化钠）和硬石膏（硫酸钙）的混合物。这些蒸发岩的岩层只可能是在地中海干涸的过程中形成的。甚至在如今，蒸发率仍然很高，以至于如果把直布罗陀海峡封堵起来，整个地中海海水会在大约1000年时间里蒸发殆尽。岩芯中数百米的蒸发岩意味着在500万-650万年前这段时间，这种情况一定发生过大约40次。钻探接近直布罗陀海峡时，科学家们遇到了一片卵石和碎片的杂乱混合物。这一定是大西洋突破直布罗陀海峡、重新灌满地中海时，世界上最大的瀑布形成的巨型瀑布潭。想象一下，当时海水轰鸣飞溅，该是怎样一番壮观景象。
在大洋钻探计划的近期航程中，天然气水合物覆层的钻探当属最有意思的项目之一。这是含有高浓缩甲烷冰的沉积物，是在深海洋底的低温高压条件下形成的固态形式。天然气水合物岩芯重回海洋表面则格外令人兴奋，因为它们很容易重新变回气体，有时还会引起爆炸。这种特性让研究变得有些困难，但据信它们的储量非常庞大，有可能在将来成为天然气来源，经济意义十分重大。有人认为，它们对过去突然发生的气候变化贡献不小。它们可能相当不稳定，一次地震便可将大量天然气水合物从洋底释放出来，升上水面，产生大量的气泡。海平面的突然下降也会让天然气水合物变得不稳定，导致强有力的温室气体甲烷的释放。5500万年前的那次全球气候突然变暖可能就是天然气水合物释放甲烷所导致的。有人甚至认为，近年来在子虚乌有的百慕大三角地区有船只失踪的报道即脱胎于大天然气泡打破水面的平静、弄翻船只或使船员窒息的描述。
大量有机物可以埋藏在海洋沉积物中，在合适的环境下，还能变成石油。这往往发生在正经历着地壳拉伸的浅海盆地。这一运动会把地壳拉薄，加深盆地，从而填补更多的沉积物。但与此同时，有机物被埋得更深，更接近地幔的内热，在这里被煮成了原油和天然气。随后，这些产物可以上升穿过渗透层，并聚集在不透水的黏土或盐层之下。岩盐特别容易移动，因为它的密度不太高，易于穿过大型穹地的地层。这些穹地常常会圈闭富油和天然气储备，墨西哥湾就是一例。
地下的生命
但是，海洋沉积物中的有机物并非都是无生命的。海底逾1000米以下的沉积物和上亿年历史的岩石中往往存活着大量有生命的细菌。它们似乎有可能在很久以前就被埋藏在海底的淤泥里，埋得越来越深，一直存活到现在。它们的生活算不上刺激，但也确实没死。据估计，它们可能每1000年才分裂一次，靠厌氧消化有机物而生存，并释放甲烷。某些细菌也能在或许高达100-150℃的高温下存活——这也是石油形成的温度范围，因而这些细菌可能在石油形成的过程中起到了重要的作用。所有的陆地细菌中可能有90%住在地下，它们共同组成了高达20%的地球总生物量。
地球上最长的山脉
如果从全世界的海洋中排干所有的水，让其下壮观的景色显露出来，你会看到那里最明显的特征并非比珠穆朗玛峰还高的巨大的洋岛山，也不是傲视美国大峡谷的宽广裂缝，而是一个长达7万公里的山脉：洋中脊系统。这些洋脊像网球上的接缝一样在地球上纵横。火山裂隙遍布整个山体。有时，这些裂缝在水下缓慢喷发，产生了枕状的黑色玄武岩熔岩凝块，像是挤出来的牙膏。这里是新生地带：随着海底的延展，新的洋壳在这里形成。
北大西洋洋中脊是19世纪中期被一艘船发现的，当时该船正在铺设第一条横跨大西洋的电缆。洋脊宽广，宽度在1000公里到4000公里之间，缓慢升向中央的一列山峰，这些山峰的高度大都在洋底2500米以上，但距离海面仍有2500米。洋脊被为数众多的转换断层所断错，这些断层均垂直于其纵长，将脊顶移位达数十公里。脊顶常常由复线山峰组成，其间有一条中央裂谷。20世纪上半叶，阿瑟·霍姆斯等大陆漂移理论的支持者认为，洋脊或许标记了地幔中的对流将新地壳送到地表的位置，然而地磁测量最终证实了地质学最重要的发现之一：海底扩张。
磁化条带
1950年代，美国海军需要洋底的详细地图来辅助潜水艇。于是，考察船开始往复航行，进行声呐测量。科学家们有机会进行其他实验，因而当时考察船拖着一台灵敏的磁力仪横越大洋，绘制了磁场的地图。该地图显示了一系列高低场强，像是分布在洋中脊两侧的平行条带。剑桥大学的弗雷德·瓦因和德拉蒙德·马修斯最终验证了实验结果。随着火山岩浆的喷发和冷却，它圈闭了与地球磁场对齐的磁性矿物颗粒。因此，航行经过全新世的海底玄武岩时，地球的磁场会增强些许。但是正如我们在上一章讨论的，地球的磁场有时会反转。在磁场反转期间喷发出来的火山岩会圈闭与当时磁场相反的磁性，轻微降低磁力仪的读数。如此一来，洋中脊两侧的磁条带逐渐增加，从中脊向两侧移动得越远，其下的海底就越古老。海底的确在不断扩张。
图9 洋中脊的全球体系以及将其切断的主要转换断裂带。图中用圆圈标记了夏威夷和冰岛等热点地区
新生的边界
总体而言，海底扩张的速度缓慢但从未停止，从太平洋的每年10厘米到大西洋的每年3-4厘米，大致相当于手指甲的生长速度。但岩浆喷发生成新地壳的速度并不稳定，这就是为什么部分洋脊在伸展的过程中会出现裂缝和凹陷，而其他洋脊却垒积成峰。在洋脊的中线之下，炙热的地幔物质以部分熔融的结晶岩粥样物质的形式隆起。炙热柔软的软流层沿着这条线上升，遇到了一层薄薄的洋壳，其间并无任何坚硬的地幔岩石圈。因为这种地幔物质十分炎热，密度就比较低，因而使得洋脊上升。大约有4%的地幔岩熔融形成了玄武岩浆，向上渗透穿过气孔和裂隙，进入洋脊之下一公里左右的岩浆房。地震剖面图显示，太平洋部分洋脊之下的岩浆房有数公里宽，但大西洋洋脊之下的岩浆房却窄得难以觉察。岩浆房里的物质在缓慢冷却，所以有些物质结晶析出并积聚在岩浆房的底部，形成了一层质地粗糙的岩石，称作辉长岩。其余的熔融物定期从洋脊上的裂隙喷发出去。这些喷发物的流动性很强，且不含太多的气体或蒸汽，因而喷发的过程相当温和。但岩浆被海水迅速猝熄，往往会形成一系列枕状结构。
图10 随着新的洋壳从洋脊向两侧延展，洋底火山岩的磁化平行条带的形成过程
黑水喷口
即使没有活跃的火山喷发，靠近洋脊的岩石依然异常炙热。海水灌进干燥玄武岩的裂缝和气孔，在那里被加热并溶解硫化物等矿物。随后，热水从裂口处升出，硫化物沉淀形成了高耸中空的火山管。能够忍耐热水的细菌将可溶性硫酸盐分解为硫化物，也参与了这一过程。随着硫化物从这种不断冷却的水溶液中析出，它们就形成了一种黑色颗粒的云，因而这些出口通常被称为黑水喷口。水可以从中高速喷涌而出，温度超过350℃，因而在深潜潜水器中观察这场景既危险又令人着迷。矿物质火山管以每天数厘米的速度加长，直至崩塌成一堆碎片。如此一来，储量可观、潜在价值不菲的硫化物矿物便可堆积起来。在更加酸性但温度略低的水域，溶解的硫化锌更多，从而产生了白水喷口。这种喷口加长的速度更慢，通常温度也更低一些，因而对于聚集在这种热液喷溢口周围的某些神奇的生命形式而言，这里是更佳的栖息之所。这里的生命完全依赖化学能而非阳光。原始细菌在炎热且往往是酸性的环境中活跃生长。盲虾、盲蟹和巨蚌以它们为食，而体内含有共生细菌的巨型管虫从水中过滤养分。有人认为，地球上的生命最初便起始于这种地方，因此研究人员对它们很感兴趣。
图11 洋中脊的主要成分
来自海洋的财富
1870年代，“挑战者”号航行的惊人发现之一，就是它带回的那些奇怪的黑色结核块，那是来自深海洋底的挖掘样本。这些团块含有极其丰富的锰、铁氧化物和氢氧化物，以及具有潜在价值的铜、镍和钴等金属。这些团块被称为锰结核，如今人们知道它遍布深海洋底的大片地区。它们具体的成因尚不清楚，但那似乎是个漫长的化学过程，金属来自海水，还可能来自海底的沉积物。这些结核块往往围绕着一个很小的固体核心（也许是个玄武岩的碎片）、一团黏土，或者一颗鲨鱼牙齿，长成洋葱样的多层同心圆。对其地质年代的估计认为，它们生长得非常缓慢，大概100万年才会