鯊魚牙齒需要多久才能形成海底的結核?答案是七千萬年

鯊魚牙齒需要多久才能形成海底的結核?答案是七千萬年
Photo Credit: Roxanne Ready@Flickr CC BY-SA 2.0

我們想讓你知道的是

瑞秋・卡森說:「海底沉積物是地球的史詩,如果人類夠聰明,或許就能從這些物質之中了解歷史。」

文:Rachel L. Carson(瑞秋・卡森)

無盡的雪季

「星球的詩篇在海底深處飄落。」——哲學詩人鮑伊(Llewelyn Powys)

地表、大氣和海洋都有自己的特點,也就是不同於其他地方的特性或特徵。當我想到深海底時,腦中唯一浮現的景象,就是沉積物緩緩累積的畫面。在我的想像中,一定會有從上層海域連續不斷漂降的物質,一片片、一層層地累積,持續數億年之久,只要海洋和大陸仍存在,這場雪就永不停息。

這些沉積物形成地球史上最驚人的「雪季」,從第一場雨落在荒蕪的岩石地表,開始施展侵蝕力量後,這場雪季就此展開。海面上出現的生物,更加速深海飄雪的速度,這些生物一生都包覆著石灰質或矽質的外殼,而牠們脫除的小外殼便沉降至海底。

地球自生成之後,便展開許多作用,由於時間充裕,因此這些作用都能夠從容完成,而其中一種就是海底沉積物不斷靜靜累積的作用。所以,在一年或是人類的一生中,沉積物的累積量雖然很少,但是在地球和海洋的漫長歷史中,累積量卻是十分驚人。降雨、地表侵蝕、以及濤濤大水沖刷夾帶沉積物等作用,都在各個地質年代以不同的節奏和速度持續進行。

海底沉積物的成份除了隨河水流入海中的泥沙之外,還包含了像是火山塵等其他物質,這些微塵散佈在大氣平流層中,可能隨著風越過半個地球,最後飄降到海中,隨波逐流,吸飽了海水之後就開始下沉。沿岸沙漠的沙土被陸風捲起後,最後也會落於海中,向下沉降。

冰山和浮冰夾帶著砂礫、碎石、大圓石和貝殼,而在冰融化之後,這些物質就沉入海中。鐵屑、鎳以及其他進入海洋上空大氣層的隕石碎屑,也都成為海底紛飛大雪的雪花。但是,在所有的沉積物中,最常見的還是難以計數的微小甲殼與骨骸,這些都是生活在表海的微小生物所遺留的石灰質或矽質殘骸。

人類所採到的岩心樣本中,包含了數百萬年的地質史

海底沉積物是地球的史詩,如果人類夠聰明,或許就能從這些物質之中了解歷史:一切的過去都已經寫明在其中——各種沉積物成份的性質,以及層層相疊的沉積層排列順序,都顯示出上層水域以及四周陸地所發生的一切事情。地球史上所發生過的種種劇烈激變,如火山爆發、冰河前進或後退、荒漠酷熱灼燒、洪水肆虐破壞,都在沉積物中留下痕跡。

自一九四五年後,科學家在樣本的採集與解讀上有了長足的進步,而一直隱藏在深海中的海底沉積物的秘密,也直到當時才由當代科學家所揭露。早期的海洋學家已經能利用採泥器刮取海底沉積物的表層,但其實研究人員真正需要的,是一種根據蘋果去核器原理運作的工具,可以垂直探入海床,取得長筒狀樣本或「岩心」,並完整保留各沉積層分佈的樣貌。這種岩心採樣器是在一九三五年由皮戈特博士(C. S. Piggot)所發明,他在這把「槍」的輔助下,從大西洋紐芬蘭至愛爾蘭這片區域的海底,採得許多岩心樣本,樣本的平均長度都在三公尺左右。

大約十年之後,瑞典籍海洋學家屈倫貝格(Kullenberg)又研發出活塞式岩心取樣器,如今人類可以利用這種工具,採集長達二十一公尺的完整岩心。目前我們仍然無法確知海洋各區域的沉積速率,不過可以確定的是,各地的沉積速率都很緩慢,可想而知,人類所採到的岩心樣本中,包含了數百萬年的地質歷史。

另一個研究沉積物的妙法,就是哥倫比亞大學與伍茲霍爾海洋研究所的尤恩教授(W. Maurice Ewing)所採用的探測方法。尤恩教授發現,可以藉由引爆深水炸彈,記錄爆炸回聲,以測量海底岩石上所覆蓋的沉積層厚度。傳回的音波可以分成兩種,一是由頂層沉積層所彈回(也就是表面上的海床),另一種則是由「底部的底部」,也就是真正的岩石海床所彈回。當然,在海上運載或引爆炸藥都十分危險,也不是所有的船隻都有這種能力,不過瑞典的「信天翁號」以及「亞特蘭提斯號」在探索大西洋中脊時,都烈激變,如火山爆發、冰河前進或後退、荒漠酷熱灼燒、洪水肆虐破壞,都在沉積物中留下痕跡。

在這些技術問世之前,海床上方沉積層的厚度完全只能靠人類臆度。如果考量到海底長久以來緩慢無盡的沉積作用,是從一粒粒細沙、一片片微小甲殼開始堆積,中間可能偶爾參雜了鯊魚牙齒或隕石碎片,而且整個沉積作用確實一直持續至今,從無間斷,因此我們可以猜想海床沉積層必定十分深厚。

過去海洋經常不時進犯大陸,導致淺海地區的海底開始有鬆軟的沉積層形成,這就是現今陸地岩層的前身。因此我們可以說,形成陸地山脈的岩層,也是由類似的沉積作用堆積而成。這些沉積層後來慢慢變得結實堅硬,在海水消退之後,就成為大陸上方所覆蓋的厚實沉積岩層。

這些岩層或隆起、或傾斜、或凹陷,有的甚至因地表劇烈變動而破裂,而我們也知道,有些地方的沉積岩層可能厚達數百甚至上千公尺。根據瑞典深海考察隊隊長彼得森(Hans Pettersson)表示,「信天翁號」在大西洋海盆所測得的沉積層厚度達三千六百公尺;儘管人類已經知道單是陸上沉積層的厚度便可能達到千百公尺,但是在彼得森公佈這項數據時,仍有許多人大感驚異和不解。

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Photo Credit: Rich Carey / Shutterstock / 達志影像

七千萬年的牙齒經沉積物不斷包裹,形成海底的結核

如果大西洋海床上的沉積層厚度超過三公里,那麼有個問題便值得人類深思:在這些沉積物驚人重量的壓迫之下,海底岩床是否會因此下陷相當深度? 對於這個問題,地質學家各持己見,莫衷一是,不過近來人類發現,太平洋海底山岳或許能證明事實正如我們所料。如果這些山岳確實如發現者所言,是「沉沒的古代島嶼」,那麼這些島嶼可能是由於海床下陷,才沒入海中,到達海平面以下約一千六百公尺深的地方,也就是現在的所在位置。

海斯認為,這些島嶼應該是在遠古時代、珊瑚動物尚未演化生成時便已形成,否則在海底山脈的平坦處,一定會有許多珊瑚繁殖生長,那麼在山脈地基下沉的同時,這些珊瑚也會以同樣的速率堆高山脈。總之,如果不以沉積物壓陷地殼的說法來解釋,似乎很難說得通這些島嶼怎麼會被侵蝕到「浪基面」以下。

海底的沉積物可能分佈得並不均勻,在不同時間裡的沉積量也可能有多有少,這些情形似乎都極可能發生。因為相較於大西洋某些地方厚達三千六百公尺的沉積層,瑞典海洋學家在太平洋或印度洋所測得的沉積層厚度,卻從未超過三百公尺。或許這些地方在遠古時代,曾有大規模的海底火山爆發,溢流出的大量岩漿,在上層沉積層底部形成熔岩層,因此阻斷了聲波傳遞。

從尤恩的報告中,我們瞭解了大西洋中脊沉積層的奇特厚度變化,以及洋脊靠近美國的那一面。隨著海底地形愈來愈崎嶇,愈接近大西洋中脊的地方,地勢愈高,沉積層也愈厚,彷彿是有意堆積成厚達三百至六百公尺的驚人沉積層,以和丘陵山坡較勁。而更往洋脊高山上去,會看到許多臺地,寬度由幾公里至三十公里不等,這些地方的沉積層更為深厚,大約是九百公尺左右。不過在洋脊主脈的陡峭山壁和山頂尖峰上,卻只見岩石裸露,看不到任何沉積物。

在人類探測海底多數地方的沉積層厚度後,海洋學家對測量結果大感驚異。他們驚訝之處在於,整體而言,沉積層的實際厚度遠不如他們依據相關事實所預估的厚度。太平洋多數地區的沉積層平均厚度(包括尚未硬化的沉積層和沉積岩層)只有大約四百公尺,與大西洋多數地方的沉積層厚度差不多(這都是平均數據,當然還是有些地方有著深厚的沉積層),而在某些地區,甚至幾乎沒有沉積作用。

幾年前,數名海洋學家拍下大西洋深海底,以及太平洋東南方復活島洋脊(Easter Island Ridge)上的錳結核照片。有時這些結核的核心是鯊魚牙齒,這些牙齒可追溯至第三紀,因此可能已有七千萬年的歷史。不過當然,這些牙齒是經由沉積物不斷層層包裹,才能形成結核,整個過程想必曠日費時。根據彼得森估計,這些結核大約需要耗時一千年,才能增長一公釐。而在這些結核於海床上成形的期間內,海底所累積的沉積物,深度尚不足以覆蓋這些結核。

連續數日雪花漫天飛舞,然後暴風平靜下來只剩細雪微飄

科學家藉由觀察沉積物中某些組成物質的放射衰變率,以了解後冰河時期海底沉積作用的速率。如果自海洋形成之後,海中便一直維持這個沉積速率,那麼沉積層的平均厚度,應該會遠高於實際的厚度。多數的沉積物是否已經分解消失? 現在陸地多數地方,在過去隱沒於海中的時間,是否遠比我們所估計的還久,所以有很長一段時間幾乎未受侵蝕? 除了這些說法,人類還提出許多其他看法以解釋沉積物之謎,但是論據似乎都不夠充分。或許在海床上鑿洞直通莫氏不連續面的大計劃(也就是莫荷計劃),能夠讓人類有新的發現,解釋這個謎題。

海底沉積層厚度不一、分佈不均,這種情形讓我們不禁聯想到大雪繽紛的情景。我們可以把深海裡的暴風雪,想像成北極冰原上寒凍刺骨的大風雪。大風雪連續颳了數天,雪花漫天飛舞,然後暴風雪平靜了下來,只剩細雪微飄,同樣地,海中沉積物所形成的海雪也是時大時小。大海雪來臨的時節,必定與陸地造山運動發生的時期相當,在這個時候,陸地隆起成山,雨水沖刷山坡,將泥沙岩礫帶入海中。

而小海雪則發生於兩個造山運動間的平靜期,在這個期間,地表平坦,因此侵蝕作用也趨緩。在我們想像中的冰原上,寒風將雪花吹進山脊之間的深谷,在谷地堆成厚厚積雪,雪花片片堆積,慢慢掩蓋地勢起伏,最後一片冰天雪地中只見突出的山脊。在飄落海底的沉積物中,也可以看到「風」的作用,而這裡的風就是指深海洋流,這些海流依自己的定律散佈沉積物,不過目前人類尚無法了解這些定律。

不過早在許久以前,我們就已經了解海底沉積層的主要沉積模式。在大陸陸基,也就是大陸坡邊界以外的深海地區,佈滿了來自於陸地的泥土。這些泥土色彩斑斕,包括了藍、綠、紅、黑和白色,氣候變化以及來源地主要的土壤與岩石特質都是影響深海泥土顏色的主因。再往更深處,海底的淤泥主要則都來自於海洋本身,由無數微小的海洋生物殘骸所構成。在溫暖海洋多數區域裡,海底大多覆蓋著有孔蟲類這種單細胞生物的殘骸,其中數量最多的種類就是抱球蟲(Globigerina)。

在遠古時代以及近代的沉積物中,可能都會發現抱球蟲外殼,不過經歷了這麼長久的時間,這種生物已經有所改變。在了解這點之後,我們可以大略估計這些沉積物的年代。但是,不管抱球蟲如何演進,牠始終是單細胞動物,外殼奇特複雜,由碳酸石灰質所組成,這種動物體型十分微小,必須用顯微鏡才能觀察到牠的身體細部。抱球蟲和單細胞生物一樣,個體一般而言並不會死亡,而是會分裂成兩個個體。每一次分裂,抱球蟲都會拋棄舊殼,再生成兩個新殼。在溫暖富含石灰質的海域,這些小生物以驚人速度繁殖,雖然牠們體型微小,但無數的外殼卻能覆蓋海底數百萬平方公里,而且累積的深度高達數百甚至上千公尺。

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書籍介紹

本文摘錄自《大藍海洋(生態環保之母瑞秋・卡森出版65週年紀念版)》,柿子文化出版
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作者:Rachel L. Carson(瑞秋・卡森)
譯者:方淑惠、余佳玲

不論是「2050年海洋塑膠垃圾將比魚多」的警訊,或被瘋傳的「海龜鼻孔拉出吸管」YouTube,地球的母親——海洋,正面臨前所未有的危機!然而,在「生態環保之母」瑞秋・卡森的筆下,海洋曾是那麼美麗、神祕,充滿著生命的希望,深深感動數百萬人!

《大藍海洋》為瑞秋・卡森的成名著作,被認為是描寫海洋及其生態最傑出的文學作品,銷售量超過百萬,直到現在,相信閱讀此書的讀者,依舊能被書中大量專業、深刻、生動又優美的海洋知識,以及卡森的視野所大大震撼。

瑞秋・卡森以一種親密且貼近海洋的述說為起頭,接引了無數奇特而有趣的海洋故事,描述海洋如何誕生、生命如何在海洋中生成,以及迷人的海洋世界。在瑞秋・卡森文筆優美生動的文字、敏銳的眼光,以及豐富的想像力之下,一幕幕令人終身難忘的景象躍然紙上,讀者彷彿可以親身體驗各種奇特的景象:

  • 剛成形的地球在無止盡的滿天陰霾下逐步冷卻。
  • 火山活動產生的大量噴發物堆積在海床上,形成崇山峻嶺和荒涼的峽谷。
  • 海面上一隻隻發光的烏賊,像一盞盞大水銀電燈。
  • 七十噸重的抹香鯨,在海面下數百公尺深的地方,與十五公尺長的大王烏賊搏鬥。
  • 蜘蛛利用蛛絲結成降落傘,隨風飄流,遷移到其他島嶼。
  • 墨西哥灣流上順風的帆船,竟然無法前進只能後退。
  • 在日落時分,從水聽器中聽見黃花魚的大合唱。
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Photo Credit: 柿子文化

責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航