【石头科普】两亿年前地球上……只有一块大陆？！
关于魏格纳建立大陆漂移学说有一个耳熟能详的故事：魏格纳躺在床上对着世界地图苦思冥想，突然发现南美洲东海岸和非洲西海岸能完美地吻合，并由此发想大陆可能曾经发生过大规模的水平运动，发展出了大陆漂移学说。实际上魏格纳提出大陆漂移是建立在一系列严谨的地质调查证据的基础上，远不是看看地图奇思妙想那么简单。不管如何，这个故事还应该有这样的后续：魏格纳不仅发现南美洲与非洲曾经拼合在一起，还推想在历史上有一段时期，地球上几乎所有的大陆都拼合在一起，形成一块“超大陆”——泛大陆。
现在科学家们确定地球历史上确实有过大量大陆聚合在一起的时期，并且这种超大陆的聚合和分离呈现一种准周期式的循环。
魏格纳早期构想的泛大陆地图
近年科学家更加严谨地重构出两亿年前泛大陆的地图
重构大陆的历史
如果想知道历史上什么时期地球上有超大陆，最直接的方法是“回看”数亿年前地球的表面。这一工作被称为“板块重构”。
两亿年前的地球表面大陆是怎么分布的？海底岩石的年龄提供了一种重构历史时期大陆移动轨迹的方法。随着泛大陆开始裂解，海底扩张形成新的板块以填充大陆分离、板块扩张产生的空隙。这些海底板块生成的速度就记录下了当时大陆分离漂移的速度。
当前海底岩石记录下的年龄信息，单位为百万年
举例来说明，南美洲东岸与非洲西岸南侧的海洋板块年龄大约为1.3亿年，说明南美洲与非洲至少在1.3亿年前还紧密连接在一起，从1.3亿年前才逐渐开始张开。同样的，北美洲东岸和非洲西岸北侧的海洋板块年龄大约为2亿年，说明北美洲在2亿年前开始从非洲大陆裂解开。用这种方法科学家们得以重构出大约两亿年前泛大陆时期地球表面板块和大陆的分布，但对于泛大陆聚合之前的板块分布无法通过这种手段得到。因为在泛大陆聚合的过程中各个陆块之间的海洋板块下沉到地幔中俯冲消失，没有留下重构的依据。
对于更早时期的板块重构，要借助板块运动学以外的间接证据。岩石的古地磁研究能够给出非常重要的约束。地磁场像一个巨大的条形磁铁，在磁铁两级的地方磁场指向上方，磁场与水平面的夹角——磁倾角为九十度，而在磁倾赤道区域磁倾角为零度。一些岩石在地磁场中形成和冷却时会记录下当时的地磁信息，其中就包括磁倾角。不同的磁倾角代表岩石样本在当时所处的不同的地磁纬度。虽然该方法只能确定纬度，不能完全确定陆块位置，但也提供了非常重要的约束。
条形磁铁一样的地磁场
其他方面的约束主要来自于地质事件。例如同一期大型火成岩事件在两个（或多个）陆块上都有发现，就表明在当时这些陆块可能拼合在一起。比如劳伦大陆（现北美和格陵兰岛）和西伯利亚地块存在过多次同期的大型火成岩事件，他们可能在很长时间的历史上都相互临近。
七亿年前劳伦大陆（左）和西伯利亚（右）上的火成岩事件
结合板块运动学、地磁、地质历史等等，对板块进行重构，可以直接看到陆块在某些时期的聚集，形成超大陆。但是对于更加古老的时期，板块运动学证据缺失，地磁和地质证据也被改造，很难给出准确的板块重构结果。
重构出的九亿年前罗迪尼亚超大陆地图
对于比罗迪尼亚超大陆更早的时期，板块重构的结果可信度更低，不同学者给出的重构地图也都有差别。
超大陆循环和周期性全球构造活动
超大陆聚合不仅仅是陆地的拼合，同时也造成全球构造活动、海平面、甚至气候等等都会随之变化。在超大陆存在的时期，周围大面积的海洋导致海洋板块年龄更老，经过更长时间的冷却之后会变得更重，海洋板块下沉，伴随着全球海平面达到最低点。更多的陆地露出水面，大气中的温室气体二氧化碳经过风化过程被固定到地表，导致全球气候变冷。
而在超大陆裂解期间，新的大洋张开，海洋板块又变得年轻，全球海平面上升。同时碰撞造山带减少，大陆开始裂解，生物多样性也随之增加。大陆面积变少，二氧化碳浓度回升，气候回暖。超大陆完全裂解之后又重新开始聚合，碰撞造山活动达到顶峰。
这些全球其他指标的变化和上一节所述的地质证据结合，也可以用来作为超大陆旋回的标志，同时也说明了超大陆对于地球历史演化的重要作用。
黄色方框代表各超大陆留存的时间段，红色代表大陆碰撞造山事件，绿色代表大陆裂解伴随的火成岩事件，蓝色代表冰期。各种周期性构造事件和超大陆旋回相关。横轴表示距今时间，单位为百万年
超大陆循环的物理机制
超大陆循环被认为和地幔对流紧密相关。当地球表面没有超大陆时，地幔对流可能倾向于形成在一个半球上升，在另一个半球下降的模式。这种模式下地表的陆块都被地幔流推向下降的半球，拼合形成超大陆。而当超大陆形成之后，厚重的盖层使下降流难以维系，下降流转变成环绕超大陆的俯冲带，使得超大陆下面的下降流变为上升流。上升流促使超大陆裂解，当超大陆裂解达到一定程度时，地幔对流可能又回到促使大陆聚合的模式，导致超大陆不断重复聚合和裂解。
黄色代表地幔上升，蓝色代表地幔下降。左图所示地幔对流模式对应超大陆聚合，右图对应超大陆裂解
图片来源于网络
撰稿：王实
美编：李莹
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