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“巨兽的时代”:白垩纪的“白垩”,究竟是个啥?-全球热门

来源: 科普中国 时间: 2022-11-17 17:53:41

出品:科普中国

作者:地星引力

监制:中国科普博览


(资料图)

在地质历史时期中,白垩纪是一个著名的时期——这当然要多亏了生活在这一时期的大量恐龙们,尤其要感谢大名鼎鼎的霸王龙。自从人们将这些恐龙搬上荧幕以来,白垩纪这个属于巨兽的时代便受到了所有人的关注和好奇。同时,白垩纪末期的陨石撞击和恐龙们悲剧性的结局也令人扼腕不已。这些都吸引着人们对这个时代进行探索。其中,关于这个时代,人们最先想到的问题是:它为什么叫作白垩纪?

三角龙

(图片来源:Veer图库)

白垩纪的由来

所有的地质时期的命名,都是地质学家们在研究地层的时候用于划分地层的结果。地球上的地层,如同人的面貌一样,各不相同,如泥岩、砂岩、灰岩、花岗岩等等,每一种地层都截然不同,它们各自代表了不同的形成环境和当时发生过的地质事件。例如,泥岩大多形成于深水处,砂岩多形成于河、湖、海的岸边,灰岩则形成于热带的浅海中,而花岗岩则是由岩浆活动所形成的。

泥岩大多非常细腻,且带黑色

(图片来源:Flickr/James St. John)

砂岩往往为黄色,摸起来粗糙像在摸砂纸

(图片来源:wikipedia)

灰岩往往出现灰黑色或灰白色,偶尔其中还能看到贝类的化石

(图片来源:wikipedia)

花岗岩多出现红色、肉红色,当然也会出现灰色等,但是最大的特点是岩石中有很多粒感明显的矿物颗粒

(图片来源:Pxhere)

这些地层形成后,会构成一个完整的序列,代表着环境的渐变。比如海平面下降,会导致沿海湖泊和河流的消亡,自然深水就会变成浅水,泥岩也就变成了砂岩,所以这个序列应该是泥岩在下,砂岩在上。

然而,在完整的序列之外,也会有不完整的序列,比如突然出现厚层的火成岩,这代表着剧烈的火山活动打断了渐变的环境。而当火山活动消失后,则又开始了新一次的岩石序列的形成。在此情况下,地质学家们就会将新老两个连续的岩石序列看作是两个时代。这就是为什么会存在寒武纪、奥陶纪、泥盆纪、白垩纪等诸多名称的原因。

看到这里,可能你会很自然地想到,地质学家们会根据地名或是岩石序列的特点来为这些地层命名。比如“寒武纪(Cambrian)”这一名称的由来,正是因为地质学家们最初是在英国威尔士的一个名为“Cambria”的地方研究当地岩层,便以此地名来命名该地层;泥盆纪(Devonian),则是因英国德文郡(Devon)而得名。而另一个著名的地层石炭纪(Carboniferous)则是以地层的特点命名——出产大量煤矿。白垩纪(Cretaceous)的得名也与此类似,由于英国东部的多佛尔海峡的地层全是白垩,因而得名“白垩纪(Cretaceous)”。

多佛尔海峡

(图片来源:Flickr/Harvey Barrison)

只有白垩纪有白垩吗?

白垩的名称“Creta”来自拉丁文,是一种灰白色的碳酸钙沉积,碳酸钙即灰岩,因此,白垩土就是一种白色的灰岩。如果从其成分上来讲,不光只有白垩纪有灰岩,地球上大部分时期都有灰岩存在。但是白垩还有另一个特点——白,非常白。

这一特征正是它被叫作白垩的原因,而白垩确实只分布在西欧的白垩纪地层中。因此,若是从其特点来讲,只有白垩纪有白垩。这与形成白垩的生物以及当时的环境都有关系。

白垩与球石藻

白垩的主要成分是文石,其化学成分是碳酸钙(CaCO3),它是生物钙化的产物。(*注:文石(CaCO3),是方解石矿物的一个变种。在整个方解石矿物体系中,有低镁方解石、高镁方解石和文石等不同的矿物。在这之中,高镁方解石和文石并不常见,它们不稳定,并最终会转变为低镁方解石,即我们最常见到的石灰岩的主要组成物质。在自然条件下,它们既可以由海水中的天然化学反应形成,也可以由生物的钙化作用形成。因此,就算是过去的某一段时间内,经由天然或生物作用形成过类似的文石,它们可能也都经历了方解石化,并最终变成了低镁方解石。)

我们最常见的生物钙化产物就是骨骼,无论是我们自己的内骨骼,还是贝壳的外骨骼,其主要成分都是钙。我们常见的灰岩,其成因也大多是因为生物骨骼中的钙沉淀而形成的,但白垩则是来自一种独特的生物——球石藻。

生物钙化的起源很难说清,有的观点认为生物钙化是由于寒武纪早期海水中钙离子浓度飙升,开始对生物细胞产生毒性,生物为了给细胞解毒,不得不进化出排泄钙的手段,这种排泄手段进一步演化,则变成了动物的内外骨骼,以及球石藻这种藻类的钙质外壳。

如果我们在显微镜下观察,就会发现球石藻由漂亮的钙质外壳所组成,它们呈片状、板状、圆环状覆盖在藻类外侧,把这些藻类塑造成微小的球粒状,这也是它们之所以被叫作球石藻、颗石藻等的由来。

现代不同种类的球石藻显微图片

(图片来源:de Vargas C, Aubry M P, Probert I A N, et al. Origin and evolution of coccolithophores: from coastal hunters to oceanic farmers[M]//Evolution of primary producers in the sea. Academic Press, 2007: 251-285.)

倘若更详细观察,就会发现,球石藻的钙质骨骼是由细小的针状文石矿物所组成的。

在欧洲,早期的科学家们发现了白垩地层之后,就一直在对其进行研究。科学家们发现,白垩最主要的成分就是球石藻的骨骼,虽然在显微镜下极少能见到完整的球石藻,几乎都是其钙板碎片,但这并不妨碍科学家们从其中识别出白垩的成分。

显微镜下的白垩

(图片来源:Ineson J R, Stemmerik L, Surlyk F. SEDIMENTARY ROCKS| Chalk[J]. 2005.)

现代球石藻上色显微图

(图片来源:wikipedia-NEON ja)

球石藻的正式名称为钙板金藻(coccolithophores),属于定鞭藻门。经过对化石的研究,以及分子生物学的研究,科学家们发现,直到大约1.85亿年前的侏罗纪,这种生物才演化出来。

问题来了,既然球石藻出现的这么早,但为什么直到白垩纪,白垩才开始大规模的产生呢?

白垩纪独特的海洋环境造就了球石藻的旺盛繁衍

有科学家认为这可能是海洋环境的原因。在海水中,不仅存在着钙元素,还存在着镁元素,这二者的性质很相似,所以很多时候镁元素都能取代钙元素的位置和功能。

而经过研究发现,海洋中的镁/钙(Mg/Ca)比值并不是固定的,而是不断波动的。当镁元素含量高的时候,比如现代,球石藻的产量就很低下,而当镁元素含量低,钙元素含量高的时候,球石藻的产量就很高。

而侏罗纪和现代,正好是镁/钙(Mg/Ca)比值高的时候。只有白垩纪,镁/钙(Mg/Ca)比值达到了历史最低点。也就是说,白垩纪是地质历史上最适合球石藻繁衍的时代。

C为寒武纪,O为奥陶纪,J为侏罗纪,K为白垩纪,底下横坐标时间单位为百万年,从左到右分别为5.5亿年,5亿年...1.5亿年、1亿年、0.5亿年

(图片来源:Stanley S M. Influence of seawater chemistry on biomineralization throughout Phanerozoic time: Paleontological and experimental evidence[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2006, 232(2-4): 214-236.)

白垩纪欧洲古地理,图层之下的黑色轮廓线为现代国境线

(图片来源:Csiki-Sava Z, Buffetaut E, Ősi A, et al. Island life in the Cretaceous-faunal composition, biogeography, evolution, and extinction of land-living vertebrates on the Late Cretaceous European archipelago[J]. ZooKeys, 2015 (469): 1.)

在种种巧合之下,球石藻才得以在欧洲大面积繁殖开来,我们或许能从现代球石藻藻华中看到当年它们繁盛时期的影子。而正是这种繁盛,造就了欧洲的著名白垩纪海岸。

1999年7月24日赫氏圆石藻藻华(球石藻的一种)水华

(图片来源:USGS)

白垩纪海岸

(图片来源:wikipedia)

编辑:应奕可

参考文献:

[1]de Vargas C, Aubry M P, Probert I A N, et al. Origin and evolution of coccolithophores: from coastal hunters to oceanic farmers[M]//Evolution of primary producers in the sea. Academic Press, 2007: 251-285.

[2]Stanley S M. Influence of seawater chemistry on biomineralization throughout Phanerozoic time: Paleontological and experimental evidence[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2006, 232(2-4): 214-236.

[3]Csiki-Sava Z, Buffetaut E, Ősi A, et al. Island life in the Cretaceous-faunal composition, biogeography, evolution, and extinction of land-living vertebrates on the Late Cretaceous European archipelago[J]. ZooKeys, 2015 (469): 1.

[4]Ineson J R, Stemmerik L, Surlyk F. SEDIMENTARY ROCKS| Chalk[J]. 2005.

标签: 科学家们 低镁方解石