寒武纪来客，世界随时间驶向荒芜，我们都将是熵的信徒。 看似一个简单的问题，却涉及陆地起源、板块运动、地壳重力均衡、喜马拉山的隆起和侵蚀等在内的地球科学领域的一些重要科学问题。 在地球演化的历程中，山脉不总是地球的一部分。 早期的地球根本没有山，地表被汪洋覆盖。直到 20 亿年前，山脉才开始广泛形成并演化，占据了地球历史的一半，并且按地球的发展历程，地球上的山脉应该整体呈现出一种越来越高的趋势。 全球海陆的变迁 1.陆地起源 四十多亿年前，地球从一个熔岩星球冷却至地表变硬，核 - 幔 - 壳三分，才有了地壳。 随着时间的推移，地球发热冷却，地壳逐渐增厚。 但是最初的地球没有陆地或极少有陆地从海平面露头，地球表面被海洋覆盖。因为这时候地壳很薄，不足于支撑起伏高差较大的地形。 这就好比冬天来临，河面上的冰很薄，人站上去肯定会掉在河里，但是当冬天越来越久，冰层就越来越厚，冰层可以承受的物体重量也会越来累越重。地壳的发展也是一个类似的逐渐变厚的过程。 冥古宙时期的地壳也许称作洋壳更合适，因为这时候的地壳由密度较大玄武岩组成，而在陆壳主要的基底主要由密度较轻的花岗岩组成。 那么第一块陆地如何浮出海面的呢？这里有两种说法。 第一种是在大约 35 亿年前，大轰炸结束之前，来自太空的巨大陨石撞击到洋壳，导致了部分洋壳的变薄。 变薄的洋壳造成了下方岩浆的减压融化。随之而来的是因为重力均很和地壳应力回弹造成的洋壳的增高。但是增高的洋壳下方伴随着增厚，才足以使它漂浮在熔融的地幔上。 在这个过程重，岩浆的分异作用导致密度比较轻的硅铝质岩浆不断的上涌，使得该部分地壳的密度越来越轻，从而导致它继续向上运动，直到浮出海面形成地球的第一块稳定陆地，也就是克拉通。 陨石撞击导致陆地形成的动力学过程 第二种说法没有第一种说法那么复杂。它得益于地球深处的热流循环和岩浆分异作用，不断循环的岩浆会导致热而轻的物质向上运动（硅铝质），冷而重的物质向下运动（铁镁质），在部分区域会造成轻质的硅铝类物质的富集，并冷却形成花岗岩，形成陆核。 最终，热流循环及其重力均衡整个过程使克拉通在化学属性上更轻，而在物理属性上更厚，从而使陆地上升，浮出水面形成第一块陆地。 岩浆分异作用导致陆地形成的过程 大约在 30 亿年前，一些克拉通的地壳已经增长到大约 50 千米，稳定的大陆陆块已经有足够的浮力，开始上升到海平面以上，而那些地壳厚度小于 40 千米的大陆块仍没在水面之下。 从这个过程可以看出，地球最早的大陆出现的过程，与今天地球上通过板块碰撞产生陆地抬升的方式完全不同。 随着地球最早的大陆诞生，伴随开启的还有板块运动。 2.山脉崛起 陆壳形成以后，在陆壳和洋壳接触的地方，密度比较大的洋壳插入了密度较轻的陆壳下方，物质的重熔和重组造成了岩浆的环流，从而驱动了板块的运动。 不同类型的板块边界 地球构造板块边界主要有两种类型，即离散型板块边界和收敛型板块边界。 在离散型板块边界处，板块彼此拉开，地壳变薄，炽热的地慢物质向上涌出,填补创造的空白，不断形成新的地壳，例如海洋中的洋中脊，喷出的岩浆不断形成洋壳。 而在收敛边界处，地幔热对流驱动海洋板块撞向大陆板块，密度较高的板块俯冲到密度较低的大陆板块下方的地幔，不断抬高上面的陆地，并伴随着强烈的构造变形和火山活动，导致板块断裂，岩石相互堆叠起来。 数百万年，数千万年，岩石不断堆积起来就形成了山脉，就像喜马拉雅山是由印度和欧亚大陆之间的海洋岩石堆叠形成的一样，洋壳不断向北推进，直到海洋消失，原本在海洋中的岩石也可高耸如云，这也就是我们可以在海拔几千米高的喜马拉雅山中发现海洋生物化石的原因。 造山作用 但是在陆地刚出现的几亿年里，地表依旧空旷。直到大约 25 亿年前，陆地才大规模出现，板块构造运动可以驱动大陆开合，地球才开始轰轰烈烈的造山运动，这得益于地球早期的原始生命体。 地球上山脉形成的时间表 让规模如此之大的岩石堆叠成山并非易事，岩石之间强大的摩擦会阻止它们继续增长，这就需要一种很丝滑的润滑剂。 这种润滑剂是碳，当死去的浮游生物的尸体落到海底并被掩埋时，生物体就变成了碳，成为海洋岩石的一部分。 浮游生物是地球最早的生命体之一，它们在地球上生活了 30 多亿年，深刻地改变我们的地球环境。 20 多亿年前，地球有了陆地，便有了风化作用，陆地岩石被风化后，丰富的营养物质进入水中时，浮游生物的数量爆炸了，不仅如此，它们的细胞变得更大，意味着它们含有更多的碳。 它们大规模繁殖，改造地球大气，终于让地球中了氧的毒，造成大氧化事件，让地球陷入休伦冰期。 但是当浮游生物死亡后，它们迅速下沉并被埋在泥土中，这些泥土便形成具有前所未有含碳量的岩石，这些有机碳在地壳极高的温度和压强之下转化为石墨。 石墨参与造山 而石墨是一种很丝滑的润滑剂。人类日常生活中有了石墨，锁、铰链、齿轮、车轮甚至拉链都更容易滑动，地壳中的岩石也不例外。 在海底积聚的大量石墨在地壳的增厚中发挥了至关重要的作用，通过润滑作用，建造了地球上最雄伟的山脉。 虽然地壳中的其他物质，例如石膏、滑石在山脉的建造过程也发挥作用。但是 20 亿年前的形成的石墨床更丝滑，有些已经不止一次地参与了造山。 全球石墨断层 从澳大利亚到中国，从南美到北极，在全球 20 个古老山脉中都含有石墨的岩石的滑动面，这些滑动面正是伴随着最早的造山运动形成，而且世界上许多最大的石墨矿床都是在大约 20 亿年前形成。 这些证据证明，20 多亿年前，那些微小的海洋浮游生物蓬勃生长，累积下的丰富石墨，通过润滑造山过程改造着我们的星球。 但是 20 多亿年前的依旧山不够雄伟，地球最雄伟的山脉第一次出现于 2.7 亿年前，那就是连亘在盘古大陆中央的盘古中央山脉。 3.史前山脉 大约在 3.4 亿年前的石炭纪，劳亚大陆和冈瓦纳大陆开始相撞，形成全球唯一的一块超级大陆——盘古大陆。 在它们碰撞相接处，一座北东 - 南西走向的山脉开始拔地而起，盘古中央山脉（Central Pangean Mountains）开始生长。 3.4 亿年前 大约在 2.95 亿年前的二叠纪，盘古中央山脉建造完成，处于巅峰状态。 有资料称它的高度与喜马拉雅山脉相当，甚至超过喜马拉雅山脉达到 12000m(自己查阅了大量资料，没有找到这个数据的具体来源)。 它位于赤道附近，连亘在大陆中央，阻断天际，使盘古大陆南北两侧气候截然不同。 由于盘古中央山脉几乎与赤道平行，所以阻挡了来自南半球的季风降雨，导致山脉南侧成为类似亚马逊丛林的热带雨林和沼泽，造就了石炭纪丰富的煤炭沉积。 而在山脉的北侧，常年缺雨，气候干旱，促成了欧洲巨大的 Zechstein 盐矿床形成。 2.6 亿年前 然而，想让地球的山脉保持恒定的高度或者持续增长是一件非常困难的事。 地球板块的不断运动导致海陆不断变迁，高山可成沧海，海枯更迭石烂。 在 2.2 亿年前的三叠纪，盘古大陆开始分裂，盘古中央山脉也开始分裂成几部分，包括北美的阿巴拉契亚山脉、非洲的阿特拉斯山脉和苏格兰高地等地区。 2.2 亿年前 2 亿年以后，盘古中央山脉早已不复存在，只有北美阿巴拉契亚山脉前巨厚层的沉积岩层讲述着曾经的史诗，那些沉积层都是从盘古中央山脉剥蚀并沉积下来的山脉记忆。 4.喜马拉雅山脉 新生代以来，印度板块持续向北运动，不断将印度板块和亚欧板块中间的特提斯洋碰撞抬起开始形成喜马拉雅山。 喜马拉雅山地质构造 大约在 4000~4500 万年前，大部分喜马拉雅地区都已经露出海面，成为陆地。 大约在 1500~1000 万年前喜马拉雅山脉就已经达到现今的海拔高度，甚至比现在的海拔高度还要高 1000-2000m，整个喜马拉雅山脉最高处超过 10000m。 所以不要说地球上的山脉不能超过 10000m。根据计算，地球表层山脉的的海拔高度上限可达到 20000 米左右。 此时的喜马拉雅山拔地而起，比肩苍穹，改变了亚洲的气候和环境。 喜马拉雅山地质构造图 但是随着山脉越来越高，就越不稳定。限制山脉高度的作用主要有三种，即山体自身的刚度，地壳均衡，以及剥蚀作用。 第一种就是由于重力作用，山体不可能无限制地往上生长，到一定高度后，山体就开始垮塌。 喜马拉雅山在南北向应力作用的挤压下达到一定高度后，就经历了这种垮塌，导致喜马拉雅山的高度整整降低了 2000m 左右。 500 万年前，喜马拉雅山又开始加速隆升，上升到现今的高度。 如今的喜马拉雅山依旧以每年约 10mm 的速率抬升，它的最终高度是多少？现在没人会知道。 但是可以肯定的是，它的抬升被随着地壳均衡和剥蚀作用约束。 地壳均衡就是地壳的垂直运动。如果把喜马拉雅山比作一艘船，当货船上没有货物时，货船浮在水中的较高位置；当货船装载了一定的货物后，货船通过调整，浮在水中较低位置；卸下货物后再次浮在水中较高位置。 也是说随着喜马拉雅山升高，它的质量就越大，它的基底就会插入到地幔更深，以保持它拥有足够的浮力。 其次，随着山脉的升高，冰川、风化等剥蚀作用就会更强烈，从而约束山脉的升高。 现在，我们来看看在过去的千百万年里，喜马拉雅山剥蚀了多少的厚度。 喜马拉雅山形成过程 喜马拉雅山的主峰珠穆朗玛峰地区最早的化石记录可以追溯到早奥陶世，最新的海相地层时代为始新世中期，其间各时代的地层都有出露。 尽管自早奥陶世以来， 喜马拉雅山地区受地壳垂直运动的影响，几经升降， 但地层始终保持水平状态，较新的地层依次水平沉积在较老的地层上面，地层总厚度达 11000m。 始新世中期以后， 喜马拉雅山地区海水退出， 深埋的地层随之升出海面开始接受剥蚀。 根据珠穆朗玛峰科学考察资料，珠峰北坡海拨 8660m 以上覆盖奥陶纪地层 ， 海拔 8660m 处即早奥陶世地层的底界 。 这表示在过去的千百万里，这一界线以上所复盖的 11000m 厚的地层都被剥蚀掉了。 也就说，在过去的近 3000 万年里，喜马拉雅山地区升高了近 20000m。如果不考虑山脉的限制条件，如今的喜马拉雅山应该是海拔 20000m 左右。 地层折叠成山 这个计算还不算喜马拉雅地区的海相地层在碰撞隆起过程中发生的折叠褶皱，如果算上，剥蚀的厚度应该更多，因为褶皱、逆冲作用会使地层发生重复，导致整个地层的厚度更厚。 最后再放一张精彩的图，来感受一下地球 45 亿年波澜壮阔的演化史诗。 地球海陆的变迁 参考资料： Tim Johnson, Giant impacts and the origin and evolution of continents,Nature(2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04956-y.www.nature.com/articles/s41586-022-04956-y Parnell, J., Brolly, C. Increased biomass and carbon burial 2 billion years ago triggered mountain building.Commun Earth Environ2,238 (2021). Chowdhury P, Mulder JA, Cawood PA, Bhattacharjee S, Roy S, Wainwright AN, Nebel O, Mukherjee S. Magmatic thickening of crust in non-plate tectonic settings initiated the subaerial rise of Earth's first continents 3.3 to 3.2 billion years ago. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Nov 16;118(46):e2105746118. doi: 10.1073/pnas.2105746118. 为什么火星上的山可以那么高，而地球上的山峰最高也无法超过 9000 米？ - 中科院物理所的回答 https://www.zhihu.com/question/480648067/answer/2145051056 王国灿, 张克信, 曹凯,等. 从青藏高原新生代构造隆升的时空差异性看青藏高原的扩展与高原形成过程[J]. 地球科学:中国地质大学学报, 2010. 刘晓惠, 许强, 丁林. 差异抬升: 青藏高原新生代古高度变化历史[J]. 中国科学：地球科学, 2017, 47(1):17.
