耗时600万年的鸿篇巨制——美国大峡谷国家公园漫记(一)

大自然杂志 2020-11-20 15:06:16

深约1,600 米,展现出约18.4 亿年地质史的大峡谷全景 

在美国亚利桑那州北部的科罗拉多高原上,澎湃的科罗拉多河蚀刻出北美洲最壮观的大峡谷,这里也被誉为自然界七大奇景之一。大峡谷深约1,600米,宽度从180米至30千米不等,蜿蜒长445千米。想要一睹大峡谷的风采,大峡谷国家公园是不二之选。

从峡谷顶端俯瞰,陡峭的悬崖、高耸的桌山、兀立的岩柱……似迷宫、如神殿,景象壮阔奇绝。

大峡谷是科罗拉多河耗时约600万年的鸿篇巨制,而且这一杰作现今仍在随着时间变幻。从峡谷顶端到科罗拉多河的河面,大峡谷中暴露的岩层展示着约18.4亿年的漫长地质史。

大峡谷这一天堑将高原分隔为南北两部分,这一地理隔离孕育了当地特有亚种缨耳松鼠凯巴布亚种。此外,大峡谷还是一些濒危物种的家园,是全球少数几个能见到加州神鹫的地区之一。

大峡谷雪景 

云遮雾绕,初访不利

2015年12月的一天,我们一大早便从拉斯维加斯出发,前往大峡谷国家公园,一路上天气阴沉。车行4个多小时后,我们进入了公园南门,这一带海拔2,000米左右,路旁立地条件较好的小山谷中不时出现繁茂的西黄松林,其中还间杂着深裂叶栎等落叶树种。

在公园中,西黄松主要分布在大峡谷南北两侧海拔2,000—2,500米的区域内,且为该区域的优势群落。

进入公园不一会儿,天气变得更糟了,云雾混为一体,能见度不到30米。抱着试一试的心态,我们将车停好,沿着步行道向峡谷南缘走去。

站在挂着白雪的栏杆前俯瞰,眼前一片白茫茫,纵使强风劲吹,也吹不散这漫天的云雾。与其守在这里,倒不如去别的地方碰碰运气。

这一带的旅游配套设施很完备,甚至还有一个火车站,就像一个小镇。一条双向两车道的游览公路沿峡谷边缘向西延伸,公路旁有许多观景台,停车后走上几分钟就能置身峡谷边缘的绝壁之上。可惜天公仍不作美,不过这倒让我们有充裕的时间打量这一带的植被。

和先前看到的高大繁茂的西黄松林不同,峡谷边缘土层瘠薄,只有稀稀落落的科罗拉多果松、犹他圆柏和单子圆柏等树木。

它们的树冠并不相接,高度通常也不超过两层楼,这便是北美洲西南部典型的松-圆柏疏林。在公园中,这一植被类型主要分布在海拔1,280—2,000米(即峡谷顶端)的半干旱环境中。

我们看到一棵树干并不粗大的柏树,树干遒劲扭曲,考虑柏树生长速度慢,再加上环境较为干旱等因素,推测它应该有上百年的树龄了。

构成这类疏林的树种都为马德累植物区系成分,这一区系据信起源于北美洲西南部,很适应干旱-半干旱环境。林下则分布有少量丝兰属和仙人掌科等植物,这些耐旱植物在皑皑白雪中显得格外别致。

大峡谷的南缘有一座亚瓦帕地质博物。亚瓦帕是亚利桑那州的一个原住民部落,“亚瓦帕”意为“太阳人”。

这座小型博物馆坐落在绝壁之上,人置身在馆内,透过巨大的玻璃窗就能饱览壮景。可由于云雾缭绕,我们等了好一阵,才得以有几秒钟的时间透过云雾间隙窥见数百米以外的一小片红色山岩。

光明天使页岩中的三叶虫化石 

看过馆中的展览后,我们才知道大峡谷的沉积岩中蕴藏着丰富的古生物化石,其中最古老的要算约12亿年前(中元古代)由蓝藻群落形成的叠层石,此外还有三叶虫、海百合、腕足、苔藓虫、珊瑚、海绵、节肢动物、爬行动物化石、蕨类植物化石以及多种遗迹化石。

在大峡谷的一些洞穴中,人们还发现了更新世和全新世化石,如1.1万年前的树懒骨骼、毛皮和粪便化石,这些化石已成为研究北美洲生物区系演化和环境变迁的重要材料。

等到下午4点左右,云雾还没有消散的趋势,我们只得悻悻返回住处,期待明天能是一个云开雾散的好天气。

从峡谷南缘俯瞰大峡谷  

壮丽的地质奇观

第二天一大早,窗外雾气依旧浓重,好在天气预报说浓雾只持续到上午9点。大家兴冲冲地再次来到大峡谷南缘,虽然四周云雾茫茫,但天光有渐亮之势。

凭栏向谷中俯瞰,不多时,云雾中偶尔出现了一个空洞,一团遥远的红黄色块透了过来,虽不真切,但那就是大峡谷的山石了!

随着时间的推移和山风的吹送,云雾变得更淡了。大块大块的暖色如拼图般相互拼接起来,越来越完整。此时,阳光零散地照亮了峡谷深处的峭壁,这些遥远的白亮光斑明灭变幻,薄纱似的雾气飘逸在眼前,让人目不暇接。

目光收近,就在我们脚下陡崖的小山谷中,融化的雪水裹挟着松散的石屑,汇成一条条红棕色的小溪,一路向谷底奔去。向谷中最低的地方望去,隐约可见一小片似乎泛着浪涛的棕色区域,那就是一手塑造出大峡谷的雕塑家”——科罗拉多河

科罗拉多河 

科罗拉多河是美国西南部墨西哥北部的主要河流之一,发源于美国科罗拉多州境内的落基山脉,蜿蜒约2,330千米后,在墨西哥境内注入加利福尼亚湾

科罗拉多河流域大多为干旱半干旱地区,人们在河上建起多座大坝,既保障了灌溉、生活等用水,还能利用落差发电。

大峡谷国家公园的上下游各有一座大坝。在公园上游的河道上,矗立着高220米格伦峡谷大坝。大坝下泄的河水来自水库深层,水温常年稳定在8℃左右,而本土鱼类中有些需要春夏季节水温达到20℃左右时才能产卵,于是大峡谷成了许多本土鱼的“死亡之地”。

科罗拉多河流出大峡谷后,便汇入了米德湖。这可不是一个天然湖泊,而是1935年著名的胡佛大坝建成后形成的,总库容322亿立方米,是美国目前库容最大的水库。

主流观点认为科罗拉多河是在600万—500万年前开始流经大峡谷一带,不断侵蚀切割,使峡谷不断变深加宽。

不过学界对大峡谷形成的年代仍有争议,2008年在美国《科学》杂志上发表的一项研究认为大峡谷自1,700万年前便开始形成;2012年的另一研究估算大峡谷可能有7,000万年之古,不过这一结论受到了质疑,称其未能充分考虑其他地质数据。

渐渐地,除了头顶上还有团团白雾随风流散,峡谷中的云雾几乎不见了。大峡谷毫无遮挡地展现在我们眼前:白云白雪,青松红崖,给人一种亘古、苍茫、壮阔、仿佛整个宇宙都罗列在此的感觉。

谷中数不清的沟沟壑壑隔开一座座小山,有的山体顶部平坦宛如桌面,有的尖如刀削,有的状如金字塔,还有的形似纪念碑……千姿百态,不一而足。

大峡谷的谷壁主要由古生代水平岩层构成 

从峡谷顶端到谷底(约1,600米深),可以明显看出多层水平分布的岩层,顶部的岩层最年轻谷底最古老。让我们自上而下来看一看这部层层叠叠的地质史书记载着哪些信息?

最顶端的是形成于2.7亿年前的灰白色凯巴布灰岩,往下是形成于2.75亿年前的科科尼诺砂岩,再向下是形成于2.85亿—3.15亿年前的红色苏派组岩层,继续向下则是形成于3.4亿年前红色较淡的红墙灰岩,其下是形成于5.05亿—5.25亿年前、包含了光明天使页岩等通托组岩层

这些岩层都形成于古生代,大多数在温暖的浅海环境中沉积形成。在它们之下,是正被科罗拉多河切割的毗湿奴片岩,其中还有花岗岩侵入,这些岩层形成于约18亿年前,是大峡谷中最老的岩层。

要了解这些岩层的前世今生,还得先从距今约18亿年的前寒武纪说起。当时一块载有一条岛链的板块和后来构成北美洲的板块碰撞到一起,这一过程产生的高温高压让岩石结构发生改变,形成了一系列深色变质岩,它们构成了峡谷谷底的毗湿奴片岩

而在漫长的古生代,多次海侵海退等环境变迁使毗湿奴片岩上覆盖了一层层水平沉积岩:在温暖的浅海中,海洋生物遗骸逐渐堆积形成灰岩沙丘固化形成砂岩河流沉积物在沼泽或河口三角洲形成页岩和泥岩

到了距今约7,000万年的白垩纪末期,北美板块和太平洋板块在碰撞过程中,太平洋板块俯冲向下,北美板块则滑到了它的上方,于是北美洲西部的落基山脉开始

与此同时,如今美国犹他州东部、亚利桑那州北部、科罗拉多州西部和新墨西哥州西北角也从海平面升到2,000多米高,这一广袤区域便是科罗拉多高原

尤为难得的是,在这一上升过程中,原本水平排列的沉积岩层倾斜或变形程度很小,于是才有了我们现在所见的水平岩层。

光明天使断层( 从前景中部向左上方延伸) 

大峡谷中有不少断层,其中最著名的当属光明天使断层。这一断层为东北-西南走向,从大峡谷南缘直穿到北缘,从卫星影像上看,仿佛是被硕大的斧子砍出的一道长长的伤口。

大峡谷南缘的大多数地方壁立千仞,势如刀削,让人难以下到谷中,而光明天使断层的存在,让此处的峭壁有了一个较为和缓的缺口,因此这里也成为南缘少数几个能下到谷中的途径之一。

人气颇旺的光明天使小径从海拔2,093米的谷顶蜿蜒15.3千米后才能抵达谷底海拔756米光明天使营地。虽然路程看似不远,但海拔落差大,而且只要不是冬季,谷底往往酷热难耐,一天内往返简直是自虐,因此绝大多数游客都会在谷底过夜。

我们这次没有时间走上光明天使小径,只好在一处名为小径观景点”的绝壁边缘俯瞰,借以神游一番。这个观景点位于光明天使断层的西侧,地势比断层东侧高出约50米,光明天使小径在植被稀疏的山谷中呈之”字形下降。

视线跨过科罗拉多河,北侧是一道沿着断层线形成的光明天使峡谷,这一颇直的峡谷渐渐升高,直接大峡谷的北缘。如今的光明天使断层地质活动依旧活跃,会引发一些小型地震,甚至有时游客都能感觉到,只不过此次我们无缘体验这一断层的脉动。

(本文图片由美国国家公园管理局提供)

作者单位:美国密苏里大学


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文章选自《大自然》2016年第5期


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