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物种日历 2021-12-09

没有变成煤的远古森林,最终去了哪里?

大雨中,一群扁肯氏兽(Placerias)从河岸边的南洋杉森林里缓缓走了出来,身体触过那些柔软低垂的树枝。

左一就是扁肯氏兽 Placerias hesternus。硅化森林国家公园游客中心的小型博物馆 Rainbow Museum 里,陈列了很多硅化森林同地层的动物化石;图中这 3 种看上去像恐龙,其实都不是,它们比多数恐龙要早得多。扁肯氏兽属于兽孔目,和哺乳动物关系更近;中间的是主龙类 - 伪鳄类下的掠食者后鳄龙 Postosuchus kirkpatricki,最右则是植食性的链鳄 Desmatosuchus | 钟蜀黍

这些河马大小的动物小心翼翼地踱过河滩觅食。这片低地河滩沼泽长满了它们喜欢的蕨类植物——靠近森林边缘还有许多硕大的木贼类,但木贼类的茎充塞着粗糙的硅质,令它们难以下咽。扁肯氏兽用龟一样的喙状嘴撕下蕨类的大片复叶,然后警觉地抬头咀嚼。这片河中长期游弋着体长 10 米、令它们胆寒的凿齿鳄(Smilosuchus),它们是晚三叠纪沼泽中的恐怖掠食者。

这个头骨就来自于凿齿鳄属;虽然长得像鳄鱼,但属于植龙目的掠食者,和鳄鱼关系很远 | 钟蜀黍

但骤然间,浑浊的河水漫过了扁肯氏兽眼前的一大丛蕨类,大树被连根拔起的声音由远及近,大风呼啸着掠过河岸森林的每一棵树——还未等扁肯氏兽发出哀鸣,暴雨引发的洪水漫天而来,沼泽仿佛整个被掀翻,每一头凿齿鳄和扁肯氏兽都被挟裹在树木和泥浆中翻滚,再无法发出一点声音。

数月之后,洪水才缓缓退去。除了部分露在泥浆上的树梢,厚厚一层泥浆埋葬了这小片沼泽大部分的生命。

世界远非今天的样貌

这是发生在 2.25 亿年前三叠纪晚期诺利期的一场小规模洪灾。距离二叠纪末大灭绝——地球多细胞生命历史上最大规模的灭绝事件,已经过去了两千多万年,生命早已重新蓬勃繁荣。动物和植物早在两亿年前就已登上陆地,有些植物演化出了能用于输导和支撑的木质素,它们更是以前所未有的速度向着内陆进发。石炭纪时壮观的石松类木贼类雨林,早已在 8000 万年前崩溃式微,海岸森林遍布着的是今天裸子植物的远古亲戚,长着类似于苏铁、银杏、南洋杉、松柏类的样貌,有花被子植物则还难觅踪迹。

三叠纪晚期的沼泽森林想象图 | Blue Mesa Room, Rainbow Forest Museu / NPS

在这一时间点,整个世界还远非今天的样貌

我们脚下的地壳并非铁板一块,大的陆块在地质史上分分合合,在 3 亿多年前的古生代晚期,地球上曾重新形成过一块超级大陆,被称为 "盘古大陆(Pangea)"。"Pangea" 这个名字正是提出大陆漂移学说的阿尔弗雷德 · 魏格纳所创造的,来自于 "pan(全部)" 和 "gaea" 的组合,后者所指是 " 大地之母盖亚 "。

大约 2 亿年前的盘古大陆 | Fama Clamosa / Wikimedia Commons

这场洪灾发生的地点,在今天位于美国西部内陆的亚利桑那州,但在 2.25 亿年前,这里却正处热带,在盘古大陆的西南海岸,正对着古太平洋的前身、地球上曾有过的最广阔海洋之一——泛大洋(Panthalassa)。

巨大的海陆热力差异,让三叠纪时的亚利桑那州长期降雨频繁。热带的降水滋养了一大片沼泽森林和动物群,却又时时以洪水摧毁它们,这在地层上留下了显著的印记:洪水不断携裹着泥浆、碎屑和被葬送的生命,沉积于低洼盆地;数百万年后,今天所发现的沉积层最厚处竟超过了 500 米。除去洪灾,大规模的火山活动也不罕见,沼泽森林就常在洪灾泥浆和火山灰的夹缝中繁荣茂盛着。

掩埋古代森林的可能是一次泥石流或者一次火山喷发,后续经过数亿年的沉积,再因地质抬升,被风和水流侵蚀重新暴露在地表,同样的作用也形成了彩虹般的地层结构,日落和傍晚的风暴给彩虹般的地层更披上了变化莫测的色彩 | 钟蜀黍

但是,那些被埋葬的生命并没有彻底消失,另一场奇观在细微处继续进行,这也是我们今天得以一窥三叠纪末北美大陆上生命样貌的原因。

偷梁换柱的微观奇迹

被泥浆和火山灰围裹的大树,与空气彻底隔绝;充沛的降水填塞了木质,形成了缺氧的环境。这使得分解木质的真菌难以生存,进一步放慢了降解速度。溶解在水中极微量的硅酸,在漫长的时间里,通过氢键与木质素分子结合,逐渐再次以结晶或无定形沉积在木质周围,如同倒模一样完整复刻了木质的形态。而木质本身在漫长时间里碎裂、降解。

悄无声息中,二氧化硅矿物的各种形态如石英、蛋白石等完全取代了木质,偶尔也有别的杂质混入,形成了类似玛瑙一样的矿物,而木质的形态却在这场微观的偷梁换柱中保留下来。它们形成了树木的形态化石,也就是硅化木。在近似的作用下,部分动物遗骸的结构也被矿物所替代、保存,成为化石。

硅化森林的硅化木大部分来自已灭绝的裸子植物如 Araucarioxylon arizonicum,形态和今天的南洋杉相似 | 钟蜀黍

一些断面显出玛瑙和蛋白石的虹彩 | 钟蜀黍

在数百万年的时间里,洪水冲来的沉积物一层层覆盖在这里。这些沉积物成分和质地不一,比如石英砂砾、含钙的白垩土、氧化的含铁的红壤……它们像书页一样沉淀下来。如果地质长期稳定,下层沉积物受到上层的重压,它们会成为沉积岩。而辽阔无伦的盘古大陆,从 1 亿 8 千万年前的侏罗纪,开始了距今最后的一次分裂解体,北美大陆也被板块运动推离了热带。

在上亿年之后,在太平洋板块的挤压下,这一大区域从浅海开始抬升,从 6000 万年前一直到今天,部分区域海拔甚至超过 3000 米——这就是现在的科罗拉多高原,原有的沼泽彻底消失,湿润的海岸变成了干旱的内陆。

硅化木长度可以到 30-40 米,直径多在 1 米以上,遍地都是 | 钟蜀黍

这个过程中,原先尚未稳固的的沉积带,被流水和大风所侵蚀风化,形成了千沟万壑和多彩的土丘。那些美丽的硅化木和动物化石也重新暴露在荒野,被数千年前才到达这里的人类所发现。

森林被埋葬的过程在全球各地多个地质时期都发生过。今天从北美的荒漠到中欧的平原,从新疆的准噶尔盆地到非洲马达加斯加的海岸,硅化木在几乎每个大洲都有出土发现;所在的地层,从 3 亿多年前的古生代二叠纪,到距今 200 万年前的新生代晚第三纪。洪水和火山的快速掩埋与硅质丰富的水体,创造了这一迥然不同于成煤和被真菌分解的过程,给了死亡森林以另一种生机。深圳仙湖植物园有一片 "化石森林",就收集了来自国内辽宁、新疆、内蒙古乃至北美的硅化木,足以让市民在参观时冥想山海剧变。

这些硅化木上常覆盖着明黄色的地衣,这些地衣会分泌一些有机酸如草酸,可以更强烈地侵蚀岩石——这片森林最后的遗迹也将无法逃脱风化作用,成为土壤,最终回归于地球的物质循环之中 | 钟蜀黍

当我驱车开过科罗拉多高原,这里已经满目是岩石和荒漠。如果没有这些硅化木和壮观的沉积层,谁会知道这里曾经是连绵的针叶森林呢?谁会知道一群扁肯氏兽的命运?

在森林的遗迹里行走,我看到那些玉石般的森林碎片上长着一些多刺的植物,开着鲜黄色的花,大概是仙人掌科御镜属的多刺御镜(Opuntia polyacantha),它们多汁的茎和尖硬的长刺适应于干旱气候,还有一些麻黄、蔷薇科的羚梅属(Purshia)…… 这些植物的祖先,抵达这里的时间不会超过 1000 万年。在三叠纪的沼泽森林消失两亿年后,这片土地上的生命又换了一副样貌。

死于三叠纪的硅化木化石边,开出了仙人掌和羚梅的花,植被已经完全改变 | 钟蜀黍

在这片曾经的森林边,我禁不住想象:如果东晋时代的先民看到过这样的荒野和 " 硅化森林 ",不知道除了 " 沧海桑田 " 还会发明些别的什么成语?地质历史的辽阔要用狂野的想象去驰骋,初次遇见硅化木的人们,是否也曾经陷入虚无与困惑?

但当我见到那些石头上的岩画,我相信这些故事早已在上万年前,装点了人类的梦境。

北美原住民留在硅化森林国家公园里的岩画 | VIP Stuart Holmes / NPS

上古遗民

无烟煤

元宝山冷杉

红桧

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