再宽的河流也不够

想象一条慵懒的河流，蜿蜒穿过肥沃的平原，走向大海。

半个多世纪以来，科学家们一直认为这些河流是相对较新的现象。这是因为在大多数现代河流中，植被提供了维系河岸的凝聚力。在陆地植物出现之前，大约4。5亿年前的志留纪，这种植物是不存在的。

这反过来又使科学家们相信，古代地球上的河流是浅的、陡峭的和编织的。

但由地理学助理教授万西甘蒂(Vamsi Ganti)领导的一组研究人员决定重新审视这种想法，他们的研究结果彻底推翻了这一长期存在的理论。该研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

志留系之后的河流沉积具有完整的地质沉积谱特征，包括古河道遗迹、洪泛区、泥岩和沿河床发育的沙丘形成的砂岩。甘蒂说:“然而，志留纪以前河流沉积物的谜团是，你所看到的只是沙丘沉积物。”从地质记录上看，没有任何明显的迹象能使河岸保持结构稳定。

基于这个原因，科学家们认为前志留纪的河流有陡峭的、多通道的水流。但是甘蒂和他的同事发现了这个模型的一个问题。大约10亿年前，地球被超大陆罗迪尼亚所统治，其他研究人员发现，其中一些河流跨越了超大陆的长度。甘蒂说:“这就产生了一个问题，因为非常长的、非常陡峭的河流必须来自非常大的山脉，而这些山脉很可能比现在的珠穆朗玛峰还要大得多。”而且根本没有任何证据表明存在这么大的功能。

甘蒂和他的同事决定重新审视这些过去的假设。“我们试图重建这些河流的深度和坡度，”他说。为了做到这一点，研究小组依靠那些由河流沙丘形成的普遍存在的砂岩。

含沙河流的河床上经常有起伏的沙丘。随着沙丘向下游移动，底部在地质记录中形成砂岩沉积。河流沙丘的高度随河道的深度而变化，地质学家可以根据砂岩沉积物的厚度重建河流沙丘的高度。

甘蒂和他的同事测量了苏格兰西北部著名的前志留纪河流沉积物的厚度，并从世界各地的其他前志留纪河流沉积物中收集了数据。他们发现这些河流平均有4到15米深。

甘蒂简直不敢相信这个结果。他说:“在没有植被的情况下，这些河流非常深，这对我们来说是一个非常令人惊讶的结果。研究小组回到他们的研究地点，苏格兰高地的托里多尼亚砂岩沉积物，进行了双重检查。“我在那里度过了两个夏天，我说，‘这不可能是真的。我应该去收集更多的数据。最终，该小组总共在该地点收集了大约2000个测量值。

研究人员接下来着手确定这些古老河流的坡度。幸运的是，砂岩沉积物有更多的信息。

河流沙丘只在狭窄的条件范围内保持稳定，因此这一时期沙丘沉积物的广泛性意味着河流的流动是在这些特定的条件下进行的。甘蒂解释说:“如果水流不够强劲，沙粒就无法移动，你就会得到一个平面，一个平坦的河床。”“如果水太大，就会把所有东西都冲走，你又会看到平坦的河床。”

水流的力是河流深度和坡度的函数，它决定了水流的速度。计算出深度后，团队现在可以计算出斜率。他们发现这些河流每10到100公里下降1米。“这基本上是平坦的，”甘蒂说，“这是个好消息，因为你不需要巨大的山脉。“事实上，这些梯度与今天的大河很相似。

甘蒂和他的同事们接着研究了这些河流是什么样子的问题:它们是形成一个单一的河道，还是一系列编织的河道?

甘蒂解释说，当河流变得比它的深度更宽时，就会开始编织，在河道中形成沙洲和岛屿。由于宽度随流经的水量的变化而变化，研究小组决定建立一个模型，来计算原始流域的降雨量。

托里多尼亚砂岩沉积的河流流经一个半干旱地区，该地区曾经在赤道以南，远至现代南加州以北。地质观测表明，今天的全球大气动力学在20亿年前就已经出现了。因此，甘蒂利用这一纬度地区目前的平均降雨量——最近由加州大学圣塔芭芭拉分校的弗朗西斯·麦克唐纳和洛林·利塞克编制——来估计古苏格兰可能会有多少降雨。

结果表明，这些河流具有单一的河道。甘蒂说:“如果罗迪尼亚半干旱地区的降水量比今天热带辐合带的降水量高出10倍，那么它们就有可能被编织起来。”如果不这样做，这些河流的排水面积将超过1亿平方公里。作为参考，目前地球上最大的分水岭，亚马逊河，大约有600万平方公里。

现在甘蒂面临的问题是，是什么给了河岸它们所需要的结构稳定性。泥浆是一种可能性，但研究人员还没有发现任何来自这些时期的河流泥岩。

最近，科学家们考虑了生物膜和微生物垫是否能够提供这种结构稳定性。初步结果表明，它们能承受的力与甘蒂在这项研究中发现的力相似。有证据表明，在托里多尼亚砂岩沉积过程中，陆地上存在着大量的微生物席。

目前，甘蒂正在建造一个水槽实验室，在那里他可以测试微生物垫所提供的凝聚力，并将其与泥土或植物根系之类的东西进行比较，以发展对这些系统的机械理解。

甘蒂说，了解早期地球上的河流在没有植被的情况下是如何进化的，甚至可以为了解火星上的水循环提供线索。火星的探索已经证明，在火星的远古时代曾有大规模的河流蜿蜒流过。他说:“这是另一个线索，它告诉我们，植物并不是形成这些单股河流的唯一途径。”