小飞机向右倾斜。从我位于左舷侧的座位上，我可以看到它的影子掠过冰面。滑雪板使它看起来很像一只降落在水面上的鸭子，伸出蹼足。当飞行员拉平飞机时，一座巨大的悬崖映入眼帘，其岩石的深棕色与纯净的冰雪白色形成了鲜明对比，冰雪融入了地平线。
这座前寒武纪砂岩的陡峭倾斜层因手风琴般的褶皱而变形。我拍了几张照片。当我们绕过悬崖时，另一座悬崖又映入眼帘。在砂岩顶部覆盖着一层薄薄的岩石，几乎和背景一样白：寒武纪石灰岩。“真迷人，”我再次举起相机时心想。“这里的基本地质结构与北美西部非常相似。”
我和我的同事来到南极洲的彭萨科拉山脉，研究这个冰冷大陆的两个地质分区——东南极洲和西南极洲——如何相互关联。东南极洲是一个古老的前寒武纪地盾，位于澳大利亚、印度和非洲的南部；西南极洲是地质年代较新且活跃的火山“火环”的一部分，该火环环绕太平洋。东南极洲地盾的隆起边缘沿着跨南极山脉与西南极洲相遇，彭萨科拉山脉是其北部延伸部分。
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这是一次漫长的旅程：从洛杉矶乘坐商业喷气式飞机到新西兰需要14个小时，从新西兰乘坐配备滑雪板的大力神运输机到南极洲的麦克默多站需要10个小时，最后，横跨大陆到达彭萨科拉山脉需要5个小时，途中绕过了南极。现在，在建立我们的基地营地后，我们终于来到了靠近洛杉矶海滩的同一海洋南缘的山脉。
然而，我们仍然必须到达岩石区。在南极洲，这样的远足需要时间。在选择了一个可能的无冰隙着陆点后，我们的飞行员驾驶双水獭飞机进行了“滑雪拖曳”。也就是说，他将部分重量放在起落架上，但保持足够的空速以便再次起飞。我们绕着圈子，仔细检查了这些轨迹。冰隙可能隐藏在雪下，但这里没有明显的蓝色裂缝迹象。再次绕圈时，我们着陆并迅速停了下来，以减少撞击雪下粗糙冰面的机会。尽管如此，这还是一次颠簸的着陆，尽管飞机似乎只遭受了表面损坏。为了安全起见，我们用绳子将自己绑在一起，开始穿过被风吹起的雪地走向悬崖底部，留下焦虑的飞行员检查飞机。
化石线索
彭萨科拉山脉中暴露的两种岩石类型之间的界限是地球历史上最基本的界限之一。在地球诞生于45亿年前之后，是被称为前寒武纪的40亿年时间间隔。大约在7.5亿年前的这个时代的末期，当第一批软体多细胞生物正在进化时，我们刚刚看到的底层帕图森特组的棕色砂岩被沉积下来。这些地层沉积在一个在大陆地盾内张开的地堑谷中。随着地堑加深，河流涌入，将其侵蚀的土壤倾泻到谷底。
大约5.4亿年前，多细胞动物生命的爆发迎来了寒武纪时期。无数圆锥形的古杯动物骨骼聚集在浅海中，这些浅海已经蔓延到砂岩之上。这些骨骼沿东南极洲的边缘形成了一个珊瑚礁，最终转变成石灰岩。（帕图森特组上的覆盖层被称为纳尔逊石灰岩。）由于古杯动物是暖水动物，因此现在的东南极洲地盾西缘在寒武纪时期一定位于热带纬度地区。
导致帕图森特砂岩沉积的裂谷事件反映了东南极洲与某些其他大陆地块的分离。这次分离大约在7.5亿年前打开了太平洋盆地。（随后，来自岛屿火山的火成岩和从俯冲洋底刮下的物质增生到东南极洲上，形成了西南极洲。）这次裂谷发生在超大陆盘古大陆形成之前很久——盘古大陆是现在的各个大陆从中分裂出来的——盘古大陆仅在古生代末期，大约2.5亿年前才组装完成。它在大约1.7亿年前的中生代侏罗纪时期开始分裂，形成了大西洋和其他年轻的海洋盆地。
当我们沿着山脊向上走向悬崖顶部时，我们看到寒武纪地层的最底层——位于石灰岩下方——是由粉红色的砾岩和粗砂岩构成的。随着海洋蔓延到不断加深的地堑和下沉的边缘之上，它将前寒武纪岩石磨成了巨石、卵石和沙粒。当我们向上攀登时，沉积物变得更加细粒，紧靠纳尔逊石灰岩下方的石英砂岩看起来像老朋友一样。它们充满了被称为Skolithus的垂直虫孔。
这些管状结构是古代滤食动物的唯一痕迹，它们从沉积物中提取营养物质，并在其洞穴周围留下粘土残渣。“就像北美西部一样，”我大声说道，“但也像苏格兰西北部的杜内斯岩石一样。”事实上，大约5.4亿年前海水蔓延覆盖了大部分大陆所沉积的地层——例如威斯康星州等地存在的寒武纪海岸线所表明的那样——在所有大陆上都非常相似。
匹配的山脉……
然而，没有什么比亲自体验岩石更能激发地质学家的思考。我对1987年跨南极山脉的第一印象提出了一个问题，这个问题一直萦绕在我的脑海中：在前寒武纪末期，南极洲从中分裂出来的大陆是否可能是北美西部？或者在那个遥远的时代，它们边缘是否仅仅处于更古老的太平洋盆地两侧的相似环境中？
答案具有深远的影响。当时的全球古地理（“古”是地质学家用来表示“历史”的前缀）目前仍是个谜。了解大陆是如何分布的，可以为寒武纪时期之前发生的巨大环境变化提供线索。在前寒武纪晚期，曾发生过几次冰河时代，海洋和（据推测）大气化学成分发生了巨大变化。多细胞动物进化了，预示着生物的繁荣，其中包括脊椎动物的遥远祖先，因此也包括人类的遥远祖先[参见安德鲁·H·诺尔的《元古代末期》；大众科学，1991年10月]。
在一个大陆会移动的动态星球上，要非常确定地绘制出古代地理分布图显然是困难的。阿尔弗雷德·魏格纳和其他大陆漂移理论的先驱注意到，北美洲和南美洲的几个山脉在大西洋边缘被截断，与欧洲和非洲的山脉在海洋对面整齐地对应起来。如今，磁数据和海洋底部的卫星图像显示了裂缝——看起来很像铁轨，大陆沿着铁轨滑动分离——使我们能够非常准确地重建超大陆盘古大陆。
许多证据表明，盘古大陆并非大陆的原始构造。当含铁岩石从熔岩中凝固时，它们会沿地球磁场的方向被磁化。北美洲和非洲的前中生代熔岩凝固岩石的磁化强度差异很大，这表明在早期，这些大陆是分开移动的。在盘古大陆的山脉中也发现了古代洋底的火山岩碎片，例如法马提尼亚带（阿根廷）、莫桑比克带（非洲）和较老的阿巴拉契亚山脉。这些早古生代和前寒武纪蛇绿岩——这些岩石被称为蛇绿岩——表明，当超大陆合并时，以前的海洋盆地关闭了。20世纪60年代，加拿大地球物理学家J·图佐·威尔逊被加拿大海事省份阿巴拉契亚山脉中存在的早古生代蛇绿岩所震撼，他问道：“大西洋是否打开、关闭，然后又重新打开？”
在重建盘古大陆之前的陆地构造时，我们无法从海底获得帮助。尽管太平洋盆地已经存在，但如此古老的海底早已被推到环绕盆地的大陆之下。因此，对于盘古大陆之前的陆地漂移，地质学家没有海洋“铁路地图”。我们必须像魏格纳在现代海洋学和卫星出现之前尝试重建盘古大陆时那样，转而求助于大陆本身的证据。
……和边缘
在盘古大陆内，存在一些古代大陆边缘，它们没有明显的对应物。北美洲和南美洲、南极洲和澳大利亚的太平洋边缘都是在前寒武纪末期，即7.5亿至5.5亿年前形成的。劳伦大陆——北美洲的祖先地盾——的阿巴拉契亚边缘也在那时与另一个大陆裂开。自从威尔逊提出他著名的那个问题以来，这个边缘的对应物通常被认为是西欧和西北非洲。但是，没有确凿的证据支持这种并置。
1989年，我带领另一次南极洲野外考察，作为美国主办的国际地质大会的一部分。这次考察的目的是帮助将南极洲地质学——长期以来一直是极少数特别耐寒的人（即使在地质学家中也是如此）的私人领域——带入全球地球科学的主流。喜马拉雅山脉、欧洲阿尔卑斯山脉、阿巴拉契亚山脉、落基山脉和许多其他地区的各种专家都参加了。
不久之后，其中一位科学家埃尔德里奇·M·摩尔斯在加利福尼亚大学戴维斯分校的图书馆浏览时，偶然发现了一篇由加拿大地质调查局的理查德·T·贝尔和查尔斯·W·杰斐逊撰写的短文。他们指出了加拿大西部和澳大利亚东部的前寒武纪地层之间的相似之处，并得出结论，加拿大和澳大利亚的太平洋边缘可能并置在一起。摩尔斯对最近的旅行很敏感，他意识到这将意味着美国和南极洲的太平洋边缘已经并置在一起，这个想法与我自己的想法相似。经过一番快速的图书馆研究后，他给我发了一张地图，突出显示了劳伦大陆和东南极洲地盾内部结构中的结构平行性。“这太疯狂了吗？”他问道。
位移大陆内部结构的相似性可以作为以前并置的有力证据。摩尔斯特别关注一份报告，该报告引用说，沿着跨南极山脉——在一个名为沙克尔顿山脉（以英国著名探险家欧内斯特·沙克尔顿爵士的名字命名）的地方——存在着年龄和特征与新墨西哥州和亚利桑那州大部分地区下方的岩石相似的岩石。他还指出，大约十亿年前的岩石，如格林维尔省的岩石——一条沿着北美洲东部和南部边缘延伸的古老岩石带，从拉布拉多延伸到德克萨斯州——在南极洲海岸附近被发现。他称他的假设——大陆曾经并置在一起的想法——为SWEAT，即美国西南部-东南极洲。
我的问题终于有可能得到解答，这让我兴奋不已，我使用德克萨斯大学奥斯汀分校我们研究所的PLATES软件重现了摩尔斯的重建。该程序允许我们将大陆碎片组合在一起，并以几何精度在全球范围内移动它们。不久之后，我的同事丽莎·M·加哈根和我消除了匹配边界的所有不确定性：两个旧裂谷边缘的规模和总体形状确实是兼容的。此外，德克萨斯州格林维尔岩石与亚利桑那州和新墨西哥州较老岩石之间的边界投射到南极洲——就在我知道冰层下存在类似边界的地方，在沙克尔顿山脉和威德尔海冰冻海岸线附近的一些微小岩石露头之间。看起来好像就在我脚下的岩石，那些构成德克萨斯州拉诺隆起的岩石，以及德克萨斯州州议会大厦所用的岩石，正在南极洲以电子方式重新出现！
如果北美洲的西缘与东南极洲和澳大利亚相连，那么一定有另一个大陆从阿巴拉契亚边缘裂开。现在在哈佛大学的保罗·F·霍夫曼和我已经提出，北美洲劳伦大陆地盾的东侧楔入南美洲的前寒武纪地盾，即亚马逊尼亚和拉普拉塔河之间。在计算机屏幕上操纵这三个地盾时，我突然想到，劳伦大陆的拉布拉多-格陵兰隆起可能起源于南美洲边缘智利和秘鲁南部之间的凹陷处，通常被称为阿里卡海湾。人们认为，隆起和海湾都可追溯到前寒武纪晚期。但是，虽然它们的大小和总体形状相同，但当阿巴拉契亚山脉和安第斯山脉升起时，它们都经过了广泛的改造。因此，不能期望获得精确的几何拟合。
结晶谜团
我的建议为安第斯地质学中长期存在的谜团提供了一种可能的解释。在原本年轻而活跃的秘鲁边缘，发现了19亿年前的结晶岩石。当时的加拿大皇家安大略博物馆的哈多尔夫·A·瓦斯特内斯对来自秘鲁南部海岸阿里基帕地块的锆石晶体进行了年代测定。他证明，当北美洲的格林维尔山脉形成于13亿至9亿年前时，这些岩石发生了高度变质。因此，它们可能代表了北美洲东部和南部格林维尔省向南美洲的延伸。
劳伦大陆东缘与南美洲相连的假设出乎意料地使我的职业生涯又回到了原点。我在苏格兰长大，并在苏格兰的岩石上磨练了我的地质学技艺。苏格兰西北部和不列颠群岛西缘外水下的罗科尔高原一直都是北美洲的一部分，直到北大西洋盆地几乎完全打开。苏格兰位于拉布拉多-格陵兰隆起的顶点。当（以电子方式）依偎在阿里卡海湾中时，我在20世纪60年代攻读博士学位时研究的苏格兰高地岩石似乎一直延伸到秘鲁和玻利维亚同样古老的岩石中。鉴于苏格兰高地岩石的研究非常透彻，它们可能为以前的北美洲-南美洲联系提供关键的检验。
假设SWEAT假设和泛美洲联系，我们可以尝试重建前寒武纪晚期大陆和海洋的全球分布。大多数地质学家认为，自前寒武纪晚期以来，大陆和海洋盆地所占的相对面积没有改变。因此，如果南极洲、澳大利亚、北美洲和南美洲的碎片融合到一个前盘古大陆超大陆中，现在被称为罗迪尼亚大陆，那么在其他地方一定存在广阔的海洋。在大陆内部捕获的蛇绿岩遗迹表明，这些海洋位于印度和今天的东非之间（莫桑比克洋）以及非洲和南美洲内部（分别为泛非洋和巴西利亚诺洋）。
在大约7.5亿至5.5亿年前之间，这些海洋盆地被摧毁，非洲、澳大利亚、南极洲、南美洲和印度的所有前寒武纪地核合并成冈瓦纳超大陆。正是在这段时间间隔内，太平洋盆地在劳伦大陆和东南极洲-澳大利亚陆地之间打开。对纽芬兰火山岩的同位素年代测定表明，劳伦大陆和南美洲之间的海洋盆地直到寒武纪初期才打开。因此，北美洲可能以两阶段过程分离出来。
重建北美洲的旅行需要一个重要的信息：古代岩石的磁化强度。这些数据使地质学家能够弄清楚岩石形成时的纬度和方向。但是，由于地球磁场是轴对称的，古地磁测量无法告诉我们岩石的原始经度。例如，来自冰岛和夏威夷的现代熔岩可能会在1亿年后向地质学家揭示这些岛屿的纬度和方向，但不会揭示它们经度的巨大差异。岛屿位于不同的海洋中这一点将不会显而易见。
劳伦大陆的传统重建总是将其阿巴拉契亚边缘置于古生代期间西北非洲的对面。我决定以不同的方式绘制北美洲与冈瓦纳大陆的关系，利用了大陆的经度不受古地磁数据约束这一事实。结果证明，北美洲可能在古生代期间绕南美洲进行了我的一位研究生所说的“末端运行”，从南极洲旁边开始。
当阿根廷拉普拉塔大学的路易斯·H·达拉·萨尔达、卡洛斯·A·辛戈拉尼和里卡多·瓦雷拉看到末端运行的草图时，他们变得兴奋起来。他们最近提出，当另一个大陆与冈瓦纳大陆碰撞时，可能形成了古生代山脉带，其根部暴露在阿根廷北部的安第斯山脉中。此外，这个法马提尼亚带的西缘包括含有北美洲特征的三叶虫的寒武纪和下奥陶纪石灰岩（介于5.45亿至4.9亿年前之间）。他们推断，这可能是北美洲在奥陶纪时期，即4.5亿年前与南美洲碰撞时留下的“地质名片”。
似乎在前寒武纪末期从南美洲裂开后，北美洲移动得相当远。在冈瓦纳大陆经历冰川作用的寒武纪时期，北美洲位于赤道地区。然后，洋底俯冲到南美洲克拉通之下，北美洲和南美洲在奥陶纪再次碰撞。我们认为，阿巴拉契亚山脉的较老部分，在佐治亚州突然终止，曾经与阿根廷的法马提尼亚带相连。这种构造将华盛顿特区置于奥陶纪中期靠近秘鲁利马的位置。
运行结束
在奥陶纪碰撞之后，大陆再次分离，显然在阿根廷西北部留下了带有其特征性三叶虫的北美洲石灰岩。我的阿根廷同事和我已经提出，这些岩石是从祖先的墨西哥湾，即瓦希托海湾撕裂下来的。最近，从石灰岩下方由安第斯火山带上来的岩块的年代测定约为10亿年，就像可能占据海湾的格林维尔省的岩块一样。
北美洲和南美洲大陆可能在北美洲最终与西北非洲碰撞以完成盘古大陆之前再次相互作用。研究秘鲁安第斯山脉古生代沉积岩的法国地质学家发现，它们是由必须从邻近陆地侵蚀下来的碎屑组成的。他们假设这个大陆占据了现在被太平洋覆盖的区域，是秘鲁阿里基帕地块的延伸。
然而，它可能是北美洲。正如德国海德堡大学的海因里希·巴尔堡所指出的那样，在南美洲西北部4亿年前（泥盆纪）的地层中，古代暖水北美洲动物群与南部非洲和福克兰群岛（马尔维纳斯群岛）的冷水动物群混杂在一起。连同北美洲东海岸线沿线的变形（称为阿卡迪亚造山运动）以及南美洲边缘沿线的山脉构造的截断，证据表明劳伦大陆在泥盆纪期间擦过南美洲西北部。在墨西哥瓦哈卡甚至还有带有南美洲三叶虫的奥陶纪石灰岩——另一张名片。只有在北美洲最终远离原始安第斯山脉边缘后，今天的安第斯山脉才开始发展。
大约1.5亿年后，北美洲返回与北欧、亚洲和冈瓦纳大陆碰撞。盘古大陆——以乌拉尔山脉、比利时和法国北部的阿莫里坎山脉、瓦希塔斯山脉和最年轻的阿巴拉契亚山脉为缝合线——从这些大陆的碰撞中产生。经过5亿年的奥德赛之后，北美洲终于找到了一个安息之地。但好景不长。在又过了7500万年后，它在盘古大陆分裂时与非洲分离，向其当前位置移动。
在1993年至1994年南半球夏季——在我第一次瞥见彭萨科拉山脉和北美洲奥德赛的微光六年之后——我回到了南极洲。这一次，我和我的同事马克·A· helper、两名研究生和两名登山运动员一起，探索了沙克尔顿山脉和靠近威德尔海的科茨地。根据我的计算机模拟，这是北美洲的格林维尔岩石在7.5亿年前投射到的地方。南极洲地质学家长期以来一直认为这些地区是异常的。
在我们结束对科茨地的访问时，我们用绳子将自己绑在一起，拿起冰镐，爬回到另一架小型飞机上。压在我们背包上的——以及飞机上的重量，飞机发出呻吟声升空——是我们当天收集的岩石样本。在我的同事沃尔夫·A·戈斯和詹姆斯·N·康纳利的实验室里，我们坐下来分析这些岩石。
有说服力的证据
我们关于盘古大陆之前地球样貌的想法，最初在1995年的本杂志中描述，激发了地质学界的许多活动。它们为前寒武纪晚期和早古生代时期的全球地理提供了第一个可检验的假设——单细胞生物进化成软体多细胞生物，然后进化成具有硬壳的无脊椎动物，最终进化成原始脊椎动物的关键时期。
在过去的十年中，对盘古大陆之前的罗迪尼亚超大陆的兴趣催生了研究中心和国际项目，以研究这个超大陆的组装、地理和分裂。这种科学热情的一个相关结果是“雪球地球”假说，该假说提出，在大约6亿至7亿年前，在罗迪尼亚大陆分裂和太平洋盆地形成时，地球被冰覆盖到海平面，一直延伸到赤道。
雪球地球假说提出了一个极端的全球环境，这对我们理解过去、现在和未来的气候提出了挑战。如果得到证实，这将意味着一个极其寒冷的时期直接先于大约5.45亿年前发生的多细胞生命爆发。由于预报员在设计计算机气候模型时依赖于大陆地块的分布，因此我们对古代超大陆的相当深奥的研究近年来显然具有了额外的意义。
由于缺乏盘古大陆之前的海底，以及来自大陆的证据的零散性，关于地球历史的这一时期的观点不可避免地存在分歧。一些专家甚至怀疑本文中描述的前寒武纪晚期罗迪尼亚超大陆的真实存在——这种怀疑很难与数千公里保存完好的前寒武纪晚期裂谷大陆边缘相协调。
其他研究人员使用了我们所依赖的相同数据，得出了关于这个前盘古大陆超大陆可能看起来是什么样子的截然不同的概念。例如，一些专家提出，美国西南部和墨西哥与澳大利亚东南部相连，而不是美国西南部和东南极洲之间的联系。一个较老的观点也被重新提出，即西伯利亚是从北美洲的原始太平洋边缘裂开的。尽管如此，两条证据说服我相信，我们关于盘古大陆之前地球样貌的概念是正确的。
首先是我们在1993年至1994年南极洲之行的成果：我们从科茨地获得的岩石样本。从这些岩石获得的古地磁数据显示，当这些岩石在大约11亿年前形成为火山沉积物时，南极洲的这部分可能与今天的北美洲核心相邻。这个年龄的广阔熔岩流暴露在苏必利尔湖附近，并在地下延伸穿过堪萨斯州到达特兰斯佩科斯德克萨斯州，即基威诺瓦省。尽管在非洲南部的翁孔多省也存在相同的沉积物，但我的同事吉姆·康纳利（在奥斯汀）和北卡罗来纳大学教堂山分校的斯塔奇·洛伊已经证明，我们的科茨地岩石含有与北美洲基威诺瓦省岩石相匹配的铅同位素——但与非洲翁孔多熔岩的同位素组成截然不同。
其次，越来越多的证据表明，阿根廷西北部前科迪勒拉山脉的下古生代石灰岩起源于北美洲——这是另一张地质名片，揭示了北美洲以前在南美洲太平洋边缘的存在。来自这两个大陆的工作人员分析了阿根廷前科迪勒拉山脉的岩石，明确表明它们起源于北美洲。
目前尚不清楚这种古代北美洲石灰岩是以类似马达加斯加的微大陆的形式到达南美洲，还是通过大陆-大陆碰撞造成的转移而到达南美洲——就像意大利在非洲和欧洲碰撞后很久才从非洲转移到欧洲一样。然而，无论它们是如何转移到南美洲的，这些石灰岩都提供了最强有力的证据，证明北美洲确实在古生代时期围绕南美洲太平洋边缘进行了末端运行[参见第17页的插图]，并且祖先的北美洲可能起源于现在的南极洲-澳大利亚和南美洲-非洲部分之间的前盘古大陆超大陆的某个地方。
作者 伊恩·W·D·达尔齐尔 自1963年在爱丁堡大学获得博士学位以来，一直在研究南极洲、安第斯山脉、喀里多尼亚山脉和加拿大地盾的地质。目前，他是德克萨斯大学奥斯汀分校杰克逊地球科学学院地球物理研究所的研究教授和副所长。1992年，达尔齐尔获得了伦敦地质学会的默奇森奖章。除了广泛的地质旅行外，他还喜欢与家人一起游览荒野之地。在奥斯汀时，他会在市区湖上划桨。