互动科普

46亿年前，地球刚形成时，被汹涌炽热的岩浆及蒸腾的气体笼罩。这个“热海”中的某些区域最终冷却为硬壳，这些最初出现在地球上的坚硬岩石如同矿渣一样漂浮于白热的流体之上。不过它们只是一些小薄片，厚厚的大陆根（continental root）需要花更长的时间才得以形成。

至于大陆究竟怎样、花了多少时间起源和成长，至今仍是一个争论不断的问题。长期以来，科学界认为地球的内部动力是促使大陆形成的唯一原因，然而最近的发现催生出了一种“另类”观点——巨大的小行星撞击在大陆形成过程中同样扮演了积极的角色。

一个基本假设是，在地球幼年阶段频繁发生的小行星撞击事件到了距今约38亿年前后逐渐消失。至此，地球已经足够冷却，使得新生的海洋能够成为微小生物的安全居所。从那时起，严重的撞击通常被认为十分罕见，并且绝对只起到破坏作用。（想想恐龙的灭亡。）

然而，近期发现的、发生在距今38亿年到25亿年之间 ［即地球的太古宙 （Archean eon）］的一系列意想不到的大规模撞击事件，迫使科学家面临新的难题。小行星撞击地球素以摧毁地壳而恶名昭著，看起来与太古宙的地质特征不符，因为在整个地球历史中，太古宙是最主要的大陆形成时段。据估算，现今大陆地壳中有65%都形成于这个时期。

为了找到答案，地质学家正在搜寻远古的岩石记录，寻找线索来探求这些大碰撞如何塑造地球这一谜题。澳大利亚堪培拉国立大学的地质学教授安德鲁·Y·格利克松（Andrew Y. Glikson）经过40年的野外工作后确信，地外撞击确实帮助了地球上最早一批大陆的成长，其中就包括现今保存于南非和澳大利亚西部古老陆核中的那些残余物。

有许多科学家对格利克松的主张心存怀疑，他们认为能够反映远古地球所发生事件的直接证据极其缺乏，而且存在争议。不过，对大型撞击潜在影响的计算机模拟还是为格利克松的假说增添了一些吸引力。想要彻底修改对大陆早期演化的传统认识可能还为时尚早，但即便是对这个观点持怀疑态度的人也承认，现在是时候来思考这些来自太空的强大力量能产生什么结果了。

哇，陆地！

在太古宙小行星撞击的潜在影响受到关注之前，科学家花了数十年时间来破解大陆起源的奥秘。然而这些尝试总是遭遇麻烦，因为产生大陆是一个非常复杂的过程，要求构建起一个具有足够厚度和浮力、不会下沉回地球炽热内部的地壳板片。正是这个特质使得如今的大陆与大洋的地壳之间存在如此大的差异：洋壳相对薄而致密，富含铁，更容易下沉，大多数洋壳的年龄都仅有2亿年；构成大陆地壳的则是花岗岩之类的低密度岩石，正是这些岩石托着某些古老碎片，让陆壳在将近40亿年的时间里像海上的冰山那样漂浮着。

不同的教科书对地球首块大陆的形成有着不同的描述，一个常见的版本是这样的：

地球从形成之后就不断受到小行星撞击，这些撞击事件暂时平息之后，逐渐冷却的自然趋势促使地球表面不断凝固结壳。这时的地壳还是不连续的，由几十个在剧烈翻腾的岩浆中滑动的碎块组成。就像是在一盏熔岩做成的油灯中升起的火焰一样，炽热的地幔柱岩石逐渐上升，到达地表后稍微冷却，而后拖曳着那些原始的、高密度的地壳碎片一起下沉。与此同时，火山喷出地球的内部气体产生原始大气，雨水凝结从天而降，在固结了薄壳的岩浆之上聚集成浅洋。

大陆核形成之后，来自上升地幔柱的热量使一小块致密的地壳在下沉之前发生部分熔融，从而使熔点较低的轻矿物分离开来。因为比周围的岩石浮力更大，这些刚刚分离出来的岩浆易于上升，一旦变硬之后，这些更轻的岩石就很少再下沉回去了。

部分熔融过程反复进行，较轻的岩浆不断被分离，使花岗岩最终得以产生。要想了解这个过程发生的确切时间是不可能的，但至少地球最初1.6亿年中的一个线索被保存了下来：年龄约44亿年的一些微小锆石晶体从原始花岗岩中被剥蚀下来之后，沉积到了现今澳大利亚大陆上一层较新的沉积地层当中。

这些早期花岗岩的遗迹可能是最早生长得足够厚并高出早期海洋的岩石块体的一小部分。它们与如今占地表面积30%、平均厚度达35千米的大陆相比，肯定还有很大差距。早期的原始大陆慢慢地增厚加大，就类似于现今大陆那样：陆块间发生的碰撞将增厚的地壳拼合成为更大的块体，热地幔柱也触发新鲜的岩浆从下部上涌。

大多数地质学家都赞同，地球上第一块真正意义上的大陆出现在距今30亿年前：那是一个贫瘠的、火山遍布的小岩石堆，几乎可以肯定它的面积比今天的澳大利亚要小。现今澳大利亚和非洲的古陆核［又叫克拉通（craton），大陆地壳上古老而稳定的部分，在最近至少5亿年内的大陆会聚和分裂过程中几乎没有发生变化］也有可能是这个原始大陆的一部分。美国奥柏林学院 （Oberlin College）的地质学家布鲁斯·M·西蒙森（Bruce M. Simonson）指出，澳大利亚西部的皮尔巴拉（Pilbara）克拉通和南非风景如画的巴伯顿群山（Barberton Mountain）中的卡普瓦尔（Kaapvaal）克拉通“在地质上惊人地相似”。他花费了几个月的时间彻底搜寻了这两个地区干燥且灌木丛生的山坡上露出地面的岩层。“我确信巴伯顿和皮尔巴拉是一块大陆一分为二的产物，”他说。

由于炙热的地球内部在不断运动，在一些地方出现新生陆块的同时，原有的一些陆块又在彼此分离，因此，第一块大陆出现在地球上的什么位置尚不得而知。一系列证据明确的大陆分裂和合并相继发生，最终发展成现在这个布局。

到何处寻求认知？

地壳的板块运动清楚地解释了大陆从少年向成年的转变。然而这一转变之前发生过什么，尚存在很多的不确定性。这也是地质学家致力于从南非和澳大利亚的古老陆地中探求有关大陆诞生线索的原因。

相较于其他现代大陆的克拉通，卡普瓦尔和皮尔巴拉经历的变质作用（metamorphism）较弱，残留下了一些保存最为完好的太古宙时期的地壳遗迹。特别受人关注的是这些克拉通中的绿岩带（greenstone belt），它们是形成于距今35亿年到24亿年间的一类岩石构造，时间上与最早大陆的出现相当。

自上世纪70年代以来，大多数地质学家将绿岩带解释成这样一种远古地质体：它们类似于沿着碰撞地壳板块重叠边界分布的火山岛链，后来成为大陆陆块的一部分。地壳碰撞持续了数百万年，位于下部的板块下插到地球的炙热内部深处，形成了被称为“俯冲带”（subduction zone）的深沟。随着位于俯冲板块一侧的火山岛屿向海沟下沉，较厚的地壳部分被推挤到正在靠近的陆块之上，而不是和它们所属的地壳一起下沉，因此它们是被刮削下来的地壳顶部。内华达山脉（Sierra Nevada）和美国西部的其他山脉，正是以这种方式占据了北美西部。

然而，格利克松发现，这种现代的大陆生长形式无法解释在绿岩带中看到的所有地质特征。数年前，在详细研究南非和澳大利亚绿岩带之后，他发现绿岩带中年龄在35亿年到30亿年之间的最古老片段似乎全都经历了垂向堆积（accumulated vertically），即剥蚀下来的物质一层层堆积在由花岗岩岩浆向上推挤而形成的穹窿状地质体之间。而在两部分地壳发生碰撞时，沉积物和火山物质表现为水平方向的堆积——这种俯冲（subduction）的识别标志在那些绿岩带中根本就不存在。

实际上，缺乏俯冲的证据并不奇怪。大部分研究者认同，在太古宙初期即使已经存在板块构造活动，板块构造也可能起不到什么主要作用。当时地球更热，还不可能像地幔柱那样以对流的方式驱使板块运动。尽管如此，格利克松认为，肯定有一些快速事件参与了太古宙绿岩带中最古老部分的形成。绿岩带中各类岩石的具体年龄表明，大量的花岗岩体是在一系列突然的、界限清晰的时间段中完成就位的。但是，如果俯冲作用不是驱动力，那驱动力又来自何处呢？

这些难题迫使格利克松寻求新的途径来解释是什么塑造了太古宙的地貌。他意识到了一个曾经被大多数地质学家忽略的因素——小行星和彗星的碰撞产生的潜在影响。小行星撞击的高峰期大约是在39亿年以前，然而对月球环形山的研究表明，大规模撞击可以持续到距今约32亿年前。那些后来发生的撞击在地球上也存在么？寻找答案的第一步就是要识别出地球上也发生过这些撞击的证据。这些证据是否已经遭到破坏？还是地质学家曾经与之擦肩而过却没有把它们辨认出来呢？

固体撞击

1986年，两位美国地质学家回答了后一个问题。斯坦福大学的唐纳德·R·洛（Donald R. Lowe）和路易斯安那州立大学的加里·R·拜尔利（Gary R. Byerly）在他们每年的巴伯顿山脉（Barberton Mountains）绿岩带野外研究过程中，偶然发现了一个含有数百颗中空玻璃状小球的远古海洋沉积薄层。通过仔细观察，这些砂砾级的小球体看起来与证实一颗小行星在6,500万年前撞击地球并终结恐龙统治历史的另一些撞击球粒（impact spherule）一模一样。这些巴伯顿球粒（Barberton spherule）有32亿年历史，和在澳大利亚皮尔巴拉克拉通中找到的另一处球粒层一起，成为了证明一个巨大的地外物体曾经在太古宙猛烈撞击过地球的首个证据。

其他地方的证据也陆续被发现。洛和拜尔利知道，造成恐龙灭绝的那次撞击中产生的球粒层在全球都有发现，因此他们很快将澳大利亚球粒层与他们在巴伯顿发现的、发生在35亿年前的一次撞击联系在了一起。他们还在南非发现了另外两处年龄约为32亿年的球粒层。上世纪90年代初，西蒙森在对皮尔巴拉地区的含铁建造（iron formation，或称铁建造，是指一些富含铁的沉积岩，大多是前寒武纪形成的，其中至少含铁15％。）进行勘察时，同样不期而遇地发现了球粒层，从而将出人意料的小行星撞击系列事件扩展到了太古宙末期，即距今25亿年前。

带着可能存在远古撞击事件的想法去观察太古宙绿岩带，使这些地质学家能够从一个新的视角去理解小行星和它们带来的影响。根据这些球粒中含镁和富铁的组分，洛和拜尔利推断，这些脱轨的太空岩石很可能撞到了一个洋盆中的致密岩石，而且可能与球粒着陆的区域距离十分遥远。他们指出，他们在南非发现的每一个球粒层都伴有全球性海啸的迹象，这就进一步证实小行星撞击的地点是在大洋里，而不是在某一块已经暴露出来的陆地上。

格利克松指出，这些撞击的某些时间点与皮尔巴拉地区砾径达250米的块石（angular boulder）大量出现的时间吻合。如此杂乱无章的块体是地表沿该区域大型地震断层带上升并崩塌破碎的结果。实际上，密集而强烈的一连串地震作用，可能就是一次大规模小行星撞击造成的后果之一。

显然，发生在太古宙早期的撞击对地球而言不是小事。根据球粒的分布范围和与后来其他撞击产生的喷出物所作的对比，洛和拜尔利估计他们发现的撞击小行星是个大块头：直径为20到50千米。（做个比较，精确估算表明造成恐龙绝灭的小行星直径不超过15千米。）对小行星大小的这一估算给格利克松的观点提供了新的支持，即小行星会对大陆的形成起到作用。他很快开始关注起其他的岩石记录突然变化，这些变化的时间集中在他所认为的、具有特别意义的三次撞击，也就是那些洛和拜尔利在南非发现的、沉积物时间在32亿年左右的一系列撞击事件前后。

在最近发表的一篇论文中，格利克松发现这些撞击的发生时间与这些地区第一次高出海平面（即形成一个新陆块）的主要征兆出现的时间一致。确切地说，保留下来的撞击发生之前的岩石记录由厚的大洋地壳和形成于海底的沉积类型组成。他解释说，在小行星撞击频发期间，玄武岩岩层形成、隆升并受到剥蚀（erode），正是小行星碰撞引起的震动使这些剧烈变化很容易发生。相反，在这三次撞击事件之后形成的岩石，剥蚀的是那些只能在陆地上形成的岩石的残余部分。这一变化暗示在小行星撞击不久之后，地球内部的巨大力量使地壳上升露出大洋表面，花岗岩和其他大陆型岩石形成，最终被剥蚀。

格利克松进一步指出，小行星撞击本身就是这一剧变的动力来源。这一看法最关键的证据是，形成花岗岩的大量岩浆在大约32亿年前同时侵入了皮尔巴拉和卡普尔瓦地区。小行星撞击和这种新的岩浆形成在时间上非常相近，格利克松认为，这不仅仅是一种巧合，它们之间存在因果关系。他断言，它们那种改造地球的力量“造成了早期原始大陆的大范围上升和花岗岩岩浆的侵入，二者都成为了佐证，证明至少部分大陆地壳起源于剧烈过程”。一个关键性的问题是：怎样的加热过程使得岩浆产生？格利克松回答说：32亿年前的小行星撞击具有的破坏性力量改变了地幔对流模型，触发新的地幔柱上升，并从下方加热了地壳。

有益的评论

格利克松所持主张的可信度，在很大程度上依赖于脱轨小行星的大小。西蒙森指出，从地球内部运动方式的角度上看，一颗与造成恐龙绝灭的小行星同样大小的岩石充其量不过是“挡风玻璃上的小臭虫”。然而，如果太古宙早期撞击地球的小行星当真有这个大小的两倍，它们就能够产生更持久的影响。确切地说，如果撞击体的直径达到50千米，它的确可以改变地球内部的热流模型，美国珀杜大学的地球物理学家杰伊·梅尔森（Jay Melosh）说道。根据对假想的撞击所做的计算机模拟（梅尔森及其同事设计出这个模型原本是用于其他目的），梅尔森描绘了一个体积足够大的小行星在太古宙早期撞击地球并帮助大陆增长的过程（见对页的图框）。

在这一假设情境中，梅尔森设定让一个直径50千米的小行星以每小时20千米的速度撞向洋盆。这一撞击并未产生陨石坑，取而代之的是一个巨大的熔融岩石海，宽度和深度都约为500千米。如果这个小行星撞击产生的岩浆湖形成在一个地幔柱之上，它的高热量将抑制地幔柱上升并使之向周围区域偏转。一个地幔柱在致密洋壳下方发生偏转，可以产生新的岛屿，它们很久之后才会出现在俯冲带上，增加生长中的大陆地壳的厚度。假如转向地幔柱刚好位于一个已经包含有低密度岩石的原始大陆下方，这一新热源足以导致皮尔巴拉和卡普瓦尔之类的绿岩带中新鲜花岗岩岩浆的上涌，从而从下方增加大陆的厚度。

但是这一假设情境尚有很多不确定性，梅尔森警告说。想要在岩石记录中找到证据，证明一颗特定小行星造成了地幔柱偏转从而造就了特定的大陆雏形，几乎是不可能的。小行星碰撞产生的陨石坑很早以前就因俯冲或剥蚀而消失了。即便花岗岩的产生确实是由地幔柱造成的，谁又敢说它不是在小行星撞击之前就已经上升到了一个原始大陆下方呢？

最终，格利克松阐明了太古宙早期小行星撞击和新生岩浆爆发（其证据保留在现今大陆的古老碎片中）在时间上惊人的巧合。他将二者结合成一个可信的机制，用以解释天体撞击究竟如何导致这类岩浆的产生。洛说：“对于那些曾经发生过的事情，这是一个可能性很高的假说，但它仅仅是一种解释。”然而，毫无疑问，能够改造地球的撞击事件打断了地球内部的动力学过程，它们的激烈行为可能并不完全是破坏性的。