互动科普

与地球同龄的古老岩石

科学家发现了一些古老的岩石，这些岩石或许可以让我们一窥地球的初期阶段和生命诞生之初的景象。

撰文 卡尔 · 齐默（Carl Zimmer） 翻译 蒋青

但是，这个宁静的地方又的确是一片战场—— 一个科学界的战场。近十年来，对立双方的地质学家来到伊努朱瓦克，把野营装备和实验设备装上小船，沿着哈得孙湾的海岸线艰苦跋涉，最终到达绿岩带。他们的目的在于，弄明白这些岩石到底有多老。其中的一方，由美国科罗拉多大学地质学家斯蒂芬· J· 莫契斯（Stephen J. Mojzsis）领导的团队断言，它们有38亿年高龄。这个年龄的确古老，但并没能破纪录。

乔纳森·奥尼尔（Jonathan O'Neil）领导了加拿大渥太华大学的另一个团队，作为莫契斯团队的对手，他们宣称努夫亚吉图克岩形成于44亿年前。这个年龄将使其成为迄今为止在地球上发现的最古老的岩石。“最古老”的意义不仅仅是打破记录，更重要的是，如此古老的岩石还将告诉我们，在地球形成初期的狂暴环境里，坚实的地表是如何沉淀而成的，生命是在多久后开始“萌芽”的。这是地球历史中关键性的一章，然而时至今日，人类已有的知识还未能对此做出解答。

地球历史的最初5亿年（从45.68亿年前地球形成至40亿年前），雨水倾泻而下，汇聚成大洋；第一块陆地从海洋中升起，风干为大陆。彗星和小行星轮番撞击地球，一颗火星大小的未成形行星可能就在那时撞了过来，抛出的残骸变身成为了月球。但要排列这些事件的发生次序，地质学家手中的线索却是寥寥无几，仅有几块零星的矿物可以证明大洋可能比月球先形成。地质学家发现，他们的处境和给希腊哲学家立传的传记作家一样，得努力从残破的羊皮纸和经过转述的故事中榨取尽可能多的信息。

如果奥尼尔所言不虚，努夫亚吉图克岩的确有44亿年历史，那它就不是破碎的羊皮纸而是整部书了。上千亩岩石中的矿物等着被研究，它们或许能解开长久以来悬而未决的谜团。板块构造运动开始的时间比我们想象中还要早吗？还是在陆块和洋壳开始运移之前上亿年，地球就已经脱离婴儿期了？最初的海洋和大气，其化学成分是什么？地球形成后多久才有生命出现呢？

如果莫契斯是对的，那么地球历史最初章节的内容仍不得而知。但如果奥尼尔是对的，那么努夫亚吉图克岩将跻身于地质学最宝贵的财富之列。

被封印的时光

和所有组成地壳的岩石一样，努夫亚吉图克的岩石也大致由两条途径产生：某些情况下，细颗粒的物质沉积到大洋底部，被逐渐压实为成层的沉积岩（sedimentary rock）；而在其他情况下，熔融的岩浆从地幔涌出，在上升的途中冷却并结晶为火成岩（igneous rock）。[火成岩又称岩浆岩（magmatic rock），分两类：喷出地表者为火山岩（volcanic rock），又称喷出岩（eruptive rock）；未及喷出地表即冷凝结晶者称侵入岩（intrusive rock）。因此火成岩与火山岩是两个不同的概念。]

地球上的古老地壳，像努夫亚吉图克地区这样原封不动保存下来的简直屈指可数，绝大部分都消失了。一些岩石经受了风雨的缓慢侵蚀后又被冲回海洋，成为新的沉积岩。另一些岩石则因为板块构造而回插到地壳下方，沉入炽热的地幔，像扔进热水中的冰块般熔融为一滩岩浆，不复原来模样；组成这些岩石的原子与原来的岩浆混合后重新上涌，形成年轻的新鲜岩石。

早期的地球会受到大尺寸小行星的撞击，使大部分地壳发生熔融，这样的事件也能抹去原始岩石存在过的痕迹。大约44亿年前，一次名为“大撞击”（Giant Impact）的灾难迫使地球抛出大量物质，这些物质在绕地轨道上聚集为月球。美国卡内基科学研究所（Carnegie Institution for Science）的理查德· W· 卡尔森（Richard W. Carlson）说：“大撞击很可能把地球弄得一团糟，没人愿意呆在那个时段的地球上，大家恐怕宁愿在金星上目睹这一切。”

太多古老的岩石由于这样或那样的因素被破坏了，样品罕见也就不足为奇了。这也是努夫亚吉图克备受珍视和热议的原因所在。此前，全世界只有几个地点的样品检测出了38亿年的高龄，而最古老的岩石则来自加拿大西北地区的苔原之上，可追溯到39.2亿年以前。

早期岩石的稀缺性，促使地质学家前仆后继地去寻找其他线索，来了解地球最初几亿年的面貌。在一种名为锆石（zircon）的细小晶体中就能找到这类线索。这种性质稳定、富含锆元素的矿物，有时会从冷凝的岩浆中结晶出来。此后，即使岩石本身被风化，一些锆石也能完好无损，就算它们沉降回大洋底部、与新的沉积岩混为一体也是如此。

锆石中的化学键可以捕获放射性元素（例如铀）的原子。这类原子的衰变过程严格遵守时间规律，就像时钟一样，地质学家可以利用这一特性来测量锆石的年龄。锆石晶体还包裹着其他化学物质，它们可以提供有关自身形成时地球面貌的线索。“锆石很棒的，它们可是封印时光的胶囊，”莫契斯说。

地质学家发现，在澳大利亚内陆地区沉积岩里散布着星星点点的锆石，它们的年龄非常古老，其中一些锆石（但不是周围的岩石）可追溯到44亿年前，是人们找到的最原始的地史遗迹。自2001年这些微小宝石被发现以来，科学家已经从它们身上努力获取了许多非同寻常的信息。它们的结构表明，最初形成锆石的岩石是在地表以下6 000多米处冷凝而成的。莫契斯和同事还在一些澳大利亚锆石上发现了水体留下的“化学指纹”。

科学家从沉积型锆石中攫取的信息远胜于无，但这点信息量，无法与结晶出锆石的原生岩石的信息量相提并论。岩石还包含有许多其他矿物，它们能够“合力”呈现出更多的岩石形成时期地球的情形。“除非你拿到所有时期的岩石，否则关于地球的故事就不完整，”加拿大阿尔伯塔大学的拉里· 海曼（Larry Heaman）说。于是，我们又得回头谈谈努夫亚吉图克了。

天上掉下的馅饼

加拿大魁北克省政府在20世纪90年代末开展了一项大型地质考察活动，以期绘制该省最北部区域的详尽地质图。这个地区拥有洋葱状的地质结构：中心是古老的大陆地壳，外面被一层层渐新的岩石所包裹。大多数岩石的年龄被证明为28亿年。但时为加拿大西蒙·弗雷泽大学博士生的皮埃尔·纳多（Pierre Nadeau），却从那儿带回了一块38亿年的样品。他非常幸运，因为他被派往了努夫亚吉图克绿岩带。“找到这些岩石就像被天上掉下的馅饼砸中一样，”纳多的同事罗斯·史蒂文森（Ross Stevenson）在2002年是这么告诉BBC的，那时他们刚发表了他们的研究结果。

其他地质学家开始长途跋涉，开赴努夫亚吉图克。在这群朝圣者中就有奥尼尔，他当时还在加拿大麦吉尔大学（McGill University）攻读博士。他吃惊地发现，努夫亚吉图克的岩石和格陵兰38亿年的岩石在化学成分上非常相似。也许它们来自于同一块古老大陆。

为了查明岩石的化学特性，奥尼尔和卡内基科学研究所的卡尔森共同合作。卡尔森是一名为古老岩石精确定年的专家里手。要确定一块努夫亚吉图克的岩石是新是老，为它定年是目前为止唯一明晰的方法。科学家测定了岩石中放射性同位素的水平，这样就能确定岩石年龄了。放射性同位素是各类原子的变体，这些原子属于太阳系诞生前那片尘埃云的一部分。它们被固化为行星和流星体的一部分，当地球上的岩石开始结晶时，这些同位素就被封存其中。随着时间的流逝，同位素按照固定的规律衰变。测量这些同位素的剩余量就能揭示岩石的年龄。

奥尼尔和卡尔森在卡内基科学研究所的实验室里统计着不同同位素的富集程度。那时他们才开始意识到，努夫亚吉图克的样品有一些非常奇怪的特质。样品中有一种钕142同位素，这种同位素是由钐146衰变而来。现在的地球上已经没有天然的钐146了，因为它的半衰期很短，一些科学家估计只有6 800万年。“它老早就没了，”卡尔森说，“地球刚形成时才有钐146，是那颗促使太阳系形成的超新星将这种同位素喷射到地球上的。但在5亿年里它就已经衰变完了。”

卡尔森和同事发现，不同的努夫亚吉图克岩含有不同比例的钕142及其他钕同位素。这种同位素差异只可能发生于钐146仍然存在于地球上的那段时间。奥尼尔、卡尔森及其同事比较了这些同位素的比例，从而估算出岩石的形成时间，结果出乎所有人的意料——竟然有42.8亿年。这非常令人吃惊，他们发现了地球上最老的岩石。

 “我们完全没想到能有这样的发现，”奥尼尔说。他和同事在2008年报道了这一发现。在那之后他们又分析了其他样品。目前，他们估计努夫亚吉图克岩有44亿年的历史。

最古老的岩石？

奥尼尔和同事最初在温哥华举行的一场地质会议上宣布了他们的成果。莫契斯至今仍能回想起这个消息带给他的震撼：“我的下巴都要掉下来了。看看四周，大家都震惊了。我直想着‘这简直太怪了’。”

莫契斯觉得吃惊是有原因的。他也是紧跟纳多的脚步，前往努夫亚吉图克的少数地质学家之一。莫契斯和同事那时识别出了一条火成岩岩脉（也称岩墙，是呈狭长形、被周围岩石封闭起来的岩浆固结体），它是在地壳形成后才插入其中的，后来证明岩脉中含有锆石。回到科罗拉多后，莫契斯等人确定锆石的年龄为37.5亿年，这个结果和纳多原来38亿年的测量值非常吻合。

但是现在，奥尼尔却在莫契斯和其他科学界同仁的面前宣称，努夫亚吉图克岩要比他们检测的老5亿年。

法国高等师范学院（École Normale Supérieure）的伯纳德· 波登（Bernard Bourdon）是莫契斯的合作者，他向奥尼尔要了一些他的样品，并重新对其进行了测试。结果显示，钕的测量结果没有错。但莫契斯还是说：“我觉得这说不通。”

因此，莫契斯和他的学生于2011年重返努夫亚吉图克，以图更深入地研究该地点。他们测绘了奥尼尔检测样品的采样点周围的地形以及岩层情况，并在报道为44亿年的那片岩石中，发现了一些浅绿色的石英岩条带。莫契斯认为，利用这些石英岩条带，或许可以检验努夫亚吉图克岩是不是地球上最老的岩石。

地质学家在年轻的岩石中看到过相似的组合。海底火山喷发的熔融岩浆淌过大洋底部时，这类岩石组合便开始形成了。火山喷发有时会渐渐平息，来自陆地的沉积物便沉积于火成岩之上。接着火山又苏醒过来，用一层新鲜的火成岩掩埋掉底下的沉积岩。

如果在努夫亚吉图克也发生过相同的事情，那么石英岩就是由一块形成于火山休眠期的古老陆地的沉积物变化而来。假如石英岩中含有锆石，这些锆石就一定比周围的火山岩古老，因为它们经历过更久的历史。

 “我们在许多岩石露头上都是手脚并用地爬行着工作，”莫契斯说。经过多天的搜寻，他们找到了两块带锆石的石英岩，其中一块含有上千粒微小的锆石晶体。把这些锆石带回科罗拉多后，莫契斯通过检测发现它们只有38亿年。这绝对不是他们期望的、在“44亿年前的岩石”上得到的结果。

莫契斯的团队还从其他科学方向来处理努夫亚吉图克岩石的年龄问题。他们利用其他的地质时钟来测定年龄，例如测定镥元素衰变为铪元素的水平。通过这种方法，他们再一次将年龄定为38亿年。

所有的证据，让莫契斯讲出了另一个版本的关于努夫亚吉图克的故事：大约44亿年前，一些熔岩朝地表上涌并慢慢凝固。它们在结晶时捕获了若干钐146元素，这种寿命短暂的放射性元素在早期地球上还存在着。然而，古老的地壳随即被拽回地幔，地壳物质被加热以至于无法保持固态，但并非所有物质都与周围的地幔混合。少量未混合的物质被保存为与周边截然不同的熔岩团，具有独特的钕元素水平。最终，6亿年后的一次火山活动将它们重新喷出地表，新形成的岩石中包含着古老的熔岩团，也就带上了44亿年前的古老标记。

 “那些熔岩本身带有前世的记忆，”莫契斯说。于是，仅38亿年历史的岩石就好像有44亿年高龄了。

锆石之谜

莫契斯和同事在多个地质会议上公布了他们的结果，有时候他们还会和奥尼尔分到一个会场，而奥尼尔会陈述与之完全相反的观点——他认为岩石形成于44亿年前，而且从地壳成形开始就原封不动地保存至今。奥尼尔的团队返回努夫亚吉图克，他们补充采集岩样，使手中的古老岩石从10块增加到50块。无一例外，新得到的数据和该地点的最初估计年龄并不冲突。奥尼尔也不承认莫契斯等人用以证明努夫亚吉克岩为38亿年的证据。“我们在该地区的地质状况上意见完全相左，”奥尼尔说。

莫契斯是在石英岩层中找到锆石的，那么就以石英岩层为例。像努夫亚吉图克这样的岩石单元非常古老，在几十亿年中经受了强烈的变形，因此要辨别出组成该岩石单元的岩石类型十分困难。在奥尼尔看来，所谓的石英岩条带根本就不是石英岩，它不过是38亿年前插入古老岩石的岩浆冷凝而成的岩脉。所以，其中锆石的年龄和周围岩石的年龄毫无关系。“这没什么匪夷所思，也没有什么不同寻常，只不过是真的很老罢了，”奥尼尔这么评价自己的石头道。

作为古老岩石方面的专家，海曼认为奥尼尔等人做了一项很好的研究工作。他说：“我觉得他们的证据令人信服，工作也非常严谨、勤奋。”但是海曼也说，除非科学家能找到其他途径为岩石定年，否则一些问题就一直无法解决。也许某些包含铀、铅元素的矿物还“潜伏”在备受争议的努夫亚吉图克岩中，而测定铀铅比，则是最可靠的测定岩石古龄的方法，因为科学家对此有大量的经验。“只有有人在那儿找到合适的矿物，从中测定出一个古老年龄，科学界才会对那里裸露着古老地壳的说法更为信服，”海曼说。

生命起源之初

如果努夫亚吉图克岩真的有44亿年历史，奥尼尔相信，它们会成为我们认识早期地球的窗口，因为它们的成岩时间紧随“大撞击”发生之后。澳大利亚的锆石也在那时成形，结晶于地下数千米的地幔中。但奥尼尔认为努夫亚吉图克岩形成于地表，他说：“这些岩石的地球化学特征和大洋地壳很相似。”

如果真如奥尼尔所想，那就证实地球在大撞击后不久就拥有海洋了。奥尼尔还发现，岩石的化学特征与最近海洋底部新形成的岩石非常相近。这或许说明，全球海洋自诞生之时与今天相比，相差不大。奥尼尔甚至相信岩石已经表露出板块构造的迹象，这标志着，板块构造运动在地球历史中出现得相当早。

如果努夫亚吉图克岩形成于44亿年前的海底，那我们就能展望更激动人心的情形：它们说不定会透露生命起源的奥秘。目前的化石遗迹只能上溯到35亿年前。科学家从比之年轻的岩石中找到了细菌化石，但在更老的岩石中却什么都没找到。

然而，化石并非生命留下的唯一痕迹。细菌以碳元素为食，因此它们可以改变环境中的碳同位素的平衡状态，这种不平衡性可以由当时形成的岩石保存下来。一些研究者声称，格陵兰岛38亿年前形成的岩石中就记录着这种不平衡性，呈现出生命存在过的迹象。

但是，仍然没有证据表明，地球最初的7亿年中有生命存在。因此，科学家也说不好生命起源于地球形成后不久，还是拖了几亿年才出现。他们也没搞明白生命起源于地球的哪一地区。有些研究者认为，生物大分子产生于沙漠或潮水坑（tidal pool，主要出现在海岸潮间带，在高潮带也有出现，是海水在退潮时于低凹处贮留所形成的水坑，大小各异，干涸时间随每日低潮面的高度而异，水体物化条件变化大，常栖息着独特的生物群落。这些生物虽然来自外海，但其行为方式却常因潮水坑的条件限制而出现极大的变异），另一些人则宣称深海热液喷口才是生命诞生的摇篮。

如果努夫亚吉图克岩形成于44亿年前的海底，那它就会成为解决以上问题的最佳材料。奥尼尔希望通过与其他人的合作研究，查证这种岩石是否能在深海热液喷口处形成。他说：“我们不能小看这些岩石，它们可能是孕育生命的理想场所。”

莫契斯也痴迷于这份寻找最早生命迹象的工作，但是他会把目光投向努夫亚吉图克以外的地方。“我会把后半辈子的工作都用在这件‘无聊’的事情上，”他说。

莫契斯发现，自己与奥尼尔及其他人的争论确实催生了一大益处：在争论过程中大家都在发展更好的手段，以测量古老岩石的年龄。“这真是一场有趣的辩论，”他说。未来的地质学家将会在世界的各个偏远角落探险，从天涯海角带回神秘的样品，而那些新的测年手段将为他们掀开早期地球的神秘面纱。在这一点上，奥尼尔和莫契斯观点一致。“这些小块的古老岩石很可能遍地都是，”奥尼尔说，“只是我们很容易错过它们罢了。”

本文译者 蒋青是中国科学院南京地质古生物研究所助理研究员，古生物学与地层学博士，早年毕业于南京大学地球科学系，目前主要研究早期陆地植物及生态系统演化，对志留及泥盆纪维管植物化石学有所专。