地球科學

史上最老岩石之爭

有研究團隊認為加拿大北部發現的古老岩石有44億年,可以藉此一窺地球的誕生和嬰兒時期。但是有另一個團隊卻認為那裡的岩石沒有這麼古老。

撰文/齊默(Carl Zimmer)
翻譯/邱淑慧

地球科學

史上最老岩石之爭

有研究團隊認為加拿大北部發現的古老岩石有44億年,可以藉此一窺地球的誕生和嬰兒時期。但是有另一個團隊卻認為那裡的岩石沒有這麼古老。

撰文/齊默(Carl Zimmer)
翻譯/邱淑慧

重點提要
■最近在加拿大哈德遜灣東北緣取得的岩石,可能是目前發現最古老的,不過科學家還在爭論這些岩石究竟是38億年還是44億年。如果是後者,那就很接近地球剛形成的時候。
■要解決這個爭論,必須改進定年的方法。
■如果這些岩石的年齡是44億年,它們可能據以說明地表如何成形、海洋何時形成,以及生命是在此之後多久才開始出現。

加拿大的努夫亞吉圖克(Nuvvuagittuq)綠岩帶看起來並不像戰場,那裡位在哈德遜灣(Hudson Bay)東北緣,寧靜、沒有道路通聯、與世隔絕,最近的城鎮伊努夸亞克(Inukjuak)遠在30多公里外。地表由海岸逐漸隆升為低矮的丘陵,有些覆蓋著地衣,有些則在冰河時期受到磨蝕而裸露。暴露出的岩石呈現美麗而複雜的延展與褶皺,有的岩石是灰色與黑色,夾雜細小的礦脈。其他的岩石則是粉紅色,摻雜著石榴石。整年中只有馴鹿和蚊子會來到這裡。

不過這個安靜的地方確實是戰場,科學的戰場。近10年來,抱持著不同想法的地質團隊來到伊努夸亞克,他們用獨木舟載運露營裝備和實驗器材,沿著海岸一路跋涉到綠岩帶,目標是要檢驗這些岩石到底有多老。其中一個研究團隊由美國科羅拉多大學地質學家莫契斯(Stephen J. Mojzsis)帶領,他們認定該岩石的年齡是38億年,相當古老,但沒有打破紀錄。

有個競爭團隊是由加拿大渥太華大學的歐尼爾(Jonathan O'Neil)領導,他們認為努夫亞吉圖克的岩石形成於44億年前,這使其成為目前所知地球上最古老的岩石。這麼古老的岩石將能告訴我們地球表面如何自狂暴的初生時期形成,生命又是在這之後多久出現,這是地球歷史極為關鍵的一章,但我們至今仍無法翻閱。

地球歷史的最初五億年,也就是自其形成的45億6800萬年前到40億年前,水氣凝結降雨形成海洋,第一個高出海平面的陸地成為大陸。在這時期,彗星與小行星撞擊地球,還有個火星般大小但未能形成行星的天體與地球相撞,撞擊後的殘骸形成了月球。但是地質學家對於這些現象發生的時間點所能掌握的線索很少,例如藉由礦物的幾個斑點說明海洋比月球還早形成。他們發現自己就像在撰寫古希臘哲學家的傳記,要盡可能從羊皮紙碎片和口耳相傳的故事中找出蛛絲馬跡。

但如果歐尼爾是對的,努夫亞吉圖克岩石真有44億年,他們所讀的就不只是斷簡殘篇,而是整本書了。有廣達數平方公里範圍的礦物可以研究,其中可能藏著探尋已久的秘密:板塊運動是否更早就開始了?還是在地球形成數億年後,大陸與海洋地殼才開始四處移動?早期大氣與海洋的化學成份是什麼?生命是在地球形成後多久出現的呢?

如果莫契斯是對的,那麼目前地球的最初章節就依然是緊緊闔上,無法窺探。如果歐尼爾是對的,努夫亞吉圖克岩石就是地質學上最珍貴的寶物。

線索就封存在岩石中

努夫亞吉圖克岩石和組成地殼的大部份岩石一樣,通常是以兩種方式之一形成:一種是細小顆粒沉澱到海底,然後逐漸壓密成為沉積岩層。另一種則是熔融的岩漿自地函上升,在這個過程中逐漸冷卻結晶而形成火成岩。

像努夫亞吉圖克岩石這麼年老的地殼,只有少部份依然是完整的,其他部份則都消失了。有些岩石因受風雨而緩慢侵蝕,流回大海形成新的沉積岩。其他有許多則是隨著板塊的隱沒而回到地殼下方,進入熾熱的地函而熔化,就像丟入熱池的冰塊般,岩石的原本特徵消失。它們的原子混在岩漿中,然後再次上升形成年輕的新岩石。

當巨大隕石撞擊地球時,會造成地殼大範圍熔融,這也是早期地球岩石消失的原因。約在44億年前,一個稱為大撞擊(Giant Impact)的事件使大量物質脫離地球,形成月球。美國卡內基科學研究院的卡爾森(Richard W. Carlson)表示:「大撞擊可能真的使地球一團糟,你不會希望自己當時在現場,而寧可希望在金星上隔岸觀火。」

既然有這麼多方式會破壞古老的岩石,那麼岩石標本稀少也就不意外了,這也就是為什麼努夫亞吉圖克的發現會如此珍貴且引起熱議。全世界只有少數其他地點有著38億年前的岩石,最古老的來自加拿大西北地方的苔原,年齡有39億2000萬年。

由於古老岩石很稀少,迫使地質學家尋求其他線索,來探索地球最初數億年的樣貌。其中有些線索來自結晶微小的鋯石(zircon),這些以鋯為主要組成原子的粗糙礦物有些形成自冷卻中的岩漿,當岩漿所形成的岩石風化了,有些鋯石可能依然保持完好,即使後來沉到海底並形成新的沉積岩。

組成鋯石的化學鍵可以抓住如鈾等放射性元素,這些原子的衰變是地質學家的時鐘,可以用來量測鋯石的年齡。這些晶體抓住的其他化學成份也可以提供線索,告訴我們當它形成時的地球是什麼樣子。莫契斯表示:「鋯石實在是很棒的時間膠囊。」

地質學家在澳洲內陸發現滿佈古老鋯石的沉積岩。其中有些鋯石(但不包含圍岩)的年齡達44億年,成為目前所發現可追溯地質史的最古老線索。自從2001年發現之後,科學家竭盡所能的從這些微小寶石中搾出可觀的資訊。由鋯石的構造顯示,形成時的原始母岩是在地表下約六公里深處凝固。莫契斯等人也在某些澳洲鋯石中找到由於水的存在所造成的化學遺跡。

科學家可以從沉積岩中的鋯石獲得資訊,這比毫無線索的情況真是好太多了,但是卻也遠遠不及可以從原始母岩得到訊息。岩石包含許多其他的礦物,綜合起來的線索可以呈現出形成當時地球更完整的樣貌。加拿大亞伯達大學的希曼(Larry Heaman)表示:「除非有岩石,否則你就沒有完整的故事。」這把我們拉回努夫亞吉圖克。

引起熱潮的發現

1990年代晚期,加拿大魁北克政府展開大規模的地質考察,首度繪製出該省北部地區的詳細地圖。這個區域的地質分佈像洋蔥一樣,中央是古老大陸地殼,周圍則是較年輕的岩石層層環繞,大部份的岩石經證實約形成於28億年前。但是卑詩省西門菲沙大學的博士候選人納道(Pierre Nadeau)運氣很好,被派往努夫亞吉圖克綠岩帶,帶回了一個定年為38億年的岩石。「發現這些岩石,有如是天上掉下來的禮物。」納道的夥伴史蒂文森(Ross Stevenson)在他們於2002年公開成果後接受英國廣播公司(BBC)訪問時如此表示。

其他地質學家開始長途跋涉到努夫亞吉圖克,歐尼爾就是朝聖者之一,他在馬吉爾大學取得博士學位,致力於比較努夫亞吉圖克岩石和格陵蘭38億年前岩石之間的相似度,它們可能屬於同一古老陸塊。

為了探究這些岩石的化學性質,歐尼爾和美國卡內基科學研究院的卡爾森合作,卡爾森是精確量測古老岩石的專家。要確定來自努夫亞吉圖克的特定岩石是否古老,唯一清楚的方法就是進行定年,因此科學家需測量岩石內放射性同位素的比例。放射性同位素來自形成太陽系的塵埃雲,隨著塵埃雲部份物質固化形成行星與隕石,當地球表面的岩石經由結晶過程成形時,放射性同位素便被囚禁在岩石中。隨著時間過去,同位素以如時鐘般規律的步伐逐漸衰變。量測現在衰變的程度,就可以揭開岩石的年齡。

在卡內基科學研究院的實驗室,歐尼爾和卡爾森整理出各種同位素的含量,發現努夫亞吉圖克的岩石標本並不尋常,其中具有同位素釹142,那是釤146的衰變產物。在地球上沒有天然的釤146殘存,因為它的半衰期短,在某些量測中只有6800萬年。卡爾森表示:「它現已不復存在。地球形成時有釤146存在,那是促使太陽系形成的超新星爆炸所注入的,但後來在五億年內就衰變消失了。」

卡爾森和同事發現,在不同的努夫亞吉圖克岩石中,釹142和釹其他同位素的比例不同。這樣的變化只有一個可能的原因,也就是當這岩石形成時地球上仍有釤146存在。歐尼爾和卡爾森等人比較這些比例,以估計這些岩石是在多久前形成,結果得到完全超乎他們意料的數字:42億8000萬年前!他們很驚訝自己竟然發現了地球上最古老的岩石。

歐尼爾表示:「這完全超出預期。」他和同事在2008年發表這項發現。在這之後,他們又分析了其他的岩石標本,目前估計努夫亞吉圖克岩石的年齡有44億年。

是很老還是最老?

歐尼爾和同事第一次發表這項結果,是在加拿大溫哥華的地質研討會上。莫契斯還記得當時這個新消息給他的震撼:「我的下巴都掉下來了。我看看四周,大家也都目瞪口呆。我心想:『這還真是奇特。』」

莫契斯會這麼驚訝是有特別原因的。他是最早前往努夫亞吉圖克、跟進納道研究工作的少數幾位地質學家之一。莫契斯和夥伴在當地找到一個含有鋯石的火成岩脈,該岩脈是在地殼形成後從底下貫穿地殼而出。回到美國科羅拉多之後,莫契斯他們量測出該岩脈中鋯石的年齡是37億5000萬年,與納道最初測得到的38億年相當一致。

但是現在歐尼爾卻站在莫契斯和地質學界面前,宣告努夫亞吉圖克的岩石比他們所測得的還老了五億年。

莫契斯的合作夥伴、法國高等師範學校的布爾敦(Bernard Bourdon)向歐尼爾取得一些標本,並且重新量測。釹的測量值是正確的,但莫契斯表示:「對我沒任何意義。」

所以在2011年,莫契斯和學生回到努夫亞吉圖克,進行更深入的研究。他們把歐尼爾取得定年標本附近的地表和岩層繪製成地圖,在歐尼爾報告中認為是44億年老的岩石處,他們發現亮綠色的石英岩帶。因此莫契斯決定找一個方法來測試努夫亞吉圖克岩石是不是地球上最老的。

地質學家曾在年輕許多的構造中見過相似的排列方式。當熔融的岩漿從海底火山噴出會在海底四處蔓延,有時當火山平息,來自陸地的沉積物覆蓋在火成岩上方,之後火山再次活躍,新的火成岩會覆蓋在沉積岩之上。

如果努夫亞吉圖克也是這樣的情況,那麼這些石英岩層應該是由火山平息時古老陸塊的沉積物所形成。如果該石英岩層中有鋯石,那這些鋯石應該比周圍的火成岩年老,它們的歷史較長。

「我們手腳並用攀爬過許多露頭。」莫契斯說。在搜尋了好幾天後,他們發現有兩個地區的石英岩中有鋯石,其中一個有著數千個微小的礦物結晶。他們把這些鋯石帶回美國科羅拉多,莫契斯發現它們的年齡是38億年。這可不該是在44億年老的岩石中預期會找到的結果。

莫契斯的團隊也用其他科學方法來探索努夫亞吉圖克的問題。他們以別的方法來定年,例如利用鎦衰變為鉿的情形,得到的結果依然是38億年。

這所有的證據,讓莫契斯構思出努夫亞吉圖克的新劇情。大約44億年前,有些熔融岩漿上升到地表後凝固,這時留住了些早期地球才有的短半衰期放射性釤146。但後來古地殼隱沒進入地函。這些物質因加熱而熔融,但是並沒有完全與周圍的地函混合,有一小部份保持了獨特的釹同位素比例,形成和周遭顯著不同的小區塊。在六億年之後,因火山活動而再次回到地表,形成的岩石因為含有一些古代時的斑點,因此具有44億年前的特徵。

莫契斯說:「這種熔融物質保有先前存在時的記憶。」因此,只有38億年的岩石可能呈現出44億年的特徵。

解釋鋯石的爭論

莫契斯和同事在一些地質學研討會中發表這些結果,有時歐尼爾剛好也在同一個研討會中發表相反的看法,亦即這些岩石是在44億年前形成,而且一直都是在該處的地殼內。歐尼爾的團隊已經返回努夫亞吉圖克,收集年齡介於10億年前到將近10億年以上的古老岩石並建檔,沒有任何新的資料與原本該處年齡的測量相牴觸。歐尼爾也反駁了莫契斯他們認為該處岩石只有38億年的證據,他說:「我們對於該地區的地質有非常不同的見解。」

來看看莫契斯發現鋯石的石英岩層。在努夫亞吉圖克這般古老的構造中,因為數十億年來經歷了嚴重的變形,要判斷岩石的種類並不簡單。歐尼爾完全不認為該石英岩層是石英岩,而是38億年前衝入古老岩石中的岩脈,因此其鋯石的年齡與周圍岩石的年齡無關。歐尼爾說,他的岩石「並沒有奇怪或不尋常之處,就真的只是很老而已。」

希曼是古岩石的專家,他認為歐尼爾和研究夥伴做了一項好的成果。他表示:「我認為他們的證據很引人注目,他們已經盡力調查了。」但是希曼也認為仍有些不確定性存在,有待科學家發現其他方法來對岩石進行定年才能解決。在這充滿爭論的努夫亞吉圖克岩石中,可能隱含了帶有鈾與鉛的礦物,這會是最可靠的方法,足以說明年代的久遠,因為科學家對其非常了解。希曼說道:「如果有人可以到那裡去發現正確的礦物並且定出更老的年代,那麼學界就更能接受那裡有古老的地殼裸露出來。」

生命開始的那一刻

歐尼爾相信,如果努夫亞吉圖克岩石確實是在44億年前形成,那麼將足以打開通往早期地球的窗口,因為它們是在大撞擊事件後不久就形成。澳洲的鋯石也是在當時形成於好幾公里深的地函內部,不過歐尼爾認為努夫亞吉圖克岩石形成於地球表面。他表示:「從地球化學特性看來,這些岩石確實像是在海底形成的。」

若真是如此,就能證實地球在大撞擊事件後不久就有了海洋。歐尼爾也發現這些岩石的化學特性與較現代形成的海底岩石非常相似,這表示當地球上的海洋最初形成時,和現在的海洋並沒有巨大的差異。歐尼爾甚至認為,這些岩石呈現出有板塊運動的跡象,也就是說板塊運動在地球歷史上很早就開始了。

還有個更令人興奮的期望是,如果努夫亞吉圖克岩石是在44億年前的海底形成,那麼它們可能為生命起源問題帶來一線曙光。目前化石線索停在35億年前,在這之後的岩石,科學家發現有細菌保存其中,但在比這年老的岩石中就一無所獲。

然而化石並不是生命會留下的唯一痕跡。當細菌攝取碳,會改變周圍環境中的碳同位素平衡,而這樣的失衡會保存在當時形成的岩石中。有研究人員宣稱在格陵蘭的38億年前岩石中保存著這樣的失衡跡象,意味著生命的存在。

不過這依然無法證實地球在最初的七億年有生命存在。因此科學家無法證明生命是在地球形成後不久就出現,還是延遲了數億年。他們也還不清楚生命是從地球上何處開始的,有些研究人員認為生物分子起源於沙漠或潮汐池,其他人則認為海底熱泉才是孕育最初生命的地方。

如果努夫亞吉圖克岩石真的形成於44億年前的海底,那就會是解決這些大問題的絕佳材料。歐尼爾希望和其他研究人員合作,以了解這岩石是否在海底熱泉處形成。他說:「我們不能忽略這些岩石。這是可能形成生命的理想場所。」

莫契斯也渴望尋找最早的生命跡象,但是他沒有冀望努夫亞吉圖克岩石。他說:「這會使我把研究生涯的後半耗費在沒有意義的事情上。」

不過莫契斯確實發現,他和歐尼爾等人意見不同是有好處的。在他們互相踢館的過程中,也發展出更好的方法為古老岩石定年。莫契斯表示:「這確實是精采的爭論。」未來新世代的地質學家,如果前往地球遙遠的角落並且帶回神秘的標本,將可以用這些方法來揭開重重簾幕,返回早期地球。至少在這一點上,歐尼爾和莫契斯是意見一致的。歐尼爾表示:「可能在很多地方,都有著這些古老岩石摻雜著,只是很容易被忽略而已。」