地球科學

地球最老的時間膠囊

教科書中說,地球在誕生的最初五億年是浸在岩漿裡的,這個觀點很可能錯了。地表冷卻的速率可能比科學家所認為的還要快,因此,海洋、初始大陸以及生命的搖籃,可能都是在更早之前形成。

撰文/瓦雷 ( John W. Valley )
翻譯/王季蘭

地球科學

地球最老的時間膠囊

教科書中說,地球在誕生的最初五億年是浸在岩漿裡的,這個觀點很可能錯了。地表冷卻的速率可能比科學家所認為的還要快,因此,海洋、初始大陸以及生命的搖籃,可能都是在更早之前形成。

撰文/瓦雷 ( John W. Valley )
翻譯/王季蘭


45億年前,地球處於剛形成的嬰兒時期,像一顆微弱黯淡的星星散發著光與熱,熾熱且呈橘黃色的岩漿海翻攪著地球表面,激起的岩漿不斷和巨大的岩石衝撞,這些岩石有的像小行星一樣大,環繞著也剛形成不久的太陽。這些碰撞的平均速度約是聲速的75倍,每次的碰撞都使地表燒焦,也使接觸面破碎、熔融,甚至讓地表裡的成份瞬間蒸發。


更早期的時候,較重的鐵自岩漿海中析出下沉,漸漸形成了金屬成份的地核,下沉時釋放出的重力位能足以把整個地球再次熔融。巨大隕石的撞擊持續了幾億年,有些撞擊所產生的隕石坑,直徑超過1000公里。同時,地底深處的放射性元素衰變,產生熱的速率是今日的六倍以上。


要使熔融的岩漿能夠凝固成地殼、陸地能夠形成、濃密大氣中的蒸氣能夠凝結成液態水、最原始的生命能夠演化與存活,在這之前,都得先讓地球那熾熱如火球般的狀態平息下來才行。然而,地球表面在火焰般的初生之後,究竟冷卻得有多快?多數科學家推斷,像這樣如煉獄般的環境維持了五億年之久,也就是我們一般稱為「超古元」的時期。支持上述論點的主要有兩項觀察與推斷:找不到40億年前就生成的完整岩石,而由化石得到最早的生命跡象,也比地球本身年輕許多。


然而,過去五年間,地質學家(包括我們威斯康辛大學麥迪遜分校的團隊在內)發現了幾十個古代鋯石礦物的結晶,它們的化學成份讓我們不得不改變對於地球起源的想法。這些歷久不衰的礦石,大小與這篇文章的句號差不多,它們有著不尋常的特質,因此結晶意外保存了其生成時環境的完整線索。這些微小的時間膠囊,封裝了海洋之所以適合初始生命居住的證據,或許也顛覆了一般認為大陸形成的時間,可能要往前修正四億年。


從19世紀開始,科學家嘗試計算地球冷卻的速率,但認為找到明確證據者少之又少。儘管岩漿海最初是在超過1000℃的環境裡流動與發熱,然而從熱力學計算中得到一個有趣的想法:地球形成初期其實沒有那麼激烈澎湃,而且地殼可能在1000萬年內就已在地球表面凝固生成。在地球固化的期間,內部漸漸變厚的固化岩層會隔絕內部的高溫,如果此時地球恰巧處於巨大隕石撞擊前後的平靜時期,而地殼也沒有變動,且早期溫暖的大氣也沒有箝制太多熱能的話,地球的表面溫度很可能迅速降到水的沸點以下。何況,早期太陽比現在要黯淡許多,散發的能量也較微弱。


不過,地球燃燒般的誕生是毋庸置疑的,再加上地質記錄上貧乏的線索,對大多數地質學家來說似乎就足以顯示地球曾經歷一段特別長的酷熱氣候。目前所知地球上最古老的完整岩石,是加拿大西北地區的艾加斯塔片麻岩,約在40億年前生成。但因為是在地底深處形成,所以未留下任何當時地表狀態的訊息。多數研究學者推測,在地球表面煉獄般的環境下,所有先前形成的岩石必定都毀滅了。目前所知最早在水面下形成(也就是相對較涼爽的環境)的岩石約是38億年前生成的,這些沉積岩出露於丹麥格陵蘭島西南方的伊蘇瓦,其中也蘊藏著最原始生命的證據(參見2003年5月號〈尋找生命的起源〉)。


1980年代,在澳洲西部的傑克丘與納瑞爾山區發現了幾顆稀有的鋯石結晶,定年結果可追溯到43億年前,因此成為地球上已知最古老的物質。從那時起,個別的鋯石結晶即開始對地球早期的形成過程提供進一步的訊息。但是,這些鋯石所蘊含的訊息似乎隱晦不清,部份原因是地質學家無法確定它們的母岩。鋯石結晶一旦形成,即使它們的母岩出露於地表並受到風化侵蝕而破壞,鋯石堅硬的特性使其得以存留,然後經由風或水的攜帶,將倖存的鋯石顆粒搬運了一段遙遠的距離,並埋入沉積的沙和岩礫內,成為固化沉積岩的一部份。事實上,在傑克丘發現的鋯石,就是深埋在名為傑克丘礫岩的化石砂礫層裡,而它們很可能是從幾千公里遠的地方被帶到那裡的。


因此,儘管找到這麼原始的地球殘片是如此令人振奮,包括我在內的大部份科學家仍然繼續採信地球年輕時的氣候是超古元狀態的觀點。直到1999年,隨著科技的進步,科學家得以對澳洲西澳省的古鋯石結晶做更深入的探究,這些新出爐的結果因而挑戰著傳統的智慧。



向深處挖掘


然而,澳洲的鋯石不是那麼容易就洩漏秘密。首先,傑克丘及其鄰近地區是一片荒蕪的瘠地,位在澳洲兩大牧羊農場Berringarra和Mileura邊緣,從澳洲最偏遠孤立的城市伯斯還要再往北走800多公里。傑克丘礫岩約在30億年前沉積形成,位處一大片年齡都超過26億年的岩層西北邊緣。為了找到極稀有的鋯石,我和同事從這些偏遠的岩層出露處蒐集了幾百公斤的岩塊,再搬回實驗室敲碎、挑選,就像在海灘上尋找幾顆特別的沙粒。


一旦從源岩中挑選出來,個別的鋯石結晶可能會拿去定年,因為鋯石是理想的計時器。除了具有很長的壽命,鋯石還含有微量的放射性元素鈾,會以已知的固定速率衰變成鉛。當鋯石從逐漸冷卻固化的岩漿中形成時,鋯、矽與氧原子會以一定的比例(ZrSiO4)結合,產生鋯石所特有的結晶結構,偶爾會有微量鈾元素形成的雜質。另一方面,鉛原子因為體積太大而不能隨意取代晶格裡的任一個原子,所以鋯石在剛形成時絕對是不含鉛的,也就是說這種鈾–鉛放射性時鐘,從鋯石一結晶就開始滴答滴答計時了。由於鉛與鈾的比例會隨著結晶的年齡而逐漸增加,因此科學家可判定一顆未經破壞的鋯石的年齡,而且誤差小於1%,若從地球初期開始算起,誤差約在4000萬年上下。


1980年代初期,針對單一結晶內特定部份做定年的技術首次出現,澳洲國家大學的康普斯頓(William Compston)與同事發明了一種特別的離子微探針。這台相當龐大的儀器戲稱為蝦子(SHRIMP, Sensitive High-Resolution Ion Micro Probe),正確名稱為靈敏性高解析度離子微探針。儘管大多數的鋯石幾乎都是肉眼所無法看見,離子微探針射出的離子束卻能夠很精準的聚焦,使一些原子得以從離子束所對準的鋯石表面激發出來。接著利用質譜儀對照這些原子的質量來測定它們的組成。康普斯頓的研究團隊,與皮吉恩、魏德和巴克斯特等人合作(他們後來都到澳洲柯廷科技大學了),在1986年首次完成傑克丘鋯石的定年工作。


我知道了這段歷史後,便與魏德連絡上。他答應重新為傑克丘鋯石做鈾–鉛定年,做為我門生佩克(William H. Peck)的博士論文題材,如今佩克已是美國科蓋特大學的副教授。1999年5月,魏德在柯廷科技大學,利用改良過的SHRIMP分析了56個從未定年的鋯石結晶,發現其中有5個樣本的定年結果超過40億年。而且,大出我們意料的是,最老的一個可追溯到44億年前。從月球和火星採集來的樣本也可能有相似的年齡,而隕石則多半更老,然而卻從未也不期望在地球上找到相當年代的岩石樣本。幾乎所有人都認為,如果真有這麼古老的鋯石,在超古元的活躍環境下,它們也早就破壞殆盡了。1999年時,我們還渾然不知最令人興奮的發現已悄悄出現了。


我和佩克翻遍了魏德從西澳帶回來的鋯石,因為我們在尋找地球上最古老、保存得最完整的氧原子樣本。我們知道鋯石所保存的證據,不僅包含了母岩形成的時間,也能透露母岩是如何形成。特別的是,我們運用不同氧同位素的比值,來推估岩漿與岩石形成時所歷經的溫度變化。


地球化學家計算了氧18(18O,具有8個質子和10個中子的稀有同位素,佔地球上氧含量的0.2%)與氧16(16O,常見的氧同位素,具有8個質子與8個中子,佔氧總含量的99.8%)的比,這些原子稱為穩定同位素,因為它們不會經歷放射性衰變,因此也不會隨著時間產生自發性的變化;然而,當結晶形成時18O和16O進入內部,18O和16O的比例會因結晶時周遭溫度的高低而不同。


在薄薄的大陸與海洋地殼(5~40公里厚)下方,是厚達2800公里的地函,此處的18O/16O值是最為人所知的。在地函內生成的岩漿,幾乎具有固定的氧同位素比。為了簡單起見,地化學家把地函裡的18O/16O值以海水的18O/16O值做校正並予以標準化,用符號δ表示。海水的δ18O定義為0,而在地函生成的鋯石其δ18O為5.3,代表它的18O/16O值比海水大。


這就是為什麼佩克和我在同一年夏天,帶著魏德的傑克丘鋯石(包括那五個最老的樣本)千里迢迢跑去蘇格蘭的愛丁堡大學,期待能找到δ18O值接近5.3的初始地函。在那兒,克雷文和葛蘭姆兩人協助我們操作一台不同類型的離子微探針,它是專門用來測量氧同位素比的儀器。我們在過去10年來曾聯手合作過好多次,讓我們的技術精進了不少,而且可分析的尺寸相當於我在威斯康辛實驗室的百萬分之一。經過11天不捨晝夜的分析及少得可憐的睡眠(這類艱難工作的典型情況),我們完成了測量,並且發現我們的預測是錯誤的,鋯石的δ18O值竟高達7.4。


我們簡直是嚇呆了。氧同位素的比值這麼高,有著什麼含意?如果這是從比較年輕的岩石樣本分析出來的,那這結果並不令人意外,因為這樣的樣本隨處可見。一般而言,在地球表面低溫環境中的岩石,若曾和雨水或海水產生化學作用,氧同位素比可能較高。一旦深埋並熔融成岩漿,那些岩石的高δ18O值仍然會繼續保持,並在接下來鋯石的結晶過程中,把此δ18O值保存下來。因此,要形成高δ18O值的鋯石與岩漿,液態水和低溫是必需的兩個地表條件,且目前所知沒有其他作用能造成這樣的結果。


在傑克丘鋯石中測量出如此高的氧同位素比,意味它比目前地球上已知最古老的沉積岩(在格陵蘭島的伊蘇瓦)至少還要再早四億年,地表上必定已有液態水存在了。若此推論無誤,那麼整個海洋很可能在地球形成初期就已經存在,使地球的早期氣候比較像是蒸氣浴般的環境,而不是超古元的一團火球了。


來自大陸的線索


然而,我們可以只仰賴幾顆微小結晶,就對地球歷史妄下難以證實的推論嗎?為了有更充裕的時間再次驗證,我們延遲了一年多才發表這項發現。同時間,也有其他研究團隊在對傑克丘進行調查。美國科羅拉多大學的莫契斯與他在加州大學洛杉磯分校的同事證實了我們的結論,因此緊接著我們就在2001年發表數篇專業性文章,敘述了這項發現。


鋯石可能潛藏著秘密,當這個發現在科學界散佈開來,所引起的興奮可想而知。在超古元世界那過熱環境的猛烈破壞下,沒有任何樣本可以倖存下來供地質學家研究,但這些鋯石卻指出了一個較溫和且為我們所熟悉的世界,也提供我們一個方法,來揭露這個世界的秘密。倘若地球的初始氣候涼爽得適合海水存在,那麼鋯石或許可以告訴我們,陸地與近代地球的其他特徵在當時是否也存在。為了有更多的發現,我們必須更仔細窺探鋯石結晶的內部。


即使是尺寸最小的鋯石,都含有其他的物質。這些物質是鋯石在一開始生長時就包裹在內,使鋯石圍繞著它們而漸漸成長。這些鋯石的包裹體可能揭露關於結晶來源的諸多訊息,像是結晶的生長型態及微量元素的成份。例如,當我和佩克分析那顆44億年前形成的鋯石時,發現它含有其他礦物,包括石英。這是個令人驚訝的發現,因為石英絕少出現在初始岩石裡,而且在最古老的地殼中幾乎看不見它們的蹤跡。石英大多來自花岡岩,而花岡岩通常存在於經歷過許多地質作用的大陸地殼中。


若傑克丘鋯石源自於花岡岩,那麼上述的證據便支持了一個假設──鋯石可做為地球上最初始大陸的樣本。然而,必須謹慎的是,即使母岩不是花岡岩,在岩漿結晶的最後階段仍然可以形成石英,只不過含量少得多。例如,在月球那樣絕不會有花岡岩或大陸型態地殼出現的地方,仍可找到鋯石及少許的石英結晶。有些科學家猜測,地球上最早出現的鋯石是否在像初始月球那樣的環境中生成,或是某些現在已不常見的因素,例如巨大隕石撞擊或深源火山作用所產生,但是還沒有人能提出令人信服的證據。


同時,其他與大陸地殼有關的線索來自微量元素(在鋯石中組成含量少於1%的元素)。傑克丘鋯石中的微量元素含量較高,它們與地殼固化結晶時最常產生的銪、鈰的模式相當,表示鋯石是在靠近地表的地方生成,而不是在地函裡。此外,依據放射性同位素釹–鉿比(常用來測定大陸地殼的形成時間)顯示,有相當多的大陸地殼早在44億年前就形成了。


古鋯石的分佈也提供了其他的證據。從傑克丘挖掘出來的某些樣本中,年代超過40億年的鋯石比例超過10%。而且,鋯石表面有遭受重度摩擦的痕跡,那與生俱來有稜有角的結晶面也變得較為圓滑,表示這些結晶離開原來生成的岩石後,曾經被搬運了好長一段距離。然而,除非它們本來的數量就很多,不然這些像沙子般被風吹送的鋯石在旅行了幾百或幾千公里後,為什麼仍可聚集在一起?再者,除非有又厚又穩定的大陸型地殼將它們保存下來,否則這些鋯石如何躲過遭熾熱地函掩埋或熔融的命運?


這些發現暗示,鋯石的數量曾經很豐富,而且源自一片分佈很廣的地區,例如一個大陸陸塊。若這推論屬實,則這最古老陸塊的岩石很有可能仍然存在,而且它將是個令人振奮的研究方向,因為科學家可能得以從這古老完整的岩石獲得寶貴的資料。


此外,古鋯石在年齡上的分佈也不均勻。它們的年齡集中在某一段時期,但卻找不到分佈於其他年代的鋯石。我之前的一位研究生卡波西,現在是波多黎各大學副教授,他發現這樣的現象甚至存在於單一鋯石裡,若把鋯石從中心向表面畫出許多區域的話,核心區域的年齡最老,約43億年前生成,越向外層包覆著的是越晚形成的鋯石,約是37~33億年前。鋯石自核心向表面,年齡越來越年輕,這現象其實是預料中的事,因為鋯石結晶是從中心開始長大的,不斷添加物質在結晶的表面上。然而某些特別的鋯石,中心與表面間有著相當大的年齡落差(也就是年代的間斷),顯示有兩個獨立事件發生,並且隔了相當長的一段時間。在較常見也較年輕的鋯石中,這樣「核心–表面」的年齡關係是地殼構造作用所導致,這是由於大陸地殼因構造作用而熔融,之後岩石中的鋯石又於岩漿中再生。目前有很多科學家都在嘗試,想了解是否因相似的條件而造就了傑克丘的古鋯石。


最近,美國倫賽萊爾理工學院的華生與澳洲國家大學的哈里森共同發表一項發現:這些古鋯石裡的鈦含量低於預估值,意味它們生成時的岩漿溫度必介於650~800℃。這麼低的溫度只有在母岩為花岡岩時才可能發生,因為花岡岩以外的岩石大多要在較高溫時才會熔融,而在這樣的母岩中形成的鋯石應該會含有較多的鈦才對。



永不消滅的鋯石


自從1999年我和同事分析了那五個傑克丘鋯石樣本的氧同位素比之後,支持我們結論的資料與數據迅速增加。在伯斯、坎培拉、北京、洛杉磯、愛丁堡、斯德哥爾摩和法國南錫的研究員,至今已用離子微探針測量了幾萬個傑克丘的鋯石樣本,試著尋找極罕見、超過40億年的鋯石,而其他的定年技術也加入了研究行列。


有數百個零星在傑克丘現場新發現的鋯石,它們的定年結果約在44~40億年之間。西澳省地質調查所的納爾遜和同事在傑克丘南方約300公里處發現了與傑克丘類似的古老鋯石。同時,地化學家也仔細探索著地球上其他的古老區域,希望能在澳洲以外找到第一個年齡超過41億年的鋯石。


密集且頻繁的搜尋古鋯石,也刺激了測量技術的精進。卡波西曾發表更精確的分析結果,並公佈超過20個含有高氧同位素比的傑克丘鋯石,這是低溫地表以及古海洋的徵兆,年代可追溯至42億年前。我和同事利用新一代離子微探針CAMECA IMS1280的原型機,持續尋找古鋯石,這台儀器2005年3月才安裝在我的實驗室裡。


倘若古鋯石所形成的岩石殘塊一一被辨識出來,很多懸而未決的問題將獲得解答。即使我們永遠找不到那原始岩石,我們仍可以從微小的鋯石時間膠囊中,得到許多寶貴的地質知識與地球歷史的新發現。


更多相關文章

2018年12月202期睡眠學習不是夢 雜誌訂閱

本期最新文章