“炽热火球”引争议

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  地球是太阳系中唯一已知存在生命的行星。它快速的自转与宫含镍铁熔岩的地核共同形成了一个巨大的磁气圈。在太阳风的吹拂下,磁气圈的形状被扭曲成水滴状。它与大气一同担当了阻止来自太阳和其他天体有害射线的任务。地球的大气层还使我们免受流星雨的袭击,太多的陨石在它们到达地面前已被安全烧毁。
  地球的年龄,如果定义为原始地球形成后到现在的时间,则可由岩石和矿物所含的放射性同位素来测定,根据岩石和陨石中铅同位素的精密分析,地球目前的寿命是46亿年。可是,目前没有一块岩石可以为地球最初6亿年前的面貌提供见证,这是因为地球的外壳非常年轻,它不断受到大气、水和生物的侵蚀,并在地质运动中不断地重建,使得第一批大陆的痕迹荡然无存。所以地球表面没有像月球那样坑坑洼洼地遍布陨石坑。
  长期以来,地质学家普遍认为,地球最初的6亿年应该是炼狱一般:一望无垠的岩浆在地表沸腾翻滚,天空中连绵不断地下着流星火雨,地球上没有一丝生命的痕迹……直到地球冷却到一定温度,大陆得以持久地固定下来,水汽冷凝聚成海洋,原先极其不宜生命生存的时代才宣告结束。已知最古老的岩石只能追溯到40亿年前,而最早的生命痕迹则不超过38亿年。而最近,德国大学矿物学院一位学生的惊人发现,可能会给这种观点带来致命一击。这位年轻的德国学生在澳大利亚西部杰克山地区一处丘陵发现的钻石,其形成年代经测定,竟然在42.5亿年前!它们也因此成为迄今在地球上发现的最古老钻石,之前的纪录是32亿年。这些古老的钻石不仅可能改变我们对地球的认识,而且也可能是我们星球早期生命出现的唯一见证。
  
  钻石来自哪里?
  
  然而更重要的是,发现这些几乎与地球同龄的宝石将使我们终于有望了解更多有关地球早期环境的情况,说不准还会给我们对生命起源的认识带来一场革命!不过,这些神秘钻石的来源还有待确认。这并不容易,因为“就目前科学所了解的钻石形成方式来看,我们可以作出好几种假设。
  钻石是在高温高压下形成的纯碳矿物。根据这种形成条件,地质学家们认为地球上的钻石有四种来源,其中最具“异国情调”的一种就是陨星。的确,某些陨星含有在太阳系外、地球诞生之前就已形成的钻石。它们坠落到地球上,也就留下了这些宝石。同时,陨星撞击地球产生的高温高压也能产生钻石,当然条件是碰撞区域里含有碳,或者陨星本身含有碳。德国学生发现的钻石是否就属于这两种来源之一呢?按理说不是,因为按照科学家长期的观测显示,这类钻石很小,它们的尺寸只是德国学生发现的钻石千分之一。
  星外来源被排除了,那让我们回到地球本身。钻石可以以两种方式在地球上产生。第一种方式涉及到绝大多数从矿山中开采出来的钻石,这些钻石在地底深处至少4×109帕高压(相当于大气压的4万倍)和接近1000℃高温条件下形成。其中有些在距地表700多千米的深处结晶,而后通过剧烈的火山喷发被带到地面上来。但这些来自地幔的钻石要比德国学生发现的大,而且形状也要规则得多。
  那么就只剩下最后一个可能的来源了:超高压变质岩。这些原本处于地表的岩石,在大陆板块对撞时,俯冲到地下150千米的深处,从而在高温高压的作用下,成为形成钻石的温床。它们随后又通过一种目前尚不明了的机制得以重返地表。这类钻石产地很少,只在中国和哈萨克斯坦的某些地区出现过。不过德国学生发现的钻石的确很有可能是这种现象的结果。因为她发现的这些钻石,颗粒非常之小,并且包含于锆石晶体之中。
  迄今发现的被包含在锆石中的钻石全部来自变质岩地区,与德国学生发现的钻石一样,它们也伴有石墨,这是岩层上抬时,钻石局部变质的表现。但是从结晶学的角度来看,这两种钻石并不完全相似。对于这些钻石的来源,目前科学家还难以定论。但肯定的是它们的确与变质岩地区发现的钻石最相像,这正是该发现的意义所在。如果未来的化学分析能够证明这些钻石的的确确来自于超高压变质岩的话,那将是一个惊人的发现。
  这将具有双重含义。首先,这意味着在42.5亿年前可能已经存在一个厚厚的、冷却了的大陆岩石圈,即一个坚硬的岩石层:其次,形成钻石的岩层通过类似板块运动的过程而被埋藏到地下150千米的深处。但通常认为那时的地球像一个到处流淌着炽热岩浆的火球,尚未被岩石所覆盖,怎么可能具备上述这两个条件呢?
  地质学家们目前正在对那个时期是否有大陆——哪怕是小小的旦存夕亡的大陆——进行激烈的讨论,远远没有想到可能存在这样一个岩石圈。有些科学家认为,早期地球可能存在几个大陆“胚胎”。当然不是像亚洲大陆那样规模巨大、岩层厚达100多千米的陆地!因为这需要非常长的时间来形成和冷却。
  争论的另一个焦点在于,要得到这些源自于变质岩的钻石,必须有板块运动,才能使得地表的岩石冲入150千米以下的地底深处。然而迄今发现的最古老的岩石,也无法让我们了解38亿年前是否有板块构造运动。但事实摆在那里,不管怎样,要形成这些钻石,必须有厚厚的岩层才能达到足够的压力,
  尽管我们不知道该岩层究竟是因板块碰撞还是通过某种未知的机制才被埋到地下的,虽然这一发现还未能获得完美的解释,但它无疑为早期地球要比我们想象要冷的观点提供了一条新证据。早在2001年,有些科学家通过对锆石中的氧同位素的测量研究,对传统的“炽热地球”观点就提出了异议。其研究结果表明,这些锆石所在的岩层,其表面曾受到过液态水的侵蚀。由此得出结论,认为虽然最古老的沉积岩只有38亿年的历史,但海洋早在43亿年前便已出现。这个重要的发现足以让“炽热火球”论者们重新审视自己的观点了。
  
  对地球的另一种认识
  
  既然有了适宜的温度,有了液态的水,那为什么不能有生命呢?生命存在必需的所有要素,在生命现象首次出现之前5亿年就已经全都汇集在地表上了。对于这个问题,新发现的钻石也可能带来意想不到的信息。因为钻石是由碳所构成的,而碳的来源之一正是生命体产生的有机物!根据所含碳同位素种类的多寡,我们通常可以鉴别出那究竟是有机碳还是无机碳,但并不绝对。传闻同位素分析已经完成。但在结果正式发表之前,我们无法得出更进一步的结论。不过,如果同位素的组成包含有机碳的成分,那么很多人将会认为这是地表生物活动的一个见证,尽管这种解释肯定不会得到一致认同……大家都急切地期盼着分析结果能在近期公布。因为这些古老的钻石不仅可能改变我们对地球的认识,而且也可能是我们星球早期生命出现的唯一见证。
  在锆石中发现钻石是不可辩驳的事实。但它们的形成过程还没有完全澄清,因此尚难以确定这一发现的意义。钻石之所以永恒,那是因为我们很难测出它们的年龄!事实上,钻石很少含有便于测定其形成年代的放射性物质。所以,42.5亿年并不是钻石的年龄,而是包裹它的锆石的年龄。锆硅酸盐在结晶时将放射性铀原子囚禁起来,而铀原子会以一个已知的速度衰变成铅原子,我们因而可以估算出锆石的年龄。由于钻石的年龄无法直接获取,因此关键就在于确定它们的形成年代是比锆石早还是晚。所以认为,这些钻石是在锆石结晶之前或同时形成的,所以它们至少是和锆石同龄的。但假如它们是在锆石结晶之后才结晶的呢?如果锆石中含有石墨,钻石是后来才由石墨形成的。那么在成为钻石的过程伴有巨大的体积上的变化。这样巨大的变化将会在锆石里留下痕迹。所以,作为对早期地球环境进行判断的必不可少的依据,这些钻石的年龄应该不容置疑。
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