从太空看,地球是一颗蔚蓝色的星球,这是因为地球表面的71%被水覆盖。地球之所以神奇,是因为她孕育了生命,并进化出了高智商的人类。出于科学研究和工业生产的需要,人类对地球历史开展了长期的探索,然而地球的最早期历史尤为扑朔迷离。地球的年龄为45.67亿年或稍稍年轻一点。45.67亿年是个什么概念呢?
如果把地球形成以来的历史浓缩为24小时的话,每一秒大约相当于54000年,那么人类文明史时间只有十分之一秒。地球形成之初地表布满流动的岩浆,称为岩浆海。要了解地球的最早期历史,最重要的是要找到那个时期的物质记录,但这又是十分困难的。首先是它们难以保留下来,因为地球的童年“多灾多难”。现在普遍认为,最早期的地球是一个“大火球”。地球的表面为巨大的岩浆海,没有岩石形成。
这个时间与陨石的形成时间大致相同或稍晚一点。在大约45亿年的时候,地球表面还没完全固结,一个火星大小的天体撞击地球,把地球的部分物质抛射到太空中,并在地球周围凝聚,形成了现在的月球。随着温度的逐渐降低,地球表面冷却成为固态,但仍遭受强烈改造,包括陨石撞击、风化剥蚀、变质变形、熔融再造,经过几十亿年沧海桑田的变化,最古老物质早已面目全非了。
就拿陨石撞击来说吧,只要看看我们地球的邻居月球就可以知道地球早期遭受了多么强烈的陨石撞击了。月球表面布满了陨石坑,最晚的一次强烈陨石撞击发生在39.2亿年前。当时的地球也一定经历过同样规模的撞击。其次,即使古老物质保留了下来,也是很难寻找和鉴别。茫茫大地,您到哪里去寻找呢?在辽宁鞍山地区,38亿年和36亿年岩石的外貌非常相似,看不出区别。只有分别获得了它们的绝对年龄,才能知道它们的不同。
那么,怎样才能获得岩石的年龄呢?就是利用放射性衰变原理。
放射性元素衰变现象是法国科学家贝克勒尔于1896年发现的。之后,居里夫人等科学家经过艰苦努力,发现了放射性衰变原理。例如,铀是一种放射性元素,衰变为铅元素。如果知道了铀和铅的含量,又知道衰变常数,利用衰变公式就可计算出年龄了。鞍山地区的奥长花岗质岩石,年龄分别是36亿年和38亿年。当然,还需要有测定的对象。这里要隆重介绍一下锆石。
因为有了它,寻找地球最古老物质才成为可能。锆石是一种从岩石中分选出来的矿物,十分稀少,在花岗岩中相对多一些,因此锆石成为铀-铅定年的“不二人选”。但是,锆石颗粒非常小,与成年人的头发丝差不多大小,这就给研究带来困难。此外,由于普遍遭受后期强烈改造,古老锆石的内部结构特别复杂,使得研究难上加难。但是这些困难阻止不了人类探索的步伐。
1973年,澳大利亚科学家康普斯顿和克勒门特设计了一台仪器——“离子探针”,取英文名称的每个英文单词首字母简称为“SHRIMP”。这是一种微区原位定年方法。1980年,仪器研制成功。1983年,SHRIMP成功地测定出了一个41亿年的锆石年龄,这是当时地球上获得的最古老年龄,引起了轰动。目前世界各地大于40亿年的锆石的发现几乎都是依靠微区原位铀-铅定年方法。
地质学家将地质年代划分为冥古宙(>40亿年)、太古宙(25亿年~40亿年)、元古宙(5.4亿年~25亿年)和显生宙(<5.4亿年)。冥古宙是地球历史中最早的一个时期,从地球形成到40亿年前。到目前为止,全球范围内也只有不到20个地方发现了冥古宙时期的锆石,也就是年龄超过40亿年的锆石。冥古宙的英文单词是Hadean,这个词还有“地狱”的意思,用来说明多灾多难的地球童年真是再合适不过了。
冥古宙时期的锆石通常在太古宙岩石中找到。然而,这种古老的锆石真是凤毛麟角,寻找它犹如大海捞针,这与陆壳物质遭受了多期内外生再循环的“稀释作用”有关。最重要的发现是在澳大利亚西部一个叫杰克山的地方。这里的变质砾岩中发现了大量冥古宙锆石,其中还发现了迄今为止最年长的锆石——它已经有44亿年了。
中国地质学家也对最古老陆壳物质的研究作出了重要贡献。
在中国大陆,至少4个地区发现了冥古宙时期的锆石,年龄为40亿年~41亿年。这些锆石来自花岗质岩石,这说明在40亿年~41亿年的时候,地球上花岗质岩石分布已经很多了,也就是说大陆壳已有了相当的规模。地质学用“克拉通”一词指代“古陆核”,也就是大陆地壳稳定的构造单元。华北克拉通是中国大陆最古老、规模最大、研究程度也最高的克拉通。目前已有三个地区发现38亿年岩石,古老锆石在更多地区被发现。
最后把地球童年成长史作个小结。45.67亿年前,地球和太阳系的其他天体一起从一团星云物质中冷凝形成。在婴儿期就遭受到一次巨大的撞击,形成了自己的伙伴——月球。在地球形成2亿年以后,地表炽热的岩浆海开始冷凝,最古老的大陆地壳形成,并不断扩大。期间也遭受了频繁的陨石撞击。大约38亿年~40亿年前,最古老的生命出现。地球的发展进入到一个崭新的阶段。
尽管目前通过先进的离子探针锆石测年技术,我们不断发现地球童年的遗物,但是还有很多未解之谜等待人们去探索。作为地球科学的研究人员,我们的体会是很多科学发现都带有偶然性,但是成功总是等待着有准备的人。特别希望广大的地质爱好者能保持对地质学的兴趣和好奇心。说不定您什么时候不经意找到的一块石头,可能就是一个重大发现。