在地球形成的太初时刻,同时诞生了两个“月亮”。一个漂浮在九天之外,另一个则封印在地底深处。任时光辗转40多亿年,彼此长存长在,却相隔分明,无从相见。这故事随便说出来人敢信?可它的确是新近的合理科学猜想。甚至登上了最近一期《自然》的封面。
45亿年前,一颗火星大小的原行星——忒伊亚撞上了初生的地球;撞出去的物质,聚集形成了月球;砸进来的物质,至今深埋于地幔;两者都对地球乃至生命的演化产生着持久的影响。
地球历史的序幕在浩瀚的地球演化史里,月球的诞生足以位列第一章。46亿年前,在行星诞生前的时代,太阳系还是一片混沌的尘埃盘。无数的尘埃与石块、冰块频繁撞击,并在撞击中融合、翻卷,逐渐在尘埃盘中“搓”出了无数圆滚滚的小球。这些圆球中的一颗,便是我们初生的地球。
当原始地球诞生时,同时也有无数“兄弟姐妹”一并诞生在这狂乱的萌生之舞中,成千上万的新生小球们,在轨道上漫无目的地飘荡、飞掠,好不热闹!与今日只有8颗行星的孤独太阳系相比,简直是另一片光景。绝大多数初生的原行星,都没有活过太阳系最初的演化纪元。太阳系诞生早期的这场萌生盛景,在一开始,便注定是一场残酷的淘汰之局。
我们的地球自然也逃不过这样的命运。科学家认为,在诞生不到1亿年的时间里,地球就挨撞了。撞击者来头还不小,个头足足有今日火星那么大。当这太初版的“火星撞地球”发生时,无数碎片飞溅向太空。高速碎片逃离了地球的引力场,从此难寻踪迹;而那些低速的、没有突破地球引力场的碎片,则滞留在地球上空的轨道上,为重伤的地球点缀出了一副美丽的星环。
当构成星环的碎片也重复着同样疯狂轨迹,不断相撞、汇聚、“滚雪球”般徐徐增大后,一颗球状卫星便诞生了。这片不时即将孕育生命的大地上空,从此有了一轮明月。这便是著名的“大撞击”(Giant Impact)假说。而那颗袭来的原行星,被称为“忒伊亚”(Θε?α, Theia),月神之母。
有超级计算机模拟表明,这样一场大撞击可以在区区几小时内就形成月球。这个假说堪称完美,不仅与天体物理上的恒星系演化模型相吻合,甚至当人类终于有能力对真正的月岩进行化学构成、同位素构成分析时,也都发现它们大量表现出与地球本体的亲缘性。
在月球自身那几乎明明白白的来龙去脉面前,人们开始关注起另一个似乎被有意无意忽视掉的问题:大量碎片倒是飞出去形成月亮了,可那么大一个忒伊亚对着地球糊脸,它糊在地球上的那部分物质跑哪去了?
45亿年后,空间的另一头让我们暂时抛开与时间有关的种种,回到空间本身。哪怕对于足以将探测器抛向太阳系边界的人类,那里也是至今仍无从抵达的空间——地球深部。
固态地球分为3个圈层——地核、地幔、地壳。这3个形象的名词,仿佛让地球瞬间幻化为一颗漂浮在宇宙中的大鸡蛋。作为蛋黄的地核覆盖着厚厚的蛋白——地幔,表面又裱上一层薄薄的地壳,可谓形象之极。
可在地球科学家眼里,上述每一个圈层,都有着更加丰富的细节与结构。地核,又被分为坚实的内核和流动的外核。内核富集了太初时刻沉入地球最深处的放射性元素。它们不断衰变,释放出核能,为整个地球提供地质活动所需的能量。
与这个核反应堆直接接触的则是液态外核,滚烫铁浆活跃对流,构成驱动行星磁场的电动机。星球从此得以抵御太阳风,将射来的高能宇宙粒子变成无害的极光,静静抛洒在冰封的两极。
地壳,则承载着海洋与大陆,承载着生存在地球上的万物。这个裱覆星球的“蛋壳”,固定在地幔上部的刚性岩基上,构成岩石圈板块,在悠久的地质历史中分裂、聚合,徐徐漂移;时而星罗棋布,时而合众为一;控制着山岳的形成和洋流的迁徙,也控制着生灵的演化,种群分异。
唯独地幔,夹在两者之间的地幔,成为了一个不尴不尬的存在。地核成分相对均一,运行机理也相对好理解,时不时还会有外星地核残片陨落到地球上(铁陨石),为了解地核的性质提供了直接窗口。更上部的地壳,人类直接呆在地表搞地质或搞点钻探就可以“亲密对话”。
但地幔呢?这个均厚2900公里、占了地球体积将近85%的圈层,有着复杂的内部成分差异;明明固态为主,却能活跃对流。其复杂的对流样貌,在地球物理学家眼里足以媲美波斯地毯上精美的绣花纹。关键是——你还几乎接触不到。
上天容易,入地难。人们之所以能把探测器发到太阳系边界,能接收到数百万光年外的电磁波,是因为我们头顶是一片稀薄的太空。脚下这数千公里可是扎扎实实的固体世界。人类至今最深的钻探记录——前苏联科拉超深钻(Кольская сверхглубокая скважина),12公里,也只钻到了大陆地壳的一半不到。
既然肉身难往、占据科学观测半壁江山的电磁波也完全穿不透如此厚重的坚实岩体,那么只能靠大地自己想办法了。当大地自身活跃起来,将信息通过自身的撼动传递出来,我们方能一窥埋在地球深处中的种种谜团。此即为地震波,我们与大地对话的语言。
通过地震波,可以了解地幔深处的结构。地震波反映的信息很单调,主要是波速的变化。它基本原理也很简单:在不同成分或者不同密度的介质里,机械波传播速度不一样。就这么一个简简单单的原理,让人们“看”到了今日深埋在地幔底部的两个巨瘤。
它们的学名叫做大型低波速域(LLVP,Large Low-Velocity Province)。它形容的无非是地幔中地震波(尤其是剪切波)传递速度偏低的区域,换句话说,这两个区域内的物质构成,很可能跟周围地幔不大一样。
其实吧,这个东西本身不是什么新鲜发现了。地球科学家一直热衷于探讨它们在地幔对流中参与的角色。事情往往最怕往深了问。问深了,很多事琢磨琢磨就有点细思恐极了。
比如:它们为什么会在那儿?来自美国亚利桑那州立大学和加州理工学院的研究者袁迁博士(Dr. Qian Yuan)及其团队,在最近发表于《Nature》的成果里,就抛出了这样的解答——这两坨地幔里的“异物”,很可能就是当年忒伊亚糊在地球上的残骸。
显然,直接下去考察LLVP,或者指望什么超级火山大喷发把新鲜的LLVP捎带一小坨上来,都是不现实的。甚至这个时候,连地震波也显得爱莫能助——道理很简单:咱这个小地球也不能天天大地震不是。
这已然是科学的疆界,而突破边界的,是想象力和运算力的圆舞。很简单:在计算机里模拟地幔的物理参数,然后手搓一个忒伊亚糊上去,看看赛博忒伊亚是否会沉入电子地幔。于是它就真沉进去了,而且沉入后表现出的地球物理性质也跟今日的LLVP几无相异。
按说故事到此也就为止了,验证了科学家充满想象力、却又没有什么不对的想象。但LLVP本身还有一个不能忽视的特质——作为“异物”的它们,与周围地幔的物理性质差异十分显著,很容易在地核的加热下大规模上浮,突破周围地幔的阻力,然后一路升腾,直至冲击地壳、刺破地表。
在地球历史上,当类似的场景发生,刺破地表的巨量岩浆将诱发极端旺盛的岩浆喷溢,而同时期的生物圈,却发生了大规模的集群绝灭事件,一度抹去了高达70%、80%乃至90%的物种数量。地质学家把这样的升腾之流,叫做超级地幔柱(superplume)。眼下还没有人说的清楚,在不久的未来,它们究竟会不会再一次升腾。
亘古之物不时向生命世界亮出它蛰伏于地底的獠牙。尽管如此,LLVP及其孕育的地幔柱在地球历史上却着实算不上永远的破坏者。“地下之月”毕竟贮存着星核释放的光和热。在地球几度冰封的岁月里,或许是它为地球解了围,令地表重新恢复生机;在板块凝聚、大陆漂移几近停滞的周期里,或许是它重新驱赶板块们四处漂流,并重新创造了新生的大洋。
就这样,原行星的余韵,至今仍在我们的头顶和我们的脚下活跃着。忒伊亚的双子,深度融入了地球的演化历史。时而为其孕育,时而为其扰动,最终在智慧降临于世的时代,得以成为智慧生命的研究对象,从此在文明的记录里,留下了存在的想象与证明。
我们与“月之一族”的对话显然还要继续。为了过去,也为了未来。