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Sep. 11 2019

地球最古老岩石的奇幻月球之旅

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  • 說出來你可能不信,阿波羅14號太空人從月球上帶回了最古老的地球岩石。圖片來源:NASA

  • 傑克山崗的鋯石晶體,是迄今發現的最古老地球物質,形成了大約44億年前。但除了年齡以外,它無法提供更多關於當年環境的線索。圖片來源:John Valley, University of Wisconsin

  • 白色圈圈代表阿波羅系列諸任務的著陸位置;藍色區域內的月海便是雨海。圖片來源:維基百科;本文作者在此基礎上添加了雨海的範圍

  • 月岩14321號樣品「大伯莎」(Big Bertha)的野外原位照片,阿波羅14號太空人艾倫.雪帕德(Alan Shepherd)1971年攝於月球。圖片來源:NASA。

  • 今日的地月距離和39億年前的地月距離對比。如果站在當時的地表看月亮,會發現它比今天的月亮大差不多3倍。圖片來源:David Kring, 月球與行星研究所 / 月球科學勘測中心

  • 月岩14321號樣品中包含的地球岩石碎片。圖片來源:月球與行星研究所

  • 家,美麗的家。歐洲太空總署太空人提姆.皮克(Tim Peake)攝於國際太空站。圖片來源:ESA

最近,科學家找到了最古老的地球岩石,年齡超過40億年。然而,說起來有些曲折,這塊岩石是在月球上保存下來的,直到大約50年前才被阿波羅14號重新帶回到地球上來。這塊石頭的故事,說來話長…… 

說出來你可能不信,阿波羅14號太空人從月球上帶回了最古老的地球岩石。圖片來源:NASA

地球46億歲了,和太陽系各大行星幾乎一樣古老。46億年來,地球一刻不停地塑造著自己的環境,日日新又日新。在這個充滿活力的星球表面,還寄宿著一群同樣活潑的棲居者──生命。億萬年來,生命由簡單一步步走向複雜,並在復雜中一步步孕育出智慧。這是一個向前看的故事。我們叫它演化。

但處在演化進行時的智慧生命──人類,卻把頭扭轉180度,往回看了起來:他們想弄明白地球的歷史脈絡,想得到地球歷史原點的記憶。但很快,他們遇到了難題,這套支撐了生命不息演化的環境,對歷史檔案的保存卻是災難性的。在時間的長河裡涉足愈深,能夠解讀的檔案就愈發語焉不詳。至於地球出生時的細節,已經幾乎被它自己糟蹋完了。

活潑環境的代價

說穿了,昨日早已不在,想要挖掘舊日環境特徵,只能尋找在當時環境中對應形成的堅固記錄──也就是岩石。但在始終保持著活躍的地球上,永不停歇的風化作用讓舊日環境破碎磨滅,持續不竭的構造作用則讓舊日環境翻覆循環。在這些過程中,封存著遠古記憶的岩石史料,不是被地表的風雨磨成毫無意義的塵埃,就是被板塊的碰撞送入煉獄般的地幔,徹底融化,成為孕育新生岩漿的素材。

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想在這樣的艱難背景下一路保存至今,不僅僅需要物態上的穩定,大概也需要一絲絲的幸運。

迄今為止,地球上發現最古老岩石是阿卡斯塔(Acasta)片麻岩,年齡接近40億年。那46億-40億年前冥古宙的這段時間呢?對不起,史料空白。

只有在地質運動極其穩定的區域內,並且自身的物理化學性質也得極其堅韌──比如傑克山崗  (Jack Hills的那顆鋯石(zircon),才能有幸闖過冥古宙(Hadean)的一路蹂躪,勉強保存下來。但即便這樣的稀世遺寶,也不過就是一顆能報出44億年「讀數」的矽酸鋯晶體罷了。晶體只是成分固定的化合物,而岩石卻是在環境的綜合控制下,由繁多的化合物組裝而成的精細結構。晶體記錄的訊息量,根本無法與岩石同日而語。於是,除了記錄下年齡成為地球最古老結晶以外,人們也就不在那顆鋯石身上追問別的所以然了。

傑克山崗的鋯石晶體,是迄今發現的最古老地球物質,形成了大約44億年前。但除了年齡以外,它無法提供更多關於當年環境的線索。圖片來源:John Valley, University of Wisconsin

除了把目光投向時間的起點外,人們還在拓展太空的邊緣。我們的天然衛星——月球,自然成為接納人類雄心的第一站。接下來就是一幕幕熟悉的故事:露娜的來訪、阿波羅的登陸、嫦娥的飛騰。跨越兩個世紀的不竭探索,將一次次邁向未知領域的壯舉刻在科技史的長卷上,但值得記入史書的奇蹟,並不只有太空步和月球車,還有那些被帶回地球的珍貴月岩樣品。

在科學家手裡,那是另一扇足以叩響新世界的大門。

月岩第14321號樣品,由1971年登月的阿波羅14號太空人採自弗拉·毛羅環形山(Fra Mauro formation),是雨海(Mare Imbrium)隕擊事件中迸濺到月球表面的月岩碎片。幾十年後的今日,想挖掘月球歷史新篇章的人們,仍舊不減當年熱情地關注著他們。畢竟,它們是目前人們想接觸月球物質最方便的途徑了。(比起把人重新發射上去再搬一塊回來,在NASA那兒申請切一小塊回來研究的難度,顯然小太多了。)

近日,當人們從這塊珍貴的樣品上切下新的一小塊研究時,卻發現「切開的方式」有點不太對:怎麼感覺這塊不是月岩,而是一塊地球上常見的普通石頭呢?

阿波羅太空人顯然不可能大老遠飛到月球上去搞惡作劇。那麼,為什麼一塊地球石頭會封存在月岩內呢?而且這還不是最撲朔迷離的地方。更令人匪夷所思的是,由於雨海隕擊事件本身發生於距今40億年前,不難推想,在雨海事件中被砸出來的這些月陸殘片,形成的時間必然要比40億年前更早。這相當於承認:這塊地球石頭,在月球上被靜放了40多億年!

等等,40多億年前的地球岩石?這不正是回溯地球歷史的人們苦苦追尋的「聖杯」嗎?地球自身失落的記憶,居然出現在月球上?!

白色圈圈代表阿波羅系列諸任務的著陸位置;藍色區域內的月海便是雨海。圖片來源:維基百科;本文作者在此基礎上添加了雨海的範圍

不是月岩的「月岩樣品」

月岩第14231號樣品是一塊礫岩,由許多更小的獨立岩屑相互黏合而成。它有著一個有趣的暱稱:「大伯莎」(Big Bertha)。科學家開始注意到它的不對勁兒,是因為發現它的其中一塊岩屑的成分壓根無法在月球環境下形成。

是的,岩石這種東西,也是要分產地的。

月岩的種類可簡單了。以成分來看,你能在月面上找到的原生岩石,不外乎只有兩大類:斜長岩和玄武岩(如果不算從外頭飛進來的隕石)。斜長岩是構成月陸的主要成分,幾乎清一色由鈣長石這種單一礦物成分所組成。當月球最初還是一片岩漿海的時候,鈣長石逐漸從岩漿裡結晶析出,它們比重較小,全部漂浮到岩漿海的表面,相互連接,最終凝成月陸。而在隨後的歲月裡,剩下的岩漿也找到了機會湧出月表,充填了月面上的低窪盆地。這些岩漿一經凝固,就形成了所謂的玄武岩。由於富含鎂鐵,這些玄武岩顏色較暗,構成了我們今日清晰可辨的月面暗斑──月海。

而這次在「大伯莎」上切下的新碎屑,屬於上述哪一類呢?都不屬於。

它是一塊長英質岩,由石英(SiO 2)和鉀長石(KAl 3 SiO 8)組成。石英的析出,標誌著岩漿中二氧化矽達到飽和,這一條件在月球的原始岩漿中是遠遠達不到的。而鉀也是一種和原始岩漿相性很差的元素,只有岩漿中的鎂鐵質晶體析出得差不多了,它才會「極不情願」地從岩漿中結晶而出。這樣的條件,月球上的岩漿也是達不到的。

那麼,哪裡的岩漿能滿足這兩種成分結晶析出的條件呢?地球。事實上,以這兩種標誌性物質為特徵的長英質岩類,在科學家眼中幾乎是「地球岩石圈特產」的代名詞。此外,科學家還進一步測定了該岩石內部的微量元素特徵(它們與生成環境的對應關係更精確),發現這塊碎屑形成於氧含量較高而溫度相對較低的環境。在科學家眼裡,這照樣不是月球能夠提供的環境條件。40億年前,能完美滿足上述環境的地方只有一個,仍然是地球。

那麼,為啥一塊地球岩石會出現在月球上?而且,早在40多億年前就飛了上去呢?

月岩14321號樣品「大伯莎」(Big Bertha)的野外原位照片,阿波羅14號太空人艾倫.雪帕德(Alan Shepherd)1971年攝於月球。圖片來源:NASA。

億萬年前的「登月工程」

科學家回答這個問題的出發點,是一個放在本文裡似乎沒多大關聯的事實:月亮正在逐漸遠離我們。

阿波羅太空人登月時可不光踩了些腳印、搬回些石頭,他們還在月面上擺了幾面鏡子。從地球朝這些鏡子發射雷射,通過測量激光反射回地球所用的時間,人們就能計算出地月距離。幾十年來的測量顯示,激光返回地球的時間逐年都在變長。這意味著,月球每年離我們都更遠了。

N年之後它會飛到哪兒?別管這個。我們先回過頭想想:在過去,月球是否離我們更近呢?是的。天文學家經過推算發現,反推回40億年前的話,月地距離只有今日的1/3不到!

今日的地月距離和39億年前的地月距離對比。如果站在當時的地表看月亮,會發現它比今天的月亮大差不多3倍。圖片來源:David Kring, 月球與行星研究所 / 月球科學勘測中心

這個距離,對登月工程來說方便太多啦。只不過,彼時登月的不是人類,而是地球上的岩石。

40億年前,冥古宙,太陽系剛走出一片混沌的原行星盤時代,儘管大大小小的星球都已經逐步形成,但行星之間軌道的調整還是讓太陽系成為一片充滿危險的地方:軌道相交了怎麼辦?撞。軌到沒相交但鄰居偏移了怎麼辦?也得跟著調整,然後軌道改變,繼續撞。當時,密密麻麻的小隕石撞向原行星如同家常便飯;而原行星和原行星相撞也照樣氾濫。在這樣的環境下,說不定哪顆「粗魯鬼」某天就一股腦朝著地球撞過去了。撞擊過程的能量太大,砸碎了地殼,迸飛了無數地球岩石的碎塊。許多碎塊飛著飛著,就再也沒落下。

沒錯,達到第一宇宙速度,飛向星辰大海了。

其中一些「發射成功」的小石塊,在突破地球軌道之外,很快就遇到了近距離守在地球上空的大月亮。月亮說,還是別星辰大海了,都過來陪我吧。就這樣,這些來自地球的小石塊完成了「登月著陸」,和月球地殼融為了一體。

但在當時那個環境下,月球同樣不是一片寧靜祥和的樂園。距今40億年前左右,冥古宙後期重轟炸如期而至。無數小行星再一次把月球表面砸了一遍。當那顆直徑差不多200公里的小行星砸出後來的月海盆地之時,不用想,自然又是無數小碎塊漫天飛。其中就包括我們的「大伯莎」。而且此時,它「懷中」還緊緊抱著上次地球挨砸時迸飛過來的那塊地球碎屑。只不過,「大伯莎」並沒能脫離月球引力的束縛而一去不復返。在月球上空劃過拋物線之後,它終歸還是落在了雨海盆地南側的弗拉.毛羅地區。

當時的它還不知道,這顆星球短暫而活躍的歷史已經走向尾聲。由於體積太小,月球的引力天然就無法在表面維持一個濃厚的大氣層,進而驅動氣候令岩石圈迎風沐雨;由於內能太少,月球的熱量天然就無法在內部維持一個對流的地幔,進而驅動板塊構造,令岩石圈挪移更替。月球的活躍只是一個表象,是冥古宙後期活躍隕擊期一個被動的註腳而已。一旦隕擊期結束,月球和活躍徹底道別的日子就不遠了。

這一切對於月球表面的岩石來說,卻是個值得慶幸的歷史分水嶺,因為它們倖存了下來。

月岩14321號樣品中包含的地球岩石碎片。圖片來源:月球與行星研究所

遙看隔壁地球,岩石圈躍躍湧動,生物圈演化不息,一切都是不安分的,一切都是短暫的。新世界的地基貫穿舊世界的碎片,新世界再度成為舊世界,把明日讓給來者。地球永遠在變,月亮永遠靜觀。地月連線的距離,一側翻天覆地,一側沉默無言;荏苒時光中,這一等就是40億年。

直至月塵再次揚起,似乎又有地球物質飛了過來?只不過,這次不是殘暴的撞擊,而是人類好奇的腳步。他們搬起靜待了億萬年歲月的岩石,進入太空艙,跨越重重的黑暗,又回到屬於他們的世界。

人類當然會為這一新發現而感到興奮,他們可以問心無愧地宣告:我們終於取回屬於地球自己的歷史。(雖說是從月球上繞了一大圈吧……)

家,美麗的家。歐洲太空總署太空人提姆.皮克(Tim Peake)攝於國際太空站。圖片來源:ESA

那麼岩石呢?倘若錚錚磐石有心,穿越40億年光陰和38萬公里旅途的它,大概也會為有一天居然能重返家園而感觸些什麼吧。畢竟,每一位歸鄉的旅人,多少都有一些相同的默契。

「地球,我回來了。」

 

本文來源於果殼網(微信公眾號:Guokr42),這是一個開放、多元的泛科技主題網站,提供負責任、有智趣的科技主題內容,歡迎關注他們。如需轉載請直接聯繫sns@guokr.com。

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