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科学家找到了最古老的地球岩石,年龄超过40亿年。然而,说起来有些曲折,这块岩石是在月球上保存下来的,直到大约50年前才被阿波罗14号重新带回到地球上来。

从月球上带回来的岩石,科学家如何认定它形成于地球?当初这块岩石又是怎么跑到月球上去的?

这个故事,可就说来话长了。

说出来你可能不信,阿波罗14号宇航员从月球上带回了最古老的地球岩石。图片来源:NASA

说出来你可能不信,阿波罗14号宇航员从月球上带回了最古老的地球岩石。图片来源:NASA

地球46亿岁了,和太阳系各大行星几乎一样古老。46亿年来,地球一刻不停地塑造着自己的环境,日日新又日新。在这个充满活力的星球表面,还寄宿着一群同样活泼的栖居者——生命。亿万年来,生命由简单一步步走向复杂,并在复杂中一步步孕育出智慧。这是一个向前看的故事。我们叫它演化。

但处在演化进行时的智慧生命——人类,却把头扭转180度,往回看了起来:他们想弄明白地球的历史脉络,想得到地球历史原点的记忆。但很快,他们遇到了难题,这套支撑了生命不息演化的环境,对历史档案的保存却是灾难性的。在时间的长河里涉足愈深,能够解读的档案就愈发语焉不详。至于地球出生时的细节,已经几乎被它自己糟蹋完了。

活泼环境的代价

说穿了,昨日早已不在,想要挖掘旧日环境特征,只能寻找在当时环境中对应形成的坚固记录——也就是岩石。但在始终保持着活跃的地球上,永不停歇的风化作用让旧日环境破碎磨灭,持续不竭的构造作用则让旧日环境翻覆循环。在这些过程中,封存着远古记忆的岩石史料,不是被地表的风雨磨成毫无意义的尘埃,就是被板块的碰撞送入炼狱般的地幔,彻底融化,成为孕育新生岩浆的素材。

想在这样的艰难背景下一路保存至今,不仅仅需要物态上的稳定,大概也需要一丝丝的幸运。

迄今为止,地球上发现最古老岩石是Acasta片麻岩,年龄接近40亿年。那46亿-40亿年前冥古宙的这段时间呢?对不起,史料空白。

只有在地质运动极其稳定的区域内,并且自身的物理化学性质也得极其坚韧——比如杰克山的那颗锆石,才能有幸闯过冥古宙的一路蹂躏,勉强保存下来。但即便这样的稀世遗宝,也不过就是一颗能报出44亿年“读数”的硅酸锆晶体罢了。晶体只是成分固定的化合物,而岩石却是在环境的综合控制下,由繁多的化合物组装而成的精细结构。晶体记录的信息量,根本无法与岩石同日而语。于是,除了记录下年龄成为地球最古老结晶以外,人们也就不在那颗锆石身上追问别的所以然了。

杰克山的锆石晶体,是迄今发现的最古老地球物质,形成了大约44亿年前。但除了年龄以外,它无法提供更多关于当年环境的线索。图片来源:John Valley, University of Wisconsin

杰克山的锆石晶体,是迄今发现的最古老地球物质,形成了大约44亿年前。但除了年龄以外,它无法提供更多关于当年环境的线索。图片来源:John Valley, University of Wisconsin

除了把目光投向时间的起点外,人们还在拓展空间的边缘。我们的天然卫星——月球,自然成为接纳人类雄心的第一站。接下来就是一幕幕熟悉的故事:露娜的来访、阿波罗的登陆、嫦娥的飞腾。跨越两个世纪的不竭探索,将一次次迈向未知领域的壮举刻在科技史的长卷上,但值得记入史书的奇迹,并不只有太空步和月球车,还有那些被带回地球的珍贵月岩样品。

在科学家手里,那是另一扇足以叩响新世界的大门。

月岩第14321号样品,由1971年登月的阿波罗14号宇航员采自弗拉·毛罗环形山(Fra Mauro crater),是雨海陨击事件中迸溅到月球表面的月岩碎片。几十年后的今日,想挖掘月球历史新篇章的人们,仍旧不减当年热情地关注着他们。毕竟,它们是目前人们想接触月球物质最方便的途径了。(比起把人重新发射上去再搬一块回来,在NASA那儿申请切一小块回来研究的难度,显然小太多了。)

近日,当人们从这块珍贵的样品上切下新的一小块研究时,却发现“打开的方式”有点不太对:怎么感觉这块不是月岩,而是一块地球上常见的普通石头呢?

阿波罗宇航员显然不可能大老远飞到月球上去搞恶作剧。那么,为啥一块地球石头会封存在月岩内呢?而且这还不是最扑朔迷离的地方。更令人匪夷所思的是,由于雨海陨击事件本身发生于距今40亿年前,不难推想,在雨海事件中被砸出来的这些月陆残片,形成的时间必然要比40亿年前更早。这相当于承认:这块地球石头,在月球上被静放了40多亿年!

等等,40多亿年前的地球岩石?这不正是回溯地球历史的人们苦苦追寻的“圣杯”么?地球自身失落的记忆,居然出现在月球上?!

白色圈圈代表阿波罗系列诸任务的着陆位置;蓝色区域内的月海便是雨海。图片来源:维基百科;本文作者在此基础上添加了雨海的范围

白色圈圈代表阿波罗系列诸任务的着陆位置;蓝色区域内的月海便是雨海。图片来源:维基百科;本文作者在此基础上添加了雨海的范围

不是月岩的“月岩样品”

月岩第14231号样品是一块砾岩,由许多更小的独立岩屑相互粘合而成。它有着一个有趣的昵称:大伯莎。科学家开始注意到它的不对劲儿,是因为发现它的其中一块岩屑的成分压根无法在月球环境下形成。

是的,岩石这种东西,也是要分产地的。

月岩的种类可简单了。以成分来看,你能在月面上找到的“土著”岩石,不外乎只有两大类:斜长岩和玄武岩(如果不算从外头飞进来的陨石)。斜长岩是构成月陆的主要成分,几乎清一色由钙长石这种单一矿物成分所组成。当月球最初还是一片岩浆海的时候,钙长石逐渐从岩浆里结晶析出,它们比重较小,全部漂浮到岩浆海的表面,相互连接,最终凝成月陆。而在随后的岁月里,剩下的岩浆也找到了机会涌出月表,充填了月面上的低洼盆地。这些岩浆一经凝固,就形成了所谓的玄武岩。由于富含镁铁,这些玄武岩颜色较暗,构成了我们今日清晰可辨的月面暗斑——月海。

而这次在“大伯莎”上切下的新碎屑,属于上述哪一类呢?都不属于。

它是一块长英质岩,由石英(SiO2)和钾长石(KAl3SiO8)组成。石英的析出,标志着岩浆中二氧化硅达到饱和,这一条件在月球的原始岩浆中是远远达不到的。而钾也是一种和原始岩浆相性很差的元素,只有岩浆中的镁铁质晶体析出得差不多了,它才会“极不情愿”地从岩浆中结晶而出。这样的条件,月球上的岩浆也是达不到的。

那么,哪里的岩浆能满足这两种成分结晶析出的条件呢?地球。事实上,以这两种标志性物质为特征的长英质岩类,在科学家眼中几乎是“地球岩石圈土特产”的代名词。此外,科学家还进一步测定了该岩石内部的微量元素特征(它们与生成环境的对应关系更精确),发现这块碎屑形成于氧含量较高而温度相对较低的环境。在科学家眼里,这照样不是月球能够提供的环境条件。40亿年前,能完美满足上述环境的地方只有一个,仍然是地球。

那么,为啥一块地球岩石会出现在月球上?而且,早在40多亿年前就飞了上去呢?

 月岩14321号样品“大伯莎”(Big Bertha)的野外原位照片,阿波罗14号宇航员阿兰‧谢泼德(Alan Shepherd)1971年摄于月球。图片来源:NASA。

月岩14321号样品“大伯莎”(Big Bertha)的野外原位照片,阿波罗14号宇航员阿兰‧谢泼德(Alan Shepherd)1971年摄于月球。图片来源:NASA。

亿万年前的“登月工程”

科学家回答这个问题的出发点,是一个放在本文里似乎没多大关联的事实:月亮正在逐渐远离我们。

阿波罗宇航员登月时可不光踩了些脚印、搬回些石头,他们还在月面上摆了几面镜子。从地球朝这些镜子发射激光,通过测量激光反射回地球所用的时间,人们就能计算出地月距离。几十年来的测量显示,激光返回地球的时间逐年都在变长。这意味着,月球每年离我们都更远了。

N年之后它会飞到哪儿?别管这个。我们先回过头想想:在过去,月球是否离我们更近呢?是的。天文学家经过推算发现,反推回40亿年前的话,月地距离只有今日的1/3不到!

今日的地月距离和39亿年前的地月距离对比。如果站在当时的地表看月亮,会发现它比今天的月亮大差不多3倍。图片来源:David Kring, 月球与行星研究所/月球科学勘测中心

今日的地月距离和39亿年前的地月距离对比。如果站在当时的地表看月亮,会发现它比今天的月亮大差不多3倍。图片来源:David Kring, 月球与行星研究所/月球科学勘测中心

这个距离,对登月工程来说方便太多啦。只不过,彼时登月的不是人类,而是地球上的岩石。

40亿年前,冥古宙,太阳系刚走出一片混沌的原行星盘时代,尽管大大小小的星球都已经逐步形成,但行星之间轨道的调整还是让太阳系成为一片充满危险的地方:轨道相交了怎么办?撞。轨道没相交但邻居挪跑了怎么办?也得跟着调整,然后轨道改变,继续撞。当时,密密麻麻的小陨石撞向原行星如同家常便饭;而原行星和原行星相撞也照样泛滥。在这样的环境下,说不定哪颗“愣头青”某天就一股脑朝着地球撞过去了。撞击过程的能量太大,砸碎了地壳,迸飞了无数地球岩石的碎块。许多碎块飞着飞着,就再也没落下。

没错,达到第一宇宙速度,飞向星辰大海了。

其中一些“发射成功”的小石块,在突破地球轨道之外,很快就遇到了近距离守在地球上空的大月亮。月亮说,还是别星辰大海了,都过来陪我吧。就这样,这些来自地球的小石块完成了“登月着陆”,和月球地壳融为了一体。

但在当时那个环境下,月球同样不是一片宁静祥和的乐园。距今40亿年前左右,冥古宙后期重轰炸如期而至。无数小行星再一次把月球表面砸了一遍。当那颗直径差不多200公里的小行星砸出后来的月海盆地之时,不用想,自然又是无数小碎块漫天飞。其中就包括我们的“大伯莎”。而且此时,它“怀中”还紧紧抱着上次地球挨砸时迸飞过来的那块地球碎屑。只不过,“大伯莎”并没能脱离月球引力的束缚而一去不复返。在月球上空划过抛物线之后,它终归还是落在了雨海盆地南侧的弗拉·毛罗地区。

当时的它还不知道,这颗星球短暂而活跃的历史已经走向尾声。由于体积太小,月球的引力天然就无法在表面维持一个浓厚的大气层,进而驱动气候令岩石圈迎风沐雨;由于内能太少,月球的热量天然就无法在内部维持一个对流的地幔,进而驱动板块构造,令岩石圈挪移更替。月球的活跃只是一个表象,是冥古宙后期活跃陨击期一个被动的注脚而已。一旦陨击期结束,月球和活跃彻底道别的日子就不远了。

这一切对于月球表面的岩石来说,却是个值得庆幸的历史分水岭,因为它们幸存了下来。

月岩14321号样品中包含的地球岩石碎片。图片来源:月球与行星研究所

月岩14321号样品中包含的地球岩石碎片。图片来源:月球与行星研究所

遥看隔壁地球,岩石圈跃跃涌动,生物圈演化不息,一切都是不安分的,一切都是短暂的。新世界的地基贯穿旧世界的碎片,新世界再度成为旧世界,把明日让给来者。地球永远在变,月亮永远静观。地月连线的距离,一侧翻天覆地,一侧沉默无言;荏苒时光中,这一等就是40亿年。

直至月尘再次扬起,似乎又有地球物质飞了过来?只不过,这次不是残暴的撞击,而是人类好奇的脚步。他们搬起静待了亿万年岁月的岩石,进入太空舱,跨越重重的黑暗,又回到属于他们的世界。

人类当然会为这一新发现而感到兴奋,他们可以问心无愧地宣告:我们终于取回属于地球自己的历史。(虽说是从月球上绕了一大圈吧……)

那么岩石呢?倘若铮铮磐石有心,穿越40亿年光阴和38万公里旅途的它,大概也会为有一天居然能重返家园而感触些什么吧。毕竟,每一位归乡的旅人,多少都怀揣着一些相同的默契。

家,美丽的家。欧空局宇航员提姆·皮克(Tim Peake)摄于国际空间站。图片来源:ESA

家,美丽的家。欧空局宇航员提姆·皮克(Tim Peake)摄于国际空间站。图片来源:ESA

“地球,我回来了。”(编辑:Steed)

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4 Responses to “地球最古老岩石的奇幻月球之旅”

  1. 匿名说道:

    这个发现佐证了之前的猜拳?

  2. zsply说道:

    这块岩石既然可能是原行星大撞击的年代飞到月球上的,难道就一定是从地球飞出去的吗?有没有可能是火星、金星等岩质行星飞出去的?

  3. 王鹏说道:

    文笔真好

  4. monica说道:

    好厉害啊

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