地球消失的记忆

本文来自微信公众号：石头科普工作室（ID：Dr__Stone），作者：叶祥鹰，题图来自：视觉中国

相信很多人对《寻梦环游记》这部电影并不陌生，甚至每一次观影都会被深深感动（图1）。在这部电影里，主人公的太奶奶Coco是过去与未来，消失与存在之间最重要的连接点。而当背景音乐《请记住我》响起时，我想起了几年前逝去的太奶奶。

我的太奶奶是个和蔼可亲的人。小时候的我总喜欢躺着她怀里睡觉，因为每次我醒来她都会偷偷塞零食给我。但在她去世那一刻，那些记忆就只有我拥有了。于是，一个问题浮现在脑海：如何证明一件事物真实地存在过？

对于人来说，是存储在大脑中的记忆。那么地球的记忆是什么呢？没有神经元作为存储中介，地球的记忆是几经曲折终于测得的地质年代，还是被地质运动无数次改造岩石的记录？

图1 《寻梦环游记》出自皮克斯动画工作室。尽管该片是一部喜剧，但故事对生命和死亡深刻的探讨依旧催人泪下。

一、曲折的地球测年史

17世纪，在近代科学运动的影响下，物理神学运动试图通过科学说明地球创世的历史。在这种思潮的影响下，爱尔兰大主教詹姆斯·厄谢尔于1650年（James Ussher）根据《圣经》推演出:世界是在公元前4004年10月23日创造出来的。于是，那时的欧洲基督徒大都相信地球只存在了不到6000年。

当然科学不会止于此，地质学家都坚信地球年龄远不止6000年，但如何通过科学方法定年是一个问题。艾萨克·牛顿首先对这一问题发起了挑战，他假设地球为一个炙热的大铁球，经过实验和换算，牛顿认为表面温度下降至现今水平所需要的时间可能需要5万年。在牛顿之后，布丰经过实验将这个时间增加到7.5万年（甚至私下认为是300万年）。不过牛顿毕竟不熟悉热力学，最后开尔文在1862年（Lord Kelvin）做了改进工作，而他的结果是年龄在0.2~4亿年之间。

除了热力学方法之外，英国地质学家约翰·菲利普斯（John Phillips）在1841年通过模拟沉积速率的方法，计算出地球的年龄约为9600万年。但同时代的查尔斯·莱尔（Charles Lyell，《地质学原理》的作者）等地质学家表示难以接受这么短的地质年龄。达尔文认为风化作用将岩石改变至现状至少要有3亿年，这样才能满足漫长的遗传变异积累和自然选择过程。此外，还有科学家利用测定海水含盐量以及测定月球速率的方法推算出地球时间。但是，受限于当时的科技水平，推理出的数字都远远低于真实的地球年龄。

人类能够测定真实地球的年龄还得等到20世纪初，这与一个耳熟能详的人物——卢瑟福（Ernest Rutherford）相关。1905年，卢瑟福在耶鲁大学做了一个关于放射性测年的科学报告。卢瑟福意识到铀裂变会产生氦气，只要测定岩石中的氦气质量就能估算出年龄，经过对一些岩石的初步测量，地球的年龄被推至5亿年，卢瑟福认为实际年龄会更长，因为氦气可能会泄露一部分。

图2 欧内斯特·卢瑟福，他是公认的“核物理之父”，也是建立放射性测年法的理论奠基人

不过放射性测年是十分困难的，这种方法对仪器的灵敏度和精确度提出了很高的要求，想要再进一步并不容易。芝加哥大学的核物理教授哈里森·布朗（Harrison Brown）和他的学生克莱尔·派特森（Clair Patterson）（图3）最先在这个领域取得突破。

铀铅测年法的建立是十分曲折的，派特森测量的结果总是有很大的误差，排除了各种影响后，他最终意识到了是随处不在的铅污染的原因。为了排除铅污染对实验结果影响，他甚至为此建造了世界上第一个超净实验室。在曲折的探索之后，布朗教授的团队终于第一次得到地球的真正年龄——45.5亿年

图3 芝加哥大学的核物理教授哈里森·布朗（左）和他的学生克莱尔·派特森（右）。克莱尔·派特森是世界上第一个知道地球准确年龄的人。

时至今日，尽管各种放射性同位素测年方法已经逐渐完善，地球的历史却依然难以理清，尤其是那些远古的事件。因为时间跨度越大，使用的同位素半衰期越长，分辨率越低，误差也会越大。因此，那些远古历史的细节，人们也就很难得知了。

二、残缺的岩石记录

1.缺失的地层

1869年5月24日，自学成才的独臂地质学家约翰·韦斯利·鲍威尔（John Wesley Powell）带领一支科学考察队，对美国西部的格林河和科罗拉多河流域诸多峡谷（图4）进行探索。然而，当他们进入峡谷后，一连几个星期都没有消息传出。

不久，芝加哥论坛报就发了头条新闻，说鲍威尔团队已经被卷入致命的急流中，永远地在峡谷中消失了。正当大家一筹莫展时，鲍威尔团队却又神奇地出现在公众眼前。不过，仍然活着的鲍威尔倒确实在大峡谷发现了一宗消失事件，而这一消失事件困扰了地质学家150多年。

图4 如今的科罗拉多河畔峡谷，拍摄于科罗拉多河马蹄湾。

原来，在鲍威尔进入科罗拉多河畔后，他看到了一大片坚硬的结晶岩石，这些岩石大多数是花岗岩和片岩，与一般的岩石水平堆叠不同，这些岩层沿着垂直方向排列。而在这些结晶岩层之上，是一层305米厚的水平红色砂岩带。

但是，在鲍威尔考察完垂直结晶岩后，他估计这部分岩石本应该达3050米，但实际测量后却发现有整整2000多米厚的岩石竟然完全消失了。他将这一怪事称为“地层大角度不整合”（The Great Unconformity）。鲍威尔的观察确实没错。100多年后，同位素定年的结果表明：这些结晶岩中最年轻的部分大约17亿岁，而上层的红色砂岩最古老的却只有5.5亿岁。也就是说中间差了十多亿年，那些记录着十亿年历史的岩层消失了。

实际上，早在18世纪以前，现代地质学之父詹姆斯.赫顿在英国海岸的悬崖上就发现了类似的现象，于是他提出了赫顿不整合，也就是现在教科书里的地层不整合（图5）。地层不整合在全球都很常见，但碰巧的是，这次缺失的10亿年地球历史之后出现了两件令人费解的事件：一个是5.4亿年前的寒武纪生命大爆发（Cambrian explosion），一个是距今约8亿到5.5亿年之间的“雪球地球”大冰期（Snow ball earth）。

因此，一种假说认为，“雪球地球”大冰期的湿冰川有能力侵蚀和搬运三千米到五千米厚的岩石层，这或许是10亿年地层缺失的原因。同时，也有人猜测这次地层缺失导致了寒武纪生命大爆发。不过，不同的假说有各自的瑕疵，如何解释这样的缺失，同样成为人们构造地球历史的一部分。

图5 岩壁上显露出地层不整合面：寒武纪的砂岩直接压在年代更为久远的维斯纽片岩的基岩上。照片摄于亚利桑那州黑尾峡谷。

2. 消失的大陆

在地球形成之初（约45.5亿年），地球内部释放的热量是今天的2-4倍，到处是红色的“汪洋大海”。今天，我们只能通过火山喷发时的熔岩湖（图6）想象那时的环境。在这一时期，地表不会大规模结晶岩石形成大陆（图7左），即使形成了岩石也很快被高温熔化，很难保存下来。

图6 世界最大火山熔岩湖航拍照片，位于非洲的尼拉贡戈火山(Nyiragongo Volcano)。

摄影师：Bradley Ambrose

最早的陆地大约诞生在43.5-44亿年前，在形成之后的40多亿年历史里，随着板块运动与火山爆发以及板块之间的俯冲作用，地球表面的物质被带到地球深处，融化，消失。只会保留那些耐受高温的岩石。即使少量岩石保存下来，也经过了充分的变质改造，如：大别山－苏鲁超高压变质带。地球历史上出现过若干次的超级大陆，例如：盘古（Pangea）大陆，罗迪尼亚（Rodinia）大陆等。

图7 地球形成早期模拟图（左）与地球卫星照片（右）

目前，我们已知的地球上最古老的岩石是在加拿大地盾西北地区Slave克拉通的Acasta片麻岩，具有40.25亿年的古老年龄。但我们几乎无法寻找到更早的岩石，因为很难有岩体能耐受早期的高温条件。我们也很难再恢复消失的大陆，因为所有的证据都来自于岩石的记录，但越古老的岩石，被改造得越强，恢复起来也就越难。如何恢复这种地球的记忆，是促进地球科学前进的重要动力。

三、消失本身也是记忆

莱伊尔在《地质学原理》中指出“现在是认识过去的钥匙”。“将今论古”的现实主义方法让地质学家孜孜不倦地探寻着地质时间里的蛛丝马迹。但在漫长的地质历史长河里，地球的面貌发生很大的变化，并不是每一次变化都会留下痕迹。这些消失的痕迹阻碍着人类对远古时代地球发生的未知事件的探索，成了地球消失的记忆。

但历史也告诉我们不必悲观。200多年前，“现代地质学之父”詹姆斯·赫顿（James Hutton）说，“真正的地质时间可能远远超出了人类的想象”。但他没有想到，仅仅一个多世纪之后，人类就得到了地球真正的年龄。

查尔斯.莱尔（Charles Lyell）很早就注意到了6500万年前生物多样性的“断层”，但他只能归因于化石丢失或者本身就没有形成化石。一百年后，Walter Alvarez发现那些不含化石的粘土层的铱含量极高，而铱在地球上很稀少，但在流星中却很常见。因此，Walter最终提出了恐龙大灭绝的灾变论。由此可见，新技术的出现将在未来继续揭示地球的未解之谜，而比较行星学研究或许能填充地球缺失的历史。

探险家麦哲伦曾说：“从比奇到盟重，从盟重到苍月岛，再又回比奇，由此地球是圆的！”但实际是无论人类是否环球旅行，地球始终是圆的。地球已经演化出了人类宜居的环境，这代表着岩石记录的消失也是地球演化历史的一部分。

物换星移，沧海桑田，留给人类的地质痕迹总是有限的，但或许消失本身就是认识地球的一种重要的信息。

本文来自微信公众号：石头科普工作室（ID：Dr__Stone），作者：叶祥鹰