比人類頭發(fā)絲還細(xì)的小礦物顆粒為我們探索地球的構(gòu)成提供了線索

（圖片Triff）

這篇文章首次發(fā)表于《對(duì)話》，并被刊登在太空業(yè)界之聲：觀點(diǎn)與見解專欄。

柯克蘭是澳洲科廷大學(xué)的地質(zhì)學(xué)教授。菲爾·薩頓是英國(guó)林肯大學(xué)的天體物理學(xué)高級(jí)講師。他們是地球在銀河系中的路徑這一最新研究課題的作者。

“從一粒沙看到整個(gè)世界”這句俗語(yǔ)，出自英國(guó)詩(shī)人威廉·布萊克《純真預(yù)言》的首句，卻也恰好刻畫了一些地質(zhì)學(xué)家們?cè)谧龅氖隆?/p>

我們觀察了比頭發(fā)絲還細(xì)的礦物顆粒的構(gòu)成，通過(guò)推斷它們的化學(xué)進(jìn)程來(lái)思考地球的構(gòu)成。現(xiàn)在我們已經(jīng)站在了新的高度，來(lái)把小礦物粒和地球在銀河系中的位置聯(lián)系起來(lái)。

看向宇宙

柯克蘭是一名地質(zhì)學(xué)教授，他是西澳科廷大學(xué)地質(zhì)調(diào)查組的一名資深地質(zhì)年代學(xué)學(xué)者。許多天體物理學(xué)家們?cè)噲D去理解宇宙和我們?cè)谟钪嬷械奈恢谩Ｋ麄冞\(yùn)用物理規(guī)律去構(gòu)建描繪天體運(yùn)行的模型。

盡管我們可能認(rèn)為地球表面的形成完全是由于地球自身的作用，但其實(shí)它卻毫無(wú)疑問地受到了來(lái)自宇宙的影響。這包括地球軌道的周期性變化，太陽(yáng)輸出的變化，伽馬射線爆炸，當(dāng)然，還有隕石撞擊。

光是看一看月球那坑坑洼洼的表面就足以證實(shí)這一點(diǎn)，更遑論比這顆灰色小衛(wèi)星大80多倍的地球呢。實(shí)際上，近期研究已經(jīng)表明隕石撞擊對(duì)地球陸地地殼的產(chǎn)生具有重大作用，它在“年幼”地球的最外層臭氧層上種下了能浮起來(lái)的“種子”。

我們和國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)的同事們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了早期陸地地殼形成的規(guī)律，這是一個(gè)宏偉的驅(qū)動(dòng)裝置。這項(xiàng)研究成果已經(jīng)在地質(zhì)學(xué)期刊上發(fā)表了。

由于身處銀河系中，我們無(wú)法拍到銀河系的圖片，但是我們認(rèn)為，它與其他棒旋星系是相同的，就像NGC4394一樣。（圖片ESA/Hubble & NASA）

地球地殼產(chǎn)生的規(guī)律

菲爾·薩頓是英國(guó)林肯大學(xué)的一名天體物理學(xué)高級(jí)講師，他研究各種天體，包括太陽(yáng)系內(nèi)外的行星，衛(wèi)星，小行星和行星環(huán)。

許多地球上的巖石都由熔化的或者半熔化的巖漿形成。而巖漿要么直接來(lái)自于地幔（主要是固體但會(huì)緩慢在地殼之下流動(dòng)的一層），要么是重新沸騰了古老已存地殼的一部分。隨著液態(tài)巖漿冷卻下來(lái)，固態(tài)巖石也就最終形成了。

通過(guò)巖漿的冷卻結(jié)晶，礦物形成了，并且能夠保留像鈾這樣的元素，這些元素會(huì)隨著時(shí)間的經(jīng)過(guò)而發(fā)生衰變，形成一種天然的時(shí)鐘，記錄下礦物的年齡。不僅如此，它們還會(huì)保留其他元素，可以借此追溯它們“父輩”巖漿的組成，就像我們通過(guò)姓氏可以追溯到一個(gè)人的家族那樣。

通過(guò)年齡和組成這兩條信息，我們可以重現(xiàn)地殼形成的時(shí)間線。然后，我們可以通過(guò)“傅里葉變換”算法，來(lái)破譯它主要的頻率。這個(gè)算法可以基本破譯出事件發(fā)生的頻率，就像破解做一個(gè)蛋糕需要往攪拌器中加入哪些食材那樣。

我們?cè)谟钪嬷械奈恢?/p>

但是還有另外一個(gè)相同規(guī)律的進(jìn)程。盡管我們的太陽(yáng)系和銀河系的四個(gè)旋臂都繞著位于銀河系中心的巨大黑洞旋轉(zhuǎn)，但是，它們的運(yùn)行速度卻是不同的。

旋臂以每秒210公里的速度運(yùn)行，而太陽(yáng)以每秒240公里的速度運(yùn)行，可以說(shuō)我們的太陽(yáng)系就在銀河系的懸臂中來(lái)回穿梭。你可以把旋臂當(dāng)作是一個(gè)密集區(qū)，它減緩了星星通行的速度，像發(fā)生了交通擁堵一樣。

太陽(yáng)系穿過(guò)銀河系旋臂時(shí)的地質(zhì)事件，包括重大的地殼形成事件。（圖片NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt）

這個(gè)模型表明每次我們的太陽(yáng)系穿越銀河系一條旋臂的時(shí)間是大約2億年。

所以，地殼形成的時(shí)間似乎與此有某種聯(lián)系，但是為什么呢？

云的撞擊

在距我們太陽(yáng)系很遠(yuǎn)的地方，有一團(tuán)由冰冷的巖石碎片組成的云被稱為奧爾特云，我們認(rèn)為，它圍繞著我們的太陽(yáng)運(yùn)行。

當(dāng)太陽(yáng)系周期性地進(jìn)入到一條銀河系旋臂中時(shí)，它和奧爾特云就會(huì)相互作用，分解云中的物質(zhì)，使其更靠近太陽(yáng)系的內(nèi)部。其中有些物質(zhì)甚至?xí)矒舻厍颉?/p>

銀河的構(gòu)造與太陽(yáng)系圍繞銀河系的運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)控制一些大的對(duì)地球的撞擊很重要，而這反過(guò)來(lái)也為早期地球地殼的產(chǎn)生孕育了條件。（圖片jivacore）

小行星帶巖石體相對(duì)頻繁地撞擊地球，平均速度為每秒15公里。而奧爾特云噴發(fā)出的彗星撞擊速度則要更快些，平均每秒52公里。

我們認(rèn)為，正是這些周期性的高能撞擊，被保存在微小礦物顆粒中的地殼生成記錄所追蹤。彗星在地球表面撞出了許多大坑，導(dǎo)致地幔減壓熔化，就像開一瓶汽水那樣。

熔化的富含如硅、鋁、鈉、鉀等輕元素的巖石，實(shí)際上漂浮在濃厚的地幔之上。盡管有很多種方法可以產(chǎn)生大陸地殼，但最有可能是早期地球撞擊產(chǎn)生了能漂浮的地殼的種子。后來(lái)的地質(zhì)過(guò)程產(chǎn)生的巖漿會(huì)附著在這些早期的種子上。

是厄運(yùn)的先兆還是陸地生物的園丁？

在大多數(shù)地球自然循環(huán)中，陸地地殼都至關(guān)重要—它與水，氧氣相互作用，形成了新的風(fēng)化的產(chǎn)物，孕育了大多數(shù)金屬和生物碳。

大的隕石撞擊是能摧毀一切生命的災(zāi)難，然而，它也很可能是我們賴以生存的大陸地殼發(fā)展的關(guān)鍵。

隨著星際小行星最近穿越太陽(yáng)系，一些人甚至認(rèn)為它們?cè)谟钪嬷羞\(yùn)送生命。

不論我們是如何到達(dá)這里的，在一個(gè)晴朗的夜晚，抬頭仰望天空，看到星星和它們所勾畫出的輪廓，然后低頭看著你的腳，感受腳下的礦物顆粒、巖石和大陸地殼—所有這些都通過(guò)某種偉大的規(guī)律聯(lián)系在一起，這實(shí)在令人嘆服。