1 行星的诞生
对我们这些生活在全世界七个大洲(包括南极洲伯德少将考察站)上的人来说,“坚固的大地”这个词蕴含着稳定、永久的意味。地球表面上我们熟悉的所有地貌似乎早在时间之初就已存在,无论是大陆还是海洋,山峦或者河流。事实上,根据历史地质数据,我们知道地球表面实际上一直在缓慢变化,大片的陆地可能被海洋吞没,曾经位于海底的区域也可能浮出水面。
我们还知道,老去的山脉会被雨水慢慢冲走,构造运动时时创造出新的山峰,但这一切变化都发生在我们这颗星球坚固的地壳上。
不难看出,必然存在一个坚固地壳尚未形成的时代,那时候的地球是一个岩浆组成的灼热球体。事实上,对地球内部的研究表明,这颗星球的主体至今仍处于熔化状态,我们常常在不经意间提起的“坚固大地”不过是漂浮在熔岩之上的相对较薄的一层硬壳。要证明这件事,最简单的办法莫过于测量地球内部不同深度的温度;于是我们发现,深度每增加一千米,温度就会上升30℃左右(或者说深度每增加一千英尺,温度上升16℉);比如说,在全世界最深的矿井里(南非金矿罗宾逊深井),井壁灼热滚烫,为了避免矿工们被活活烤熟,矿场不得不加装空调。
按照这样的温度增长速率,我们只需要深入地底50千米,地球的温度必然达到岩石的熔点(1200-1800℃),而这个深度还不到地球半径的百分之一。再往下走,占据了地球97%以上质量的物质必然处于完全熔化的状态。
显然,这样的状况不可能永远维持下去;实际上,刚刚诞生的地球是一个纯液态的球体,从那以后,它一直在缓慢冷却,现在的我们看到的不过是这颗星球生命历程中的一个特定阶段,而在遥远的未来,地球终有一天会完全固化。根据地球冷却的速率和硬质地壳增长的速度,我们粗略估计,这个冷却过程必然始于好几十亿年前。
估算一下组成地壳的岩石的寿命,我们也能得出类似的结论。乍看之下,岩石仿佛亘古不变,所以才有“磐石无转移”的说法;但实际上,很多岩石内部存在天然的“时钟”,地质学家富有经验的眼睛可以通过这些蛛丝马迹推算出岩石从熔化状态凝固以后经历了多少时间。
微量的铀和钍都是暴露岩石年龄的典型地质时钟,它们经常出现在地表和地下不同深度的各种岩石样本中。正如我们在第七章中看到的,这些元素的原子都会经历缓慢的自发衰变,最终转化为稳定元素铅。
如果某块岩石中存在这样的放射性元素,那么要判断它的年龄,我们只需要测量沉积在岩石内的衰变产物铅的含量。
事实上,如果岩石材料处于熔化状态,那么扩散作用和对流效应会将放射性衰变产生的铅不断地送往别处。一旦熔岩凝固成岩石,这些衰变产物就会开始堆积,所以根据岩石中的铅含量,我们可以准确判断它的年龄,就像敌方的间谍可以比较太平洋两座岛屿上散落的啤酒罐的相对数量,从而推算出海军陆战队分别在这两座岛上驻扎过多长时间。
近期的研究又采用改进后的技术精确测量了岩石中沉积的铅同位素和其他不稳定化学同位素(例如铷87和钾40)的衰变产物,结果发现,已知最古老的岩石大约有45亿岁。因此,我们可以得出结论:大约50亿年前,地球的硬质地壳从熔化状态开始凝固。
我们可以想象,50亿年前的地球是一个液态的熔岩球,外面包裹着一层厚厚的大气,大气层的成分包括空气和水蒸气,可能还有另一些挥发性极强的物质。
这团灼热的宇宙物质是怎么形成的?什么样的力量促使它凝聚成形,构成这个熔岩球的材料又来自何方?这些直指地球和太阳系内其他行星起源的问题困扰了天文学家几个世纪,天体演化学(研究宇宙起源的学科)探讨的正是这方面的基本问题。
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