冥古宙时期：地球初期发展阶段的科学研究

在遭受了形成月球的那次大碰撞后，地球必定也在顷刻间陷入险境。撞击产生的大量冲击波以撞击点为中心向四处蔓延，它们从地球内部穿过再汇聚在另一端，并将地球的大量大气蒸发到太空。撞击释放出了巨大的能量，造成地球的外部圈层熔化，熔岩和固态岩石的混合物形成了一个1000多千米深的岩浆海洋。如果当时的地球存在海洋的话，该次撞击所爆发的热量将足以使海洋的水瞬间沸腾。在大碰撞发生的几小时到几天后，地球上空形成了一层由蒸汽和蒸发的岩石组成的稠密的大气。水和其他挥发性物质在大气和岩浆海洋之间不停地来回移动，融入热岩后进入地球内部。

随着地球将热量辐射到太空，地球的温度也很快开始下降。不到几千年的时间，蒸发到大气里的岩石又重新凝结到地表，岩浆海洋开始从内向外凝固。往后的100万年里，大气里的水蒸气凝结在一起，以雨滴的形式落到地表后汇聚成了海洋。经过这次事件后，地球上空开始形成一层由二氧化碳、痕量氮气和其他气体组成的厚厚的大气，很像金星今天的大气。随着二氧化碳与水发生化学反应，海底很快形成了许多层碳酸盐岩层，于是，大气里的二氧化碳以这种方式被逐渐转移至海洋。

随着行星形成后剩余的碎石被扫清，地球表面继续遭受到猛烈撞击，但没有一次像形成月球的那次大。最大的撞击也只会使部分海洋蒸发，导致地球有一段时间被一层由水蒸气组成的大气笼罩着。大气里的水分子在受到年轻太阳的强紫外线辐射后又被打散，变成氢和氧。较轻的氢气逃逸到太空，并带走了大气中的一些其他气体。地球早期就是以这种方式失去大部分大气的。同时，从地球内部逃逸出来的气体又源源不断地补充着大气。

科学家将地球历史上的这一初期发展阶段称为冥古宙，来自希腊语“Hadean”一词，为“地狱”之意。这一时期的地球和我们今天所见的极为不同。这个时期大部分时间都相对风平浪静，但中间穿插着几场极为可怕的大灾难。同时，它还是地球从一个动荡不安的熔岩球变为接近今天模样的一个转折点。

早期的地球只由两层组成，即地球中心的一个高密度的铁核，以及包裹着铁核的一层厚厚的地幔岩。虽然大部分地幔很快就凝固了，但它的温度仍然很高而且不固定，能够像糖浆一样缓缓流动。大量热量都被困在地球内部，使地幔能够慢慢对流。几百万年里，岩浆以热柱的形式从地球深处涌上地表并慢慢释放热量，等到密度比周边物体高时又再次下沉。这样一来，地球内部热量的逃逸速度比单独靠热传导快得多。

岩浆柱从地幔涌出地面造成周围压力减小。由于压力不足以使它凝固，一些岩石开始熔化。而那些和岩石的主要成分不太相容的元素（如钠、钾和钙）则最先变成液态或“熔化”。熔岩喷出地表后形成了玄武岩，玄武岩中含有大量这些“不相容元素”。渐渐地，地球形成了第三个圈层，即海底形成的一层薄薄的玄武岩。少数几个地方的玄武岩较厚，高出了海面，成为最早的原始大陆。

玄武岩冷却后密度增大，最后它的密度比底下的地幔还大。因此这一构造并不稳定，有些密度大的地方开始下沉或下降，重新回到地幔里，最后和地球内部深处的岩石融为一体。下沉过程中，玄武岩还带走了附近的一些物质，为形成新地壳腾出空间，也为板块构造奠定了基础。这一地壳物质的循环过程今天依然在进行着。地球表面开始被分割成10多个板块，并以每年几厘米的速度缓慢漂移。

今天，玄武岩岩浆喷发常见于洋中脊——位于海底、长达数千千米的参差不齐的绵长山脉。随着岩浆喷发并凝固，新形成的岩石在自身重力下沉降并远离洋中脊，它们随板块边缘沉降的物质一同下降，这使新形成的海底扩大并继续远离洋中脊。几千万年后，海底逐渐冷却，最后下沉回到地幔。

新形成的洋中脊会和海水发生作用。岩石吸收了大量海水，海底下沉到地幔后温度升高，水被释放出来后再向上渗透。水降低了周围岩石的熔点，岩石部分熔化后形成了新的矿物。经过几次部分熔化和再加工后，花岗岩形成了，它是现代大陆的基础。花岗岩中含有大量二氧化硅，而且密度比其他岩石低。花岗岩构成的大陆即使冷却后也会浮在构成地幔的密度较大的岩石上面。(www.xing528.com)

以这种方式形成的大陆可能在地球形成后不久就已经成形了。它们又继续扩张了很长一段时间，并经历了快速和相对稳定的增长期，其中大陆形成的主要时期约是25亿年前。尽管大陆地壳存在的时间一般比海洋地壳长得多，但它们同样也会遭到破坏，尤其是在板块交界处。然而，随着地球的冷却，大陆地壳的形成和破坏速度也慢慢减缓，地幔对流的现象明显减少。

大陆在地球表面的缓慢移动是现代地质学的一个中心主题。但直到20世纪60年代，板块构造理论才被广泛接受。在此之前，一些科学家，如阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）已经注意到一些大陆板块明显可以拼合在一起，就像拼图里的碎片一样。而且不同板块的边缘处的岩石和化石往往也有很多相似之处，这说明这些陆地曾经是相连的，只是后来分离了。不过，由于当时地球静止不动的观念过于根深蒂固，以至于大部分地质学家都没有把这一想法当一回事。

20世纪50—60年代，地质学家对海底进行了一次大规模调查，发现了一项铁证。地质学家发现，海底岩石的形成年代各不相同，离洋中脊最近的岩石形成时间最晚。这些岩石构成了一条条与山脉平行的绵长的条纹图案，每道条纹的年龄和磁性特征都不相同，且山脉两侧的岩石特征呈镜像对称。显然，海洋地壳是从洋中脊处开始生长并延伸开来的，这意味着地球上别处也会有较老的地壳正在被破坏，这样的地方叫作俯冲带。这一发现，加上大部分地震都发生在板块连接和碰撞的狭窄区域，使科学家深信板块构造是塑造地球表面的主要驱动力。大陆漂移这一行为已经至少持续了几十亿年，它们会周期性地合并成一块巨大的超级大陆，然后再分离。

板块构造是从冥古宙就开始了，还是稍后开始的，我们无从得知。地质学家一般通过研究该时期形成的岩石来了解地球的某个历史时期，但这个方法对冥古宙并不管用，因为已知最古老的地球岩石的形成时间是40亿年前左右，而那时冥古宙已经结束了。早于这个时间形成的所有岩石似乎都已经由于俯冲、撞击和风化这些原因被破坏了，什么都没有保存下来。我们对早期地球的了解其实很多是来自对锆石的研究，锆石是一种细小的石砾，我们在第4章简单介绍过它。锆石这种硬度极高、很难熔化的矿物，能够顽强抵挡风化的侵蚀作用和最具破坏性的地质作用。出于这些特性，锆石身上通常保存着它们形成时的地球条件，即使它们的母体已经被完全改变或摧毁。

目前已知最古老的锆石是在澳大利亚发现的，形成于44亿年前左右，只比地球的年龄小一点儿（图11-1）。从它们的成分判断，它们来自大陆地壳，构成它们的岩浆中含有大量水分。锆石有可能是在地表岩石被液态水侵蚀的地方形成的。至少从这些方面来看，冥古宙时候的地球和今天的地球还是相似的。

图11-1　透视光下被放大200倍的一颗冥古宙的锆石。该锆石在澳大利亚西部杰克山地区被发现，那里是世界上最古老的锆石的发源地（图片来源：Stephen J.Mojzsis，University of Colorado）

冥古宙的结束和它的开始一样，都是因为一次重击。大约在39亿年前，在度过了一段长达几百万年的相对平静的时期后，地球、月球和其他行星再次遭受到一系列重大碰撞，也就是上一章介绍过的晚期重轰击。其中最大的几次撞击在地球上留下许多直径达到1000千米或以上的陨击坑，并产生大量碎石烟流冲向太空。一些碎石游荡在地球上空，最后坠落地面，形成了二次撞击坑。撞击释放出的巨大热能将海洋上层加热至沸腾，同时地表也被炙烤到很高的温度。假如那时的地球有生命存在的话，除非它们深埋在地底下，否则恐怕已经灭绝了。同时，一些石头飞向太空，速度快到摆脱了地球的引力。这些石头后来成了绕日旋转的小型小行星。几千年以后，它们之中有少数再次撞到地球，在坠地后成为陨石。而这些陨石里的微生物可能存活了下来，并将生命重新带到地球上。