自然人文:地球的年龄之谜

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地球诞生于何时?什么时候开始分成地壳、地幔和地核的?生物圈、大气圈和水圈有多少岁了?保护地球上一切生命的磁屏障又有多少岁了?要弄清这些问题是不容易的,何况这一切都属于极其遥远的远古时代。
有没有能够探测在几十亿年前的远古时代所发生事件的信号、类似强大的天文望远镜的“望远镜”呢?有,大自然创造了一个向导,这便是独特的地质钟(说得更确切些,甚至可说是宇宙钟),它将人类带往神秘的地球童年迷宫。这是一种基于放射性元素衰变规律的钟。一种元素的同位素在失去了某些粒子后,会魔术般地具有其他元素的性质,这就是衰变。取一块岩石,我们便能定量地确定其中的“母”物质和“子”物质,以及估计衰变的时间——岩石的年龄。岩石还有一种更奇妙的性质:每种元素都以它自己独特的、互不重复的、均匀的特征速度发生衰变,而与时间、压力、温度统统有关。
这样的“钟”走得相当准,更兼有几种“牌号”可供选择:铷一锶“钟”(半衰期488亿年),铀238—铅“钟”(半衰期45亿年),钾40—氩“钟”(半衰期12亿年),最后是记载最近年代的“碳”钟(半衰期5千万年)。
地球有多少岁了?原则说来,根据地球岩石显然是绝不可能知道的。最古老的岩石没有保存下来,地球深处的高温使它们熔化了,于是记录地球青年时代的痕迹也消失了。现在能看到的最古老的化石要算在格陵兰找到的花岗闪长岩,达37亿年。但这种岩石是第二代的变质岩。
陨石是一种不变的“宇宙化石”。各种“牌号”的钟确定各种陨石的年龄很一致,都为45.5亿年,可将它作为地球的年龄。
近年,飞船从月球上带回一些40亿年前硬化的月面土壤样品,它的年龄是45.5亿年,与陨石的资料是一致的。正是这种生成于远古时代的宇宙岩石向人类传递了地质学的接力棒。
同位素地质年代学可使人类看到更遥远的古代,即看到处于核合成的时代的行星“胚胎”状态。
加利福尼亚大学教授林纳德做了一个重要的实验,表明陨石里出现的部分惰性气体氙129是曾在某个时期存在过的放射性碘129的衰变产物(后来在地球大气中也发现了这一点)。今天这种碘同位素已不复存在,要知道它的半衰期只有1700万年。氙129的发现意味着陨石和地球是在核合成后的几百万年内形成的。可见,地球“胚胎”的产生并不比地球诞生早很多时候。
更奇妙的是陨石、地球岩石和月岩样品中各种元素的同位素的比例是相同的。这说明它们都在同一个核“锅”里“煮”过,并在“盛”到行星这个“碗”里以前就已经过了许多次的混合,碘129“记录”到的最后一次太阳系爆发可能与邻近太阳的超新星爆发有关。在超新星产生的可怕冲击下可能开始了原始星云的收缩——这是未来产生行星的必然标志。
原始星云在微观上是绝对均匀的,还是由微米大小的、已有各种化学成分的粒子组成的呢?这是物理学家和行星学家们争论的焦点。但不论哪种情形,地球具有球状特征——分层结构则是后来才有的。那么就要问:这发生在什么时候?地核又有多少岁了?这可根据有剩余磁化的岩石的年龄来确定,这种剩余磁化形成于岩石硬化之时。岩石中的基本磁场随当时的磁极方向的变化而转向,并记下了磁场强度。人们假设:一个磁场可通过地球液态铁核内的物质流动而建立。www.feiyu01.com,最古老的剩余磁化岩石——辉长岩,是在非洲找到的,它的年龄达26亿年。这表明地磁场和地核在那时便已存在。有人认为地磁场出现得还要早些,约36~37亿年前,因为这种年龄的变质岩也发现有剩余磁化。总之,地核出现在很早的地球婴儿时代。这与登月飞船的月球上带回来的月岩是一致的,30亿年龄的月岩和古剩余磁化有很高的对应磁化强度,与今天的地磁场强度差不多。
地核的出现既可能是行星成熟的标志,也可能是大气产生的标志。日本有一教授认为大气产生得很早,并且是以爆炸的方式突然产生的。他仔细地研究了大气和金刚石中的同位素氩40和氩36,得出地球大气是在40~35亿年前从地球熔岩中释放出来的结论。最初的大气是由二氧化碳、氮和水汽组成,这种大气层很薄,太阳风和紫外线可以穿过它到达原始土壤上,引起化学变化,产生有机物。如果在原始大气中还有一氧化碳,那么原始暴风雨的闪电也会合成出珍贵的未来生命胞籽,并靠氧气维持。它的出现同样属于遥远的前寒武纪。在古老的沉淀物中发现了“有机”碳,这意味着发现了生命的痕迹。因此,由于生物的光合作用,早在35亿年前地球大气中就出现了氧气。
最后,地球物理学家还必须重视地球化学中有关地幔和地壳交换质量的新资料。用质谱仪测定各种年龄的火山玄武岩样品(从地幔流出的),得到同位素锶87和锶85的含量比。锶87是放射性铷87衰变来的,所以由这种同位素含量比可以知道铷——锶系列有没有被封闭,以地幔迁移到地壳的元素是“母”元素还是“子”元素。看来这种迁移确实发生了,而且迁移的是铷。原因在于铷有较大的电离半径,于是它比锶更快地占据了岩浆中的“空隙”,然后通过炽热的火山被带到地面上。由此可推出一个重要结论:现代地壳完全不是地球早期发展阶段产生的古代地壳重新结晶的产物,而是发生在整个地球史阶段,由来自地幔的物质逐渐形成。
地球学的复杂性还在于研究者的有限生命,与地球内部发生的过程相比短得不可思议。在这种条件下根本不知道用外推的办法是否可靠,而实验室里的物理化学方法也显然是不充分的。对地球学而言,比较可取的一种方法当推行星比较学。选择处于不同发展阶段的行星“样品”,这样便能更好地认识地球。
过去通常认为地球的年龄为150亿年。德国波恩大学的两位学者最新研究的成果表明,宇宙诞生至今已有300亿年。

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