地球的故事:从一粒星尘到充满生命的世界,45亿 年的地球演化史诗

第三章 黑地球 *早的玄武岩地壳 地球年龄：5 000万年到1亿年 地球在其漫长的历史中经历了许多次变革性事件。大撞击无疑是*具破坏性的，随后的月球形成产生了称得上*为深远的影响。但是，一个巨大孤独的月球绕着一颗充满挥发物的行星运行这样的结果，绝不是化学和物理定律的必然结果。 哪怕地球和忒伊亚之间古老的相互作用中的细节出现一丁点微小的变化，月球形成的故事可能就会变得非常不同。如果撞击得更精确，正面直击中心，更大一部分忒伊亚的质量将变成地球的一部分。那样的话，我们很可能就不会拥有卫星，因为忒伊亚和地球会合并成一个更大的没有卫星的行星。又或者，忒伊亚恰好错过了地球，它的轨道可能被改变朝内抛向金星，或者朝外扔向火星，它也许就永远地离开了地球这个邻居。如果撞击得更偏一些，散布的碎片可能会产生数颗卫星来装点地球的夜空，尽管这些卫星会小得多。 偶然性在我们动态的宇宙邻居中扮演着重要角色。我们太阳系的历史是由一连串撞击和侥幸逃脱的事件组成的。灭绝恐龙的小行星也有可能偏离了目标，拯救了霸王龙和它们的后代，让恐龙再进化数千万年。也许，聪明的鸟会变成有智慧的飞行工具制造者。也许，漫长的中生代里矮小的哺乳动物永远不会有多大的成就。只要在这里或那里稍加改动，地球就会走上一条截然不同的道路。 但是，宇宙的某些方面又是必然的、确定的。从大爆炸那一刻起，大量的质子和电子，以及相应的氢和氦产生，它们被植入我们的宇宙中。恒星的形成是大量氢和氦产生的不可避免的结果。通过核聚变反应和超新星合成的其他所有元素，同样是富氢恒星形成的注定结果。还有各种引人瞩目的行星的吸积，比如类地行星、类火星行星、类木星行星，以及至今才被发现围绕遥远的恒星运行的几十种行星，它们是所有这些化学元素合成之后的必然结果。 因此，后忒伊亚时代的地球进入了一个冷却和自组织的动荡时期。那个新生的世界是什么样的？地质学家将地球历史的**个5亿年称为冥古宙，因为他们知道，那时的地球环境一定如地狱般恶劣。一些有根据的推测描绘出了地球冥古宙的壮观景象：含硫的火山喷发、炽热的熔岩河，还有小行星和彗星的持续轰炸，不断地搅乱地球表面。然而，如果想知道地球*初数亿年的任何细节，我们还面临着严峻的挑战，因为我们完全缺乏实物证据。 关于地球的起源，我们有来自太阳系丰富的记录，太阳和无数其他物体被引力束缚。数以万计的陨石让我们对星子时代有了*详细、深入的一瞥。每一块月岩和每一粒月球土壤中都能找到月球起源的细节。但没有任何东西能从地球*早的时代幸存下来，至少我们找不到有关地球自身的任何东西。没有一块岩石碎片，也没有任何矿物颗粒。 但值得注意的是，这些证据仍有可能以陨石的形式存在，这些陨石在数十亿年前的巨大撞击中从*早的地球表面喷出，随后又落回地球，或者落在附近的月球上。类似的样本一定存在，也许还有很多，有些样本一直以来几乎完全没有改变。事实上，寻找地球上*早的遗迹被认为是去往月球的许多科学依据之一。对月球表面进行严格的地质调查，也许我们能幸运地找到一些不寻常的冥古宙时期的石头，从而揭示地球遥远过去的真相。 尽管若能找到一块*早的地表硬化样本当然很好，但我们现在也并非完全没有头绪。因为虽然地球不断地变化，但化学和物理定律从未改变。45亿年前，同样的化学和物理定律主宰着地球，直到今天依然如此，地球再未经历过任何真正的巨大的撞击，也未发生其他影响整个行星的复杂问题。 基本必然性 地球的早期演化是两种相互交织的化学现实形成的结果，分别是宇宙化学（制造元素）和岩石化学（制造岩石）。首先是宇宙化学，以及行星产生的所有较重的元素，也就是元素周期表中除了氢和氦（**行的一号和二号元素）之外的所有元素。在我们的宇宙中，一些化学元素注定要占主导地位：氧、硅、铝、镁、钙和铁，它们的含量远远超过了其他所有重元素，特别是在岩质类地行星中更是如此。这6种元素占了地球质量的98%，它们在月球、水星、金星和火星所占的质量比例同样是这么高。 “六大”元素中的每一种，都有自己独特的化学故事。每种元素都以自己的方式，帮助地球在大撞击后不可避免地变成现在的样子。这个关键就是化学键合。回想一下，当模糊的电子云相互作用，重新形成更稳定的排列时，原子就会聚集在一起，特别是具有2个、10个或18个电子这样神奇数字的原子。为了使这种交换可行，有些原子必须交出电子，而另一些则必须接受电子。 氧是地球的主要电子受体。每个氧原子的原子核中都有8个带正电的质子，以及8个带负电的电子来维持电平衡。但是氧总是在寻找两个额外的电子，产生10个电子的神奇数字。这种不断获取的欲望使氧气成为自然界中*具反应性和腐蚀性的气体之一。这真是太讨厌了。 大多数人想到氧气，会*先想到它是大气的重要组成部分（占大气的21%左右，来维持我们的生命）。但这种宜人的大气发展是地球历史上相对近期的变化。至少在地球*初的20亿年里，大气中完全没有氧气。即使在今天，地球上几乎所有的氧气，或说99.9999%的氧气，都被封在岩石和矿物中。当你爬上一座雄伟蜿蜒的山，或者走在一片被狂风吹拂的裸露岩层上，你脚下的大部分原子都是氧。当你躺在沙滩上，支撑你重量的几近三分之二的原子是氧。 要使氧作为电子受体发挥这种关键的化学作用，还必须有大量原子能够释放或共享它们的电子。*多产的电子给体是硅，硅几乎占地壳和地幔中四分之一的原子成分。硅的原子核中有14个带正电的质子，并由14个带负电的电子平衡。硅通常会放弃4个电子，从而达到10个电子的神奇数字，变成带正电荷的硅离子。在地球岩质的地壳和地幔中，这四个被放弃的电子几乎总是被两个氧原子吞噬，氧原子就会变成带负电荷的离子。因此，几乎在每一种岩石中都发现了强劲的硅氧键，尤其是在石英或二氧化硅中，后者是一个硅原子和两个氧原子组成。坚硬的半透明的石英颗粒可以保存很长时间，数不清的颗粒堆积在海岸线上，是迄今为止*常见的海滩沙矿物。你或还会看到新世纪商店里出售的“能量水晶”，它们是精心切割的、美丽的透明石英晶体样本。当你拿着这样一个珍品时，你手中握着的三分之二是氧。 具有硅氧键的晶体统称为硅酸盐，是地球上*常见的矿物，目前已知有1300多种类型（几乎每个月都有更多的类型被发现）。由于硅氧连接的多功能性，这些硅酸盐的原子结构和性质差异很大，石英和长石具有顽强的耐候结构，宝石绿橄榄石和红石榴石（分别是8月和1月的半宝石诞生石）具有簇状布局，石棉则带有针式链状硅酸盐的某些显著特性，云母之类的矿物薄片曾被用作廉价的窗玻璃替代品。 尽管钙、镁和铝元素的含量低于硅，但它们都在地壳和地幔中*常见的硅酸盐岩石的结构上起着关键作用。作为正离子，就像更丰富的硅那样，它们偶尔会与氧单独结合，形成氧化钙（就是我们用在草坪上的化学石灰），或者生成稀有的氧化镁化合物，以及（当微量的稀有元素铬或钛与氧化铝结合）珍贵的红宝石或蓝宝石。 铁是六大元素中的第六个，是迄今为止功能*多的元素。其他五种元素（氧、硅、铝、镁和钙）都具有一种显著的化学特性。氧几乎总是两个电子的受体，硅几乎总是四个电子的给体，铝则是三个电子的给体，镁和钙则是两个电子的给体。但26号元素铁，则扮演着三个截然不同的化学角色。 铁的多功能性能够从地球的层状结构中体现出来。在以氧为主的地壳和地幔中，大约十分之一的原子是铁，而地球的金属地核则有超过90%是铁。这种强烈的反差源于这样一个事实，这个元素的26个电子远远超过了*接近魔法数字的数量，也就是18个电子，使得铁成了一个出色的电子给体。铁不可能给出8个电子（没有一个原子能接受这么多电子），所以它必须与任何恰好出现的电子受体产生关联。 有时，铁的作用就像镁一样，它释放出两个电子成为+2离子。在这种二价状态下，铁会使许多矿物和其他化学物质呈现出独特的绿色或蓝色。贵橄榄石（含铁的橄榄石）这种宝石具有一种独特的绿色，静脉中缺氧的血液也会呈现蓝绿色，它们都是二价铁透露的信号。在这种色泽下，铁以一比一的比例与氧结合。由于镁原子和铁原子的大小相似，在地壳和地幔的常见矿物中，这些元素常常自由地相互替代。地球上一些*丰富的矿物，包括橄榄石、石榴石、辉石和云母，都有各种不同的镁铁比，从含有100%镁的无色矿物，到含有100%二价铁的深色矿物都存在。 然而，铁并不限于+2态。在有许多电子受体存在的情况下，铁原子很容易放弃第三个电子，变成一个+3离子。这种三价铁的形式呈现为一种独特的砖红色。红锈斑、红土、红砖和富氧的红色血液，这些鲜艳的色彩都归功于三价铁。和+3价态的铝一样，三价铁以2:3的比例与氧气结合，形成Fe2O3，这是一种常见的矿物，由于它血一样的颜色而被称为赤铁矿。正如镁通常会取代铁的二价态一样，铝通常能取代铁的三价变体。石榴石、闪石和云母等矿物展示了所有可能的铝铁比，这种情况下，富含铁的品种呈现出红色，而不是绿色。 因此，通过从+2态切换到+3态的有用的技巧（我们将在几十亿年后再次讲到这种非凡的能力，也就是当生命**次出现时），二价和三价形式的铁就像六大元素中的其他元素一样扮演着重要角色。但是，铁在地球上还有一个更重要的作用，就是它很容易形成金属。 迄今为止，我们介绍的大多数化学键都涉及电子交换，从而产生离子。铝、镁、钙和铁给出电子，氧接受电子。因此，这些键被称为离子键。但金属采用了一种截然不同的键合策略。在金属中，每个原子释放一个或多个电子，从而带上正电。但是那些被流放的电子在金属中以一种黏性的“负电之海”形式存在，它们把所有带正电的原子聚集在一起，就像糖浆中一列列整齐排列的小滚珠一样。铁金属是一个巨大的铁原子集合，这些原子共同享有这样的非定域电子。 这种集体行为带来了极大的影响。首先，所有这些共享的电子都可以自由移动，因此金属可以成为出色的电导体（电只不过是电子受控的流动）。相比之下，在由氧加上镁或铝形成的离子键合材料中，每个电子都被紧紧地锁在一起，以至于电流不可能流动。金属键合的另一个结果是，这种材料倾向于弯曲，而不是断裂。原子周围的电子海可以折叠扭曲，而不失去其总体强度，这与大多数脆性岩石和矿物的性能完全不同。