地球最古老岩石的奇幻月球之旅

月球 · 2019-4-18 17:50:55

　　科学家找到了最古老的地球岩石，年龄超过40亿年。然而，说起来有些曲折，这块岩石是在月球上保存下来的，直到大约50年前才被阿波罗14号重新带回到地球上来。
　　从月球上带回来的岩石，科学家如何认定它形成于地球？当初这块岩石又是怎么跑到月球上去的？
　　这个故事，可就说来话长了。

说出来你可能不信，阿波罗14号宇航员从月球上带回了最古老的地球岩石。图片来源：NASA

　　地球46亿岁了，和太阳系各大行星几乎一样古老。46亿年来，地球一刻不停地塑造着自己的环境，日日新又日新。在这个充满活力的星球表面，还寄宿着一群同样活泼的栖居者——生命。亿万年来，生命由简单一步步走向复杂，并在复杂中一步步孕育出智慧。这是一个向前看的故事。我们叫它演化。
　　但处在演化进行时的智慧生命——人类，却把头扭转180度，往回看了起来：他们想弄明白地球的历史脉络，想得到地球历史原点的记忆。但很快，他们遇到了难题，这套支撑了生命不息演化的环境，对历史档案的保存却是灾难性的。在时间的长河里涉足愈深，能够解读的档案就愈发语焉不详。至于地球出生时的细节，已经几乎被它自己糟蹋完了。
活泼环境的代价
　　说穿了，昨日早已不在，想要挖掘旧日环境特征，只能寻找在当时环境中对应形成的坚固记录——也就是岩石。但在始终保持着活跃的地球上，永不停歇的风化作用让旧日环境破碎磨灭，持续不竭的构造作用则让旧日环境翻覆循环。在这些过程中，封存着远古记忆的岩石史料，不是被地表的风雨磨成毫无意义的尘埃，就是被板块的碰撞送入炼狱般的地幔，彻底融化，成为孕育新生岩浆的素材。
　　想在这样的艰难背景下一路保存至今，不仅仅需要物态上的稳定，大概也需要一丝丝的幸运。
　　迄今为止，地球上发现最古老岩石是Acasta片麻岩，年龄接近40亿年。那46亿-40亿年前冥古宙的这段时间呢？对不起，史料空白。
　　只有在地质运动极其稳定的区域内，并且自身的物理化学性质也得极其坚韧——比如杰克山的那颗锆石，才能有幸闯过冥古宙的一路蹂躏，勉强保存下来。但即便这样的稀世遗宝，也不过就是一颗能报出44亿年“读数”的硅酸锆晶体罢了。晶体只是成分固定的化合物，而岩石却是在环境的综合控制下，由繁多的化合物组装而成的精细结构。晶体记录的信息量，根本无法与岩石同日而语。于是，除了记录下年龄成为地球最古老结晶以外，人们也就不在那颗锆石身上追问别的所以然了。

杰克山的锆石晶体，是迄今发现的最古老地球物质，形成了大约44亿年前。但除了年龄以外，它无法提供更多关于当年环境的线索。图片来源：John Valley, University of Wisconsin

　　除了把目光投向时间的起点外，人们还在拓展空间的边缘。我们的天然卫星——月球，自然成为接纳人类雄心的第一站。接下来就是一幕幕熟悉的故事：露娜的来访、阿波罗的登陆、嫦娥的飞腾。跨越两个世纪的不竭探索，将一次次迈向未知领域的壮举刻在科技史的长卷上，但值得记入史书的奇迹，并不只有太空步和月球车，还有那些被带回地球的珍贵月岩样品。
　　在科学家手里，那是另一扇足以叩响新世界的大门。
　　月岩第14321号样品，由1971年登月的阿波罗14号宇航员采自弗拉·毛罗环形山（Fra Mauro crater），是雨海陨击事件中迸溅到月球表面的月岩碎片。几十年后的今日，想挖掘月球历史新篇章的人们，仍旧不减当年热情地关注着他们。毕竟，它们是目前人们想接触月球物质最方便的途径了。（比起把人重新发射上去再搬一块回来，在NASA那儿申请切一小块回来研究的难度，显然小太多了。）
　　近日，当人们从这块珍贵的样品上切下新的一小块研究时，却发现“打开的方式”有点不太对：怎么感觉这块不是月岩，而是一块地球上常见的普通石头呢？
　　阿波罗宇航员显然不可能大老远飞到月球上去搞恶作剧。那么，为啥一块地球石头会封存在月岩内呢？而且这还不是最扑朔迷离的地方。更令人匪夷所思的是，由于雨海陨击事件本身发生于距今40亿年前，不难推想，在雨海事件中被砸出来的这些月陆残片，形成的时间必然要比40亿年前更早。这相当于承认：这块地球石头，在月球上被静放了40多亿年！
　　等等，40多亿年前的地球岩石？这不正是回溯地球历史的人们苦苦追寻的“圣杯”么？地球自身失落的记忆，居然出现在月球上？！

白色圈圈代表阿波罗系列诸任务的着陆位置；蓝色区域内的月海便是雨海。图片来源：维基百科；本文作者在此基础上添加了雨海的范围

不是月岩的“月岩样品”
　　月岩第14231号样品是一块砾岩，由许多更小的独立岩屑相互粘合而成。它有着一个有趣的昵称：大伯莎。科学家开始注意到它的不对劲儿，是因为发现它的其中一块岩屑的成分压根无法在月球环境下形成。
　　是的，岩石这种东西，也是要分产地的。
　　月岩的种类可简单了。以成分来看，你能在月面上找到的“土著”岩石，不外乎只有两大类：斜长岩和玄武岩（如果不算从外头飞进来的陨石）。斜长岩是构成月陆的主要成分，几乎清一色由钙长石这种单一矿物成分所组成。当月球最初还是一片岩浆海的时候，钙长石逐渐从岩浆里结晶析出，它们比重较小，全部漂浮到岩浆海的表面，相互连接，最终凝成月陆。而在随后的岁月里，剩下的岩浆也找到了机会涌出月表，充填了月面上的低洼盆地。这些岩浆一经凝固，就形成了所谓的玄武岩。由于富含镁铁，这些玄武岩颜色较暗，构成了我们今日清晰可辨的月面暗斑——月海。
　　而这次在“大伯莎”上切下的新碎屑，属于上述哪一类呢？都不属于。
　　它是一块长英质岩，由石英（SiO2）和钾长石（KAl3SiO8）组成。石英的析出，标志着岩浆中二氧化硅达到饱和，这一条件在月球的原始岩浆中是远远达不到的。而钾也是一种和原始岩浆相性很差的元素，只有岩浆中的镁铁质晶体析出得差不多了，它才会“极不情愿”地从岩浆中结晶而出。这样的条件，月球上的岩浆也是达不到的。
　　那么，哪里的岩浆能满足这两种成分结晶析出的条件呢？地球。事实上，以这两种标志性物质为特征的长英质岩类，在科学家眼中几乎是“地球岩石圈土特产”的代名词。此外，科学家还进一步测定了该岩石内部的微量元素特征（它们与生成环境的对应关系更精确），发现这块碎屑形成于氧含量较高而温度相对较低的环境。在科学家眼里，这照样不是月球能够提供的环境条件。40亿年前，能完美满足上述环境的地方只有一个，仍然是地球。
　　那么，为啥一块地球岩石会出现在月球上？而且，早在40多亿年前就飞了上去呢？

月岩14321号样品“大伯莎”（Big Bertha）的野外原位照片，阿波罗14号宇航员阿兰‧谢泼德（Alan Shepherd）1971年摄于月球。图片来源：NASA。

亿万年前的“登月工程”
　　科学家回答这个问题的出发点，是一个放在本文里似乎没多大关联的事实：月亮正在逐渐远离我们。
　　阿波罗宇航员登月时可不光踩了些脚印、搬回些石头，他们还在月面上摆了几面镜子。从地球朝这些镜子发射激光，通过测量激光反射回地球所用的时间，人们就能计算出地月距离。几十年来的测量显示，激光返回地球的时间逐年都在变长。这意味着，月球每年离我们都更远了。
　　N年之后它会飞到哪儿？别管这个。我们先回过头想想：在过去，月球是否离我们更近呢？是的。天文学家经过推算发现，反推回40亿年前的话，月地距离只有今日的1/3不到！

今日的地月距离和39亿年前的地月距离对比。如果站在当时的地表看月亮，会发现它比今天的月亮大差不多3倍。图片来源：David Kring, 月球与行星研究所/月球科学勘测中心

　　这个距离，对登月工程来说方便太多啦。只不过，彼时登月的不是人类，而是地球上的岩石。
　　40亿年前，冥古宙，太阳系刚走出一片混沌的原行星盘时代，尽管大大小小的星球都已经逐步形成，但行星之间轨道的调整还是让太阳系成为一片充满危险的地方：轨道相交了怎么办？撞。轨道没相交但邻居挪跑了怎么办？也得跟着调整，然后轨道改变，继续撞。当时，密密麻麻的小陨石撞向原行星如同家常便饭；而原行星和原行星相撞也照样泛滥。在这样的环境下，说不定哪颗“愣头青”某天就一股脑朝着地球撞过去了。撞击过程的能量太大，砸碎了地壳，迸飞了无数地球岩石的碎块。许多碎块飞着飞着，就再也没落下。
　　没错，达到第一宇宙速度，飞向星辰大海了。
　　其中一些“发射成功”的小石块，在突破地球轨道之外，很快就遇到了近距离守在地球上空的大月亮。月亮说，还是别星辰大海了，都过来陪我吧。就这样，这些来自地球的小石块完成了“登月着陆”，和月球地壳融为了一体。
　　但在当时那个环境下，月球同样不是一片宁静祥和的乐园。距今40亿年前左右，冥古宙后期重轰炸如期而至。无数小行星再一次把月球表面砸了一遍。当那颗直径差不多200公里的小行星砸出后来的月海盆地之时，不用想，自然又是无数小碎块漫天飞。其中就包括我们的“大伯莎”。而且此时，它“怀中”还紧紧抱着上次地球挨砸时迸飞过来的那块地球碎屑。只不过，“大伯莎”并没能脱离月球引力的束缚而一去不复返。在月球上空划过抛物线之后，它终归还是落在了雨海盆地南侧的弗拉·毛罗地区。
　　当时的它还不知道，这颗星球短暂而活跃的历史已经走向尾声。由于体积太小，月球的引力天然就无法在表面维持一个浓厚的大气层，进而驱动气候令岩石圈迎风沐雨；由于内能太少，月球的热量天然就无法在内部维持一个对流的地幔，进而驱动板块构造，令岩石圈挪移更替。月球的活跃只是一个表象，是冥古宙后期活跃陨击期一个被动的注脚而已。一旦陨击期结束，月球和活跃彻底道别的日子就不远了。
　　这一切对于月球表面的岩石来说，却是个值得庆幸的历史分水岭，因为它们幸存了下来。

月岩14321号样品中包含的地球岩石碎片。图片来源：月球与行星研究所

　　遥看隔壁地球，岩石圈跃跃涌动，生物圈演化不息，一切都是不安分的，一切都是短暂的。新世界的地基贯穿旧世界的碎片，新世界再度成为旧世界，把明日让给来者。地球永远在变，月亮永远静观。地月连线的距离，一侧翻天覆地，一侧沉默无言；荏苒时光中，这一等就是40亿年。
　　直至月尘再次扬起，似乎又有地球物质飞了过来？只不过，这次不是残暴的撞击，而是人类好奇的脚步。他们搬起静待了亿万年岁月的岩石，进入太空舱，跨越重重的黑暗，又回到属于他们的世界。
　　人类当然会为这一新发现而感到兴奋，他们可以问心无愧地宣告：我们终于取回属于地球自己的历史。（虽说是从月球上绕了一大圈吧……）
　　那么岩石呢？倘若铮铮磐石有心，穿越40亿年光阴和38万公里旅途的它，大概也会为有一天居然能重返家园而感触些什么吧。毕竟，每一位归乡的旅人，多少都怀揣着一些相同的默契。

家，美丽的家。欧空局宇航员提姆·皮克(Tim Peake)摄于国际空间站。图片来源：ESA

　　“地球，我回来了。”

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