从一枚鹅卵石看地球通史
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地球深处的故事

地表的岩浆海洋需要上千万年才能冷却。地表首先凝固,产生了一块块坚固的外壳,这就是最初的大陆,它们漂浮在岩浆上,随岩浆流动而流动。下层的岩浆也开始冷却凝固,形成了(大部分)固态的地幔岩石,而整个地幔仍在缓慢地流动。

岩浆的流动形成了如今的海陆分布,而直至今日,地幔依然通过板块构造驱动着大陆移动——这是太阳系中独一无二的陆地运动模式。软流层中上涌的地幔物质扩散开来,形成了地表的洋壳;之后,它们慢慢沉降,回落到更深处,下沉的物质反过来又驱动地幔对流。随着地表冷却,降雨开始了。雨水一部分来自地球内部的火山排气,另一部分则来自诸多富含冰的彗星造访,它们汇集成地球上最早的海洋。

构成未来我们能捡到的鹅卵石的原子,此刻就藏在这些地下岩流的某处。当时的岩流速度比现在更快(也许是现在的两倍),温度也更高。古老地球深处的温度更高,一方面是因为它的天然放射性更高,另一方面是因为忒伊亚星撞击产生的余热未消。我们可以从一些火山岩中找到这方面的证据:有一种熔岩叫科马提岩,它比如今的熔岩密度更大,铁和镁的含量也更丰富,这表明它形成时的温度更高。根据现存的最古老的地壳岩石残片可以判断,当时板块构造的基本运动模式与我们今天看到的模式大致相似。

鹅卵石原子当时大多在地下数百或数千千米深处,介于地壳表面和地核表面之间。它们在地幔岩石的矿物质中循环流动,等待大约30亿年后被释放出来。地幔大部分是固态的岩石,但它若是承受了足够大的持续压力,就会像今天的冰川中同样坚硬的冰晶一样缓慢流动。冰川受到的压力是重力,运动方向是向下的;地幔岩石受到的压力则首先来自放射性产生的热量,越深的地方热量越多,这些热量会让岩石的密度降低,使其向地表上升,尤其是在地幔与温度更高的地核接触的地方。而当缓慢喷涌的岩石上升到足够高的位置,冷却并变得更加致密时,重力就会起作用,岩石物质在自身重量的作用下开始向地核回落。这样一个上升和下降的循环需要数亿年的时间。早在恐龙统治地球时,现在靠近地壳的部分地幔就已经开始了其上升之旅。

在坚固的地球内部有一些捷径,好比岩石的“高速公路”,它们被称为地幔柱,是温度更高、速度更快的上涌岩石喷流,高达几百千米,直径有一两百千米。其中一处地幔柱约在6 000万年前首次到达地幔表面,目前仍在抬升冰岛下方的地壳(当然也包括冰岛本身),使其比原来高出约3千米。另一处地幔柱位于夏威夷冒纳罗亚火山下方,它提供的额外热量产生了熔岩,这些熔岩涌向地表,使冒纳罗亚火山在短短的几百万年里成为地球上最大的火山(以火山口顶到海底的山基的大小计,也是最大的山峰)。

自固态地球最初形成以来,未来形成鹅卵石的原子就已经在矿物中紧密结合在一起了:特定的矿物反映出原子排列的规律,这不仅符合各种元素的化学亲和性(例如,硅酸盐矿物中带正电荷的硅和铝与带负电荷的氧结合在一起),也适应地表以下数千千米深处的条件,包括高温(目前温度在1 000~4 000摄氏度,从前温度更高)、高压(相当于数千个大气压)等,这些都导致地幔矿物的原子紧密堆积。

如今,我们可以在实验室里短暂地模拟地下深处的条件,制造出极少量的类地幔矿物。为了做到这一点,地质学家将一撮地表矿物放在微小(但非常有力)的金刚石压砧上,将它加热到适当的温度,再用压砧用力挤压。我们可以用X射线照射它们,观察出现的图案,来见证在这样的温度与压强下矿物颗粒发生了什么改变。图案反映的不是这些颗粒的外部形状,而是内部的原子排列。为了使实验更加真实,这些颗粒必须与地幔的化学成分类似——富含铁和镁,而硅和铝含量较少。

当原子的框架被压缩得更紧密时,新的矿物就会出现,往往伴随着明显的“砰”的响声。在深约1 000千米的位置甚至更深处出现的矿物都有着陌生的名字,比如钙钛矿(更深处还有后钙钛矿)、林伍德石和铁方镁石等。偶尔也有我们熟悉的矿物,比如碳在高压状态下会形成笼状的框架结构,也就是备受追捧的钻石。

就这样,鹅卵石原子被束缚在这些高压框架结构中长达30亿年,仅以每年几厘米的速度缓慢移动。我们并不清楚地幔流的具体形式。毕竟,目前的科技水平无法让我们直接进入地幔,观察它可能的运动方式。我们的知识来源于从压砧实验中收集到的信息,来源于跟踪地震波在地球上的传播过程,来源于观察火山零星喷出的地幔岩块。地震波数据清楚地表明,如今的地幔主要由两个部分——下地幔和上地幔组成,它们密度不同。它们之间的边界可能代表着一种“相变”,将适应不同压力和温度环境的矿物分离。然而,还有一些问题存在争议,比方说,如今的岩流是否可以随意穿越这一边界?还是说有两个独立的岩流系统,只是两者之间存在互通之处?

图1 地球结构及其内部运动的岩流

如果在前寒武纪时期,地幔是这样运作的,那么这些鹅卵石原子在每隔几亿年的上升或者下降过程中,早就该重新调整自己,变成不同的矿物结构了;它们或许还会和相邻的矿物产生一系列连锁反应,从而产生足以撼动地球表面的强烈地震波。

在地幔的深度,温度约为几千摄氏度。这个温度如果放在地表,已经足以熔化所有这些矿物了;但在地幔中矿物大多保持固态,这是因为在这样的深度条件下,压力也是巨大的。在不断深入地球内部的过程中,压力将持续增加,这些矿物在整个地幔中基本保持固态,只有少数一些例外,我们稍后会讨论。直至地幔底部,也就是地幔与地核的边界处(温度约4 000摄氏度),巨大的变化发生了:这里突然变成了致密的液态(我们在地表也可以探测到这一点,因为它能阻挡某些类型的地震波),矿物成分是熔融状态的铁与镍;温度也在急剧上升。地幔中的硅酸盐岩就像一个巨大的保温瓶内胆,包围着这滚烫的金属地核。

地幔某些部分的温度之高也足以打破压力赋予矿物的稳定状态。原子快速振动,进而打破原子间的化学键,让固态矿物熔化了。也不是所有的矿物都会熔化,那些化学键较容易被打破,或者说熔点较低的矿物才会如此。地表之下,岩浆池形成了,它的密度往往会低于周围没有熔化的岩石,硅含量较高而铁、镁含量较低。所以,当这些岩浆能找到一条上升通路时,它们就会溢流到地表。