相信很多人對(duì)《尋夢(mèng)環(huán)游記》這部電影并不陌生，甚至每一次觀影都會(huì)被深深感動(dòng)（圖1）。在這部電影里，主人公的太奶奶Coco是過(guò)去與未來(lái)，消失與存在之間最重要的連接點(diǎn)。而當(dāng)背景音樂(lè)《請(qǐng)記住我》響起時(shí)，我想起了幾年前逝去的太奶奶。

我的太奶奶是個(gè)和藹可親的人。小時(shí)候的我總喜歡躺著她懷里睡覺，因?yàn)槊看挝倚褋?lái)她都會(huì)偷偷塞零食給我。但在她去世那一刻，那些記憶就只有我擁有了。于是，一個(gè)問(wèn)題浮現(xiàn)在腦海：如何證明一件事物真實(shí)地存在過(guò)？

對(duì)于人來(lái)說(shuō)，是存儲(chǔ)在大腦中的記憶。那么地球的記憶是什么呢？沒(méi)有神經(jīng)元作為存儲(chǔ)中介，地球的記憶是幾經(jīng)曲折終于測(cè)得的地質(zhì)年代，還是被地質(zhì)運(yùn)動(dòng)無(wú)數(shù)次改造巖石的記錄？

圖1 《尋夢(mèng)環(huán)游記》出自皮克斯動(dòng)畫工作室。盡管該片是一部喜劇，但故事對(duì)生命和死亡深刻的探討依舊催人淚下。

一、曲折的地球測(cè)年史

17世紀(jì)，在近代科學(xué)運(yùn)動(dòng)的影響下，物理神學(xué)運(yùn)動(dòng)試圖通過(guò)科學(xué)說(shuō)明地球創(chuàng)世的歷史。在這種思潮的影響下，愛爾蘭大主教詹姆斯·厄謝爾于1650年（James Ussher）根據(jù)《圣經(jīng)》推演出：世界是在公元前4004年10月23日創(chuàng)造出來(lái)的。于是，那時(shí)的歐洲基督徒大都相信地球只存在了不到6000年。

當(dāng)然科學(xué)不會(huì)止于此，地質(zhì)學(xué)家都堅(jiān)信地球年齡遠(yuǎn)不止6000年，但如何通過(guò)科學(xué)方法定年是一個(gè)問(wèn)題。艾薩克·牛頓首先對(duì)這一問(wèn)題發(fā)起了挑戰(zhàn)，他假設(shè)地球?yàn)橐粋€(gè)炙熱的大鐵球，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和換算，牛頓認(rèn)為表面溫度下降至現(xiàn)今水平所需要的時(shí)間可能需要5萬(wàn)年。在牛頓之后，布豐經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)將這個(gè)時(shí)間增加到7.5萬(wàn)年（甚至私下認(rèn)為是300萬(wàn)年）。不過(guò)牛頓畢竟不熟悉熱力學(xué)，最后開爾文在1862年（Lord Kelvin）做了改進(jìn)工作，而他的結(jié)果是年齡在0.2~4億年之間。

除了熱力學(xué)方法之外，英國(guó)地質(zhì)學(xué)家約翰·菲利普斯（John Phillips）在1841年通過(guò)模擬沉積速率的方法，計(jì)算出地球的年齡約為9600萬(wàn)年。但同時(shí)代的查爾斯·萊爾（Charles Lyell，《地質(zhì)學(xué)原理》的作者）等地質(zhì)學(xué)家表示難以接受這么短的地質(zhì)年齡。達(dá)爾文認(rèn)為風(fēng)化作用將巖石改變至現(xiàn)狀至少要有3億年，這樣才能滿足漫長(zhǎng)的遺傳變異積累和自然選擇過(guò)程。此外，還有科學(xué)家利用測(cè)定海水含鹽量以及測(cè)定月球速率的方法推算出地球時(shí)間。但是，受限于當(dāng)時(shí)的科技水平，推理出的數(shù)字都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于真實(shí)的地球年齡。

人類能夠測(cè)定真實(shí)地球的年齡還得等到20世紀(jì)初，這與一個(gè)耳熟能詳?shù)娜宋铩R瑟福（Ernest Rutherford）相關(guān)。1905年，盧瑟福在耶魯大學(xué)做了一個(gè)關(guān)于放射性測(cè)年的科學(xué)報(bào)告。盧瑟福意識(shí)到鈾裂變會(huì)產(chǎn)生氦氣，只要測(cè)定巖石中的氦氣質(zhì)量就能估算出年齡，經(jīng)過(guò)對(duì)一些巖石的初步測(cè)量，地球的年齡被推至5億年，盧瑟福認(rèn)為實(shí)際年齡會(huì)更長(zhǎng)，因?yàn)楹饪赡軙?huì)泄露一部分。

圖2 歐內(nèi)斯特·盧瑟福，他是公認(rèn)的“核物理之父”，也是建立放射性測(cè)年法的理論奠基人

不過(guò)放射性測(cè)年是十分困難的，這種方法對(duì)儀器的靈敏度和精確度提出了很高的要求，想要再進(jìn)一步并不容易。芝加哥大學(xué)的核物理教授哈里森·布朗（Harrison Brown）和他的學(xué)生克萊爾·派特森（Clair Patterson）（圖3）最先在這個(gè)領(lǐng)域取得突破。

鈾鉛測(cè)年法的建立是十分曲折的，派特森測(cè)量的結(jié)果總是有很大的誤差，排除了各種影響后，他最終意識(shí)到了是隨處不在的鉛污染的原因。為了排除鉛污染對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響，他甚至為此建造了世界上第一個(gè)超凈實(shí)驗(yàn)室。在曲折的探索之后，布朗教授的團(tuán)隊(duì)終于第一次得到地球的真正年齡——45.5億年

圖3 芝加哥大學(xué)的核物理教授哈里森·布朗（左）和他的學(xué)生克萊爾·派特森（右）?？巳R爾·派特森是世界上第一個(gè)知道地球準(zhǔn)確年齡的人。

時(shí)至今日，盡管各種放射性同位素測(cè)年方法已經(jīng)逐漸完善，地球的歷史卻依然難以理清，尤其是那些遠(yuǎn)古的事件。因?yàn)闀r(shí)間跨度越大，使用的同位素半衰期越長(zhǎng)，分辨率越低，誤差也會(huì)越大。因此，那些遠(yuǎn)古歷史的細(xì)節(jié)，人們也就很難得知了。

二、殘缺的巖石記錄

1.缺失的地層

1869年5月24日，自學(xué)成才的獨(dú)臂地質(zhì)學(xué)家約翰·韋斯利·鮑威爾（John Wesley Powell）帶領(lǐng)一支科學(xué)考察隊(duì)，對(duì)美國(guó)西部的格林河和科羅拉多河流域諸多峽谷（圖4）進(jìn)行探索。然而，當(dāng)他們進(jìn)入峽谷后，一連幾個(gè)星期都沒(méi)有消息傳出。

不久，芝加哥論壇報(bào)就發(fā)了頭條新聞，說(shuō)鮑威爾團(tuán)隊(duì)已經(jīng)被卷入致命的急流中，永遠(yuǎn)地在峽谷中消失了。正當(dāng)大家一籌莫展時(shí)，鮑威爾團(tuán)隊(duì)卻又神奇地出現(xiàn)在公眾眼前。不過(guò)，仍然活著的鮑威爾倒確實(shí)在大峽谷發(fā)現(xiàn)了一宗消失事件，而這一消失事件困擾了地質(zhì)學(xué)家150多年。

圖4 如今的科羅拉多河畔峽谷，拍攝于科羅拉多河馬蹄灣。

原來(lái)，在鮑威爾進(jìn)入科羅拉多河畔后，他看到了一大片堅(jiān)硬的結(jié)晶巖石，這些巖石大多數(shù)是花崗巖和片巖，與一般的巖石水平堆疊不同，這些巖層沿著垂直方向排列。而在這些結(jié)晶巖層之上，是一層305米厚的水平紅色砂巖帶。

但是，在鮑威爾考察完垂直結(jié)晶巖后，他估計(jì)這部分巖石本應(yīng)該達(dá)3050米，但實(shí)際測(cè)量后卻發(fā)現(xiàn)有整整2000多米厚的巖石竟然完全消失了。他將這一怪事稱為“地層大角度不整合”（The Great Unconformity）。鮑威爾的觀察確實(shí)沒(méi)錯(cuò)。100多年后，同位素定年的結(jié)果表明：這些結(jié)晶巖中最年輕的部分大約17億歲，而上層的紅色砂巖最古老的卻只有5.5億歲。也就是說(shuō)中間差了十多億年，那些記錄著十億年歷史的巖層消失了。

實(shí)際上，早在18世紀(jì)以前，現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)之父詹姆斯.赫頓在英國(guó)海岸的懸崖上就發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，于是他提出了赫頓不整合，也就是現(xiàn)在教科書里的地層不整合（圖5）。地層不整合在全球都很常見，但碰巧的是，這次缺失的10億年地球歷史之后出現(xiàn)了兩件令人費(fèi)解的事件：一個(gè)是5.4億年前的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)（Cambrian explosion），一個(gè)是距今約8億到5.5億年之間的“雪球地球”大冰期（Snow ball earth）。

因此，一種假說(shuō)認(rèn)為，“雪球地球”大冰期的濕冰川有能力侵蝕和搬運(yùn)三千米到五千米厚的巖石層，這或許是10億年地層缺失的原因。同時(shí)，也有人猜測(cè)這次地層缺失導(dǎo)致了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。不過(guò)，不同的假說(shuō)有各自的瑕疵，如何解釋這樣的缺失，同樣成為人們構(gòu)造地球歷史的一部分。

圖5 巖壁上顯露出地層不整合面：寒武紀(jì)的砂巖直接壓在年代更為久遠(yuǎn)的維斯紐片巖的基巖上。照片攝于亞利桑那州黑尾峽谷。

2. 消失的大陸

在地球形成之初（約45.5億年），地球內(nèi)部釋放的熱量是今天的2-4倍，到處是紅色的“汪洋大?！薄＝裉?，我們只能通過(guò)火山噴發(fā)時(shí)的熔巖湖（圖6）想象那時(shí)的環(huán)境。在這一時(shí)期，地表不會(huì)大規(guī)模結(jié)晶巖石形成大陸（圖7左），即使形成了巖石也很快被高溫熔化，很難保存下來(lái)。

圖6 世界最大火山熔巖湖航拍照片，位于非洲的尼拉貢戈火山（Nyiragongo Volcano）。

攝影師：Bradley Ambrose

最早的陸地大約誕生在43.5-44億年前，在形成之后的40多億年歷史里，隨著板塊運(yùn)動(dòng)與火山爆發(fā)以及板塊之間的俯沖作用，地球表面的物質(zhì)被帶到地球深處，融化，消失。只會(huì)保留那些耐受高溫的巖石。即使少量巖石保存下來(lái)，也經(jīng)過(guò)了充分的變質(zhì)改造，如：大別山－蘇魯超高壓變質(zhì)帶。地球歷史上出現(xiàn)過(guò)若干次的超級(jí)大陸，例如：盤古（Pangea）大陸，羅迪尼亞（Rodinia）大陸等。

圖7 地球形成早期模擬圖（左）與地球衛(wèi)星照片（右）

目前，我們已知的地球上最古老的巖石是在加拿大地盾西北地區(qū)Slave克拉通的Acasta片麻巖，具有40.25億年的古老年齡。但我們幾乎無(wú)法尋找到更早的巖石，因?yàn)楹茈y有巖體能耐受早期的高溫條件。我們也很難再恢復(fù)消失的大陸，因?yàn)樗械淖C據(jù)都來(lái)自于巖石的記錄，但越古老的巖石，被改造得越強(qiáng)，恢復(fù)起來(lái)也就越難。如何恢復(fù)這種地球的記憶，是促進(jìn)地球科學(xué)前進(jìn)的重要?jiǎng)恿Α?/p>

三、消失本身也是記憶

萊伊爾在《地質(zhì)學(xué)原理》中指出“現(xiàn)在是認(rèn)識(shí)過(guò)去的鑰匙”?！皩⒔裾摴拧钡默F(xiàn)實(shí)主義方法讓地質(zhì)學(xué)家孜孜不倦地探尋著地質(zhì)時(shí)間里的蛛絲馬跡。但在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史長(zhǎng)河里，地球的面貌發(fā)生很大的變化，并不是每一次變化都會(huì)留下痕跡。這些消失的痕跡阻礙著人類對(duì)遠(yuǎn)古時(shí)代地球發(fā)生的未知事件的探索，成了地球消失的記憶。

但歷史也告訴我們不必悲觀。200多年前，“現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)之父”詹姆斯·赫頓（James Hutton）說(shuō)，“真正的地質(zhì)時(shí)間可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類的想象”。但他沒(méi)有想到，僅僅一個(gè)多世紀(jì)之后，人類就得到了地球真正的年齡。

查爾斯.萊爾（Charles Lyell）很早就注意到了6500萬(wàn)年前生物多樣性的“斷層”，但他只能歸因于化石丟失或者本身就沒(méi)有形成化石。一百年后，Walter Alvarez發(fā)現(xiàn)那些不含化石的粘土層的銥含量極高，而銥在地球上很稀少，但在流星中卻很常見。因此，Walter最終提出了恐龍大滅絕的災(zāi)變論。由此可見，新技術(shù)的出現(xiàn)將在未來(lái)繼續(xù)揭示地球的未解之謎，而比較行星學(xué)研究或許能填充地球缺失的歷史。

探險(xiǎn)家麥哲倫曾說(shuō)：“從比奇到盟重，從盟重到蒼月島，再又回比奇，由此地球是圓的！”但實(shí)際是無(wú)論人類是否環(huán)球旅行，地球始終是圓的。地球已經(jīng)演化出了人類宜居的環(huán)境，這代表著巖石記錄的消失也是地球演化歷史的一部分。

物換星移，滄海桑田，留給人類的地質(zhì)痕跡總是有限的，但或許消失本身就是認(rèn)識(shí)地球的一種重要的信息。

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：石頭科普工作室（ID：Dr__Stone），作者：葉祥鷹