巨大隕石可能是地球大陸的成因

  • Physics Today
  • 撰文者:Heather M. Hill
  • 發文日期:2023-03-21
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古澳洲岩石的同位素組成也許回答了一個長久以來關於早期地球的問題。

在西澳大利亞皮柏勒(Pilbara)地區的皮柏勒古陸塊(Pilbara craton),是保存最完好的地球古大陸地殼遺跡(見圖1a),它形成於40億到25億年前的太古宙時期(Archean eon)。人們相信,那時候的地球有著被水覆蓋的原初地殼,其或多或少是圍繞地函的單一連續外殼。最終,原初地殼轉變成大陸地殼,而後加入它更薄、更高密度的表親:海洋地殼

大部分今日的海洋地殼至多有2億年的歷史,而它的形成仍在進行中且對它的產生機制甚為了解:當板塊間出現縫隙時,岩漿湧入縫隙、冷卻並從最初的山脊擴散開來。大陸地殼更是古老許多。今日全世界有四分之三的陸地包含上述的皮柏勒古陸塊皆形成於太古宙。由於大陸已存在如此久的時間,要弄清它們的起源是個挑戰。地球的地質演化,逐漸並經常激烈地轉變與混合大陸地殼,因此早期的形成證據非常容易被抹去。

    自1960年代中期開始,有一個理論主張,大陸是在與大小約數十到數百公里寬的小行星撞擊的地點形成1。由此產生的加熱及對原始地殼的挖掘,觸發了一系列事件:熔化的地函膨脹並過度填滿火山口,因此創造出一個高原,這「種子」接著成長為大陸。

這個想法在時間演化上是合理的:大約在39億年前太陽系遭遇到小行星的轟擊,這個時期稱為「後期重轟炸期」(Late Heavy Bombardment),月球表面的坑洞就是這時期的證據(參閱Brett Denevi的文章,Physics Today 2017年6月號,第38頁)。地球肯定經歷了更猛烈的攻擊,因為它有較大的表面積和更大的質量來吸引物體,不過證據一直很有限,並且沒有具體的證明將後期重轟炸期與大陸形成連結在一起。

現在澳洲科廷大學Tim Johnson和他的同事,發現了「大陸形成於巨大撞擊點」理論的支持2,他們證明皮柏勒古陸塊岩石的同位素組成符合小行星襲擊該區域的預期,而他們對於古陸塊如何出現的描述,不僅解釋了皮柏勒的形成,也解釋了地球大陸的形成。

岩石年齡

來自英國的Johnson於2014年初抵達西澳大利亞,當時他剛開始深入思考古地球,也就是它存在的45億年的前10億年左右的時期。他很快與西澳大利亞地質調查局(Geological Survey of Western Australia,GSWA)的Hugh Smithies會面。GSWA於一世紀前成立,是國家礦業、工業管理與安全部的一個部門,主要負責收集地質的資訊。

Smithies長期研究皮柏勒古陸塊與西澳大利亞其它地區的古岩石,這些岩石提供了研究古地球一個理想的途徑。近十年的時間,Smithies、Johnson與他們的合作者組成團隊,利用皮柏勒古陸塊樣品的數據進行一系列計畫,而這項新研究是工作的最高峰,開始於Smithies和同樣來自GSWA的Yongjun Lu前往科廷大學,與Johnson及他的同事,同位素地質學專家Chris Kirkland,討論一些有趣的近期數據。

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圖一、西澳大利亞的皮柏勒地區擁有保存最好的地球古代大陸地殼的碎片。(a)皮柏勒古陸塊形成於36 億年前,大約和今日絕大多數陸塊相同時間。它是地質過程從岩石形成到今日,少數其起源的礦物標記尚未被抹去的地點之一。(b)從皮柏勒岩石取出的鋯石顆粒,是測量古陸塊過去的特別有用手法,因為它們的組成揭露了它們的年齡及形成當時的環境。(圖片提供:Chris Kirkland

團隊利用二次離子質譜術(secondary-ion mass spectroscopy)對26個29-36億年歷史的皮柏勒古陸塊進行分析,這個測量針對岩漿礦物「鋯石」的顆粒(顯示於圖1b中),其常見於火成岩。這種顆粒很好用,因為它能透過物質放射性鈾的衰變來定年;此外,鋯的氧-18對氧-16的同位素組成比例提供了它形成年代的環境快照(如原初物質、溫度等資訊)。對於皮柏勒樣品,這個比例顯示三個依據鋯石年齡不同範圍的值,如圖2所示。

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圖二、鋯石的氧同位素反映形成此礦物的源物質。二次離子質譜分析的測量中,從18O 16O 比值與蒸餾海水標準參考比較,得到千分之幾的相對差δ18O)。一個好用的基準是地球地函的δ18O(水平灰色條紋)。如局部回歸擬合(粉紅線)所顯示,皮柏勒古陸塊有δ18O 值隨年齡增加而減少的趨勢,從比地函低的第一階段(綠)、到類地函的第二階段(橘)、到高於地函的第三階段(藍),以灰色垂直線分隔。巨大撞擊可以解釋這個趨勢。(改編自參考文獻[2]

團隊想知道巨大的撞擊是否能夠解釋這個發現。一個強力的跡象是,最古老鋯石顆粒所顯示的形成證據,不是來自地球更深處的地函岩漿,而是來自表面物質,其被小行星撞擊所帶來的異常的熱與壓縮熔化。這樣的撞擊也會產生一連串的事件,進而對氧同位素比例有潛在可辨別的影響。

水位降低

研究人員調查鋯石樣品相對維也納標準平均海水(Vienna Standard Mean Ocean Water)的18O/16O同位素比,維也納標準平均海水是全球收集海水所蒸餾出來的純水基準(參閱Physics Today 2018年12月6日線上文章” Setting standards with old rocks and ocean water” ),接著鋯石的比值以相對差 δ18O來表示,一般為千分之幾(‰)。

一個好用的比較點是地球的地函:它的δ18O (如圖2中灰色橫條所顯示)相當均勻,並隨著時間保持穩定。地函作為氧同位素庫,那裡形成的礦物或多或少都具有相同的δ18O,而對於地函之外形成的礦物,δ18O一般取決於環境溫度3。地球表面上低溫的熱液交互作用(hydrothermal interactions)導致物質擁有比地函還高的δ18O,而地表下物質有較高溫的岩石-水交互作用,以及較低的δ18O。

Johnson與他的同事發現,對於年齡大於34億年的鋯石(他們稱為第一階段),有1/3的比值比地函小;年齡介於30-34億年的鋯石(第二階段)擁有比第一階段還高的δ18O中位數,超過半數的比值落在地函的預期範圍內,而其餘幾乎全部都比較高;對於年齡小於30億年(第三階段)、最年輕的鋯石,超過3/4的δ18O比地函高。

Johnson與他的同事主張,數據符合巨大撞擊所預期的情況。第一階段低的δ18O表明,接近地球表面的物質來源,在高溫受到熱液蝕變(hydrothermally altered),正如燃燒的隕石撞擊、破裂、並熔化海水所覆蓋的原初地殼所預期的。

這種撞擊的加熱與壓縮會蔓延到地函,地函熔化並最終膨脹填滿隕石坑,直到形成一個高原。這個大陸核在它的底部有結晶岩漿,岩漿熔化產生花崗石,其同位素比如第二階段所見類似地函的同位素比。最後在第三階段,較高δ18O的高密度近地表岩石會下沉,最終進入地殼內部循環的過程,這過程有時稱為重力沉降(sagduction),類似於隱沒(subduction)但沒有構造板塊。從這裡,大陸的核開始增長。

支持這地區發生巨大撞擊的想法還有另外的佐證:皮柏勒古陸塊有所謂的球粒床(spherule beds),一層球狀的沉積珠粒,一般相信生成於巨大撞擊所噴出的液體和蒸發的岩石。皮柏勒最古老的球粒床約有34億年歷史,令人欣慰地和一大群低δ18O鋯石顆粒的年齡相同。

Johnson表示,有些研究者一直不願意接受巨大撞擊以任何明顯的方式塑造我們的地球,所以他認為這項新工作將面臨到學界的反對。他說:「我希望這研究會激起幾個想要證明我們錯誤的團隊之間,積極的學術活動。早期地球是個非常爭議的科學領域,我們討論的是很久以前,而岩石是那樣古老,並經歷了如此不尋常劇烈的後續歷史。」

不過,其它任何解釋都需要像巨大撞擊一樣符合數據。兩個流行的替代理論——熱物質從地函冒出形成大陸種子,或是板塊構造已經在太古宙時期起作用 ——都預測最老的鋯石源自地表下深處,因此擁有類似地函的δ18O值。

Johnson和他同事的下一步是調查加拿大西北區、南格陵蘭以及一些其它地區保存良好的古代岩石,來察看巨大撞擊是否能解釋所有的大陸地塊,而不是只有在皮柏勒地區。他們對加拿大Slave古陸塊數據的初步觀察是有希望的。

 

References

1. J. W. Salisbury, L. B. Ronca, Nature 210, 669 (1966).

2. T. E. Johnson et al., Nature 608, 330 (2022).

3. J. W. Valley et al., Contrib. Mineral. Petrol. 150, 561 (2005).

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today 雜誌內 Physics Today 75, 10, 16 (2022); https://doi.org/10.1063/PT.3.5095。原文作者:Heather M. Hill。中文編譯:張鳳吟,陽明交通大學物理系博士。


Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Heather M. Hill , and is published on (Physics Today 75, 10, 16 (2022); https://doi.org/10.1063/PT.3.5095). The article in Mandarin is translated and edited by F. Y, Chang, National Yang Ming Chiao Tung University.