作者語：
相信很多人對《尋夢環(huán)游記》這部電影并不陌生，甚至每一次觀影都會被深深感動（圖 1）。在這部電影里，主人公的太奶奶 Coco 是過去與未來，消失與存在之間最重要的連接點。而當(dāng)背景音樂《請記住我》響起時，我想起了幾年前逝去的太奶奶。
我的太奶奶是個和藹可親的人。小時候的我總喜歡躺在她懷里睡覺，因為每次我醒來她都會偷偷塞零食給我。但在她去世那一刻，那些記憶就只有我擁有了。于是，一個問題浮現(xiàn)在腦海：如何證明一件事物真實地存在過？
對于人來說，是存儲在大腦中的記憶。那么地球的記憶是什么呢？沒有神經(jīng)元作為存儲中介，地球的記憶是幾經(jīng)曲折終于測得的地質(zhì)年代，還是被地質(zhì)運動無數(shù)次改造巖石的記錄？
一、曲折的地球測年史
17 世紀(jì)，在近代科學(xué)運動的影響下，物理神學(xué)運動試圖通過科學(xué)說明地球創(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)造出來的。于是，那時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)不會止于此，地質(zhì)學(xué)家都堅信地球年齡遠不止 6000 年，但如何通過科學(xué)方法定年是一個問題。艾薩克?牛頓首先對這一問題發(fā)起了挑戰(zhàn)，他假設(shè)地球為一個炙熱的大鐵球，經(jīng)過實驗和換算，牛頓認為表面溫度下降至現(xiàn)今水平所需要的時間可能需要 5 萬年。在牛頓之后，布豐經(jīng)過實驗將這個時間增加到 7.5 萬年（甚至私下認為是 300 萬年）。不過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，英國地質(zhì)學(xué)家約翰?菲利普斯（John Phillips）在 1841 年通過模擬沉積速率的方法，計算出地球的年齡約為 9600 萬年。但同時代的查爾斯?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。達爾文認為風(fēng)化作用將巖石改變至現(xiàn)狀至少要有 3 億年，這樣才能滿足漫長的遺傳變異積累和自然選擇過程。此外，還有科學(xué)家利用測定海水含鹽量以及測定月球速率的方法推算出地球時間。但是，受限于當(dāng)時的科技水平，推理出的數(shù)字都遠遠低于真實的地球年齡。
人類能夠測定真實地球的年齡還得等到 20 世紀(jì)初，這與一個耳熟能詳?shù)娜宋?— 盧瑟福（Ernest Rutherford）相關(guān)。1905 年，盧瑟福在耶魯大學(xué)做了一個關(guān)于放射性測年的科學(xué)報告。盧瑟福意識到鈾裂變會產(chǎn)生氦氣，只要測定巖石中的氦氣質(zhì)量就能估算出年齡，經(jīng)過對一些巖石的初步測量，地球的年齡被推至 5 億年，盧瑟福認為實際年齡會更長，因為氦氣可能會泄露一部分。
不過放射性測年是十分困難的，這種方法對儀器的靈敏度和精確度提出了很高的要求，想要再進一步并不容易。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）最先在這個領(lǐng)域取得突破。鈾鉛測年法的建立是十分曲折的，派特森測量的結(jié)果總是有很大的誤差，排除了各種影響后，他最終意識到了是隨處不在的鉛污染的原因。為了排除鉛污染對實驗結(jié)果影響，他甚至為此建造了世界上第一個超凈實驗室。在曲折的探索之后，布朗教授的團隊終于第一次得到地球的真正年齡 ——45.5 億年
時至今日，盡管各種放射性同位素測年方法已經(jīng)逐漸完善，地球的歷史卻依然難以理清，尤其是那些遠古的事件。因為時間跨度越大，使用的同位素半衰期越長，分辨率越低，誤差也會越大。因此，那些遠古歷史的細節(jié)，人們也就很難得知了。
二、殘缺的巖石記錄
【2.1 缺失的地層】
1869 年 5 月 24 日，自學(xué)成才的獨臂地質(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，對美國西部的格林河和科羅拉多河流域諸多峽谷（圖 4）進行探索。然而，當(dāng)他們進入峽谷后，一連幾個星期都沒有消息傳出。不久，芝加哥論壇報就發(fā)了頭條新聞，說鮑威爾團隊已經(jīng)被卷入致命的急流中，永遠地在峽谷中消失了。正當(dāng)大家一籌莫展時，鮑威爾團隊卻又神奇地出現(xiàn)在公眾眼前。不過，仍然活著的鮑威爾倒確實在大峽谷發(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。
原來，在鮑威爾進入科羅拉多河畔后，他看到了一大片堅硬的結(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，他估計這部分巖石本應(yīng)該達 3050 米，但實際測量后卻發(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）。鮑威爾的觀察確實沒錯。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)了兩件令人費解的事件：一個是 5.4 億年前的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)（Cambrian explosion），一個是距今約 8 億到 5.5 億年之間的“雪球地球”大冰期（Snow ball earth）。因此，一種假說認為，“雪球地球”大冰期的濕冰川有能力侵蝕和搬運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，也有人猜測這次地層缺失導(dǎo)致了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。不過，不同的假說有各自的瑕疵，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。
【2.2 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“汪洋大海”。今天，我們只能通過火山噴發(fā)時的熔巖湖（圖 6）想象那時的環(huán)境。在這一時期，地表不會大規(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。
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，隨著板塊運動與火山爆發(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。只會保留那些耐受高溫的巖石。即使少量巖石保存下來，也經(jīng)過了充分的變質(zhì)改造，如：大別山－蘇魯超高壓變質(zhì)帶。地球歷史上出現(xiàn)過若干次的超級大陸，例如：盤古（Pangea）大陸，羅迪尼亞（Rodinia）大陸等。
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。但我們幾乎無法尋找到更早的巖石，因為很難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，因為所有的證據(jù)都來自于巖石的記錄，但越古老的巖石，被改造得越強，恢復(fù)起來也就越難。如何恢復(fù)這種地球的記憶，是促進地球科學(xué)前進的重要動力。
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)在是認識過去的鑰匙”?！皩⒔裾摴拧钡默F(xiàn)實主義方法讓地質(zhì)學(xué)家孜孜不倦地探尋著地質(zhì)時間里的蛛絲馬跡。但在漫長的地質(zhì)歷史長河里，地球的面貌發(fā)生很大的變化，并不是每一次變化都會留下痕跡。這些消失的痕跡阻礙著人類對遠古時代地球發(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，“真正的地質(zhì)時間可能遠遠超出了人類的想象”。但他沒有想到，僅僅一個多世紀(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。
探險家麥哲倫曾說：“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!”。但實際是無論人類是否環(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識地球的一種重要的信息。
本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：葉祥鷹
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