地球的“建材”之谜

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所属分类:百科知识2016年

传说,上古的时候有个大神叫作东皇太一,他有一件法宝叫作“混沌钟”,他用这个“混沌钟”就可以重新设置时空,建造天地。可惜我们没有这件法宝,如果想要造一个地球,那该怎么办呢?也许,我们就要像盖房子一样造地球了。
  盖房子要有地皮,要有砖石、钢筋、水泥等建筑材料,这样才能构建一座房子。要是我们想建造一个地球呢?在哪里给地球找“地皮”,该用什么样的材料建造呢?
  建造地球所需的“地皮”好解决,目前地球在太阳系占的轨道就算是它的“地皮”了。 对于科学家来说,地球的“建材”才是一个特别值得研究的问题。
  地球上有很多陨石,这些陨石从太空中掉到地面,不是今天才有的事情。很久很久之前就有陨石掉到地球上,当然现在也有,2014年就有一颗大陨石掉到了俄罗斯的荒野之中。地球上的陨石大概可以分为两类 :一类是原始陨石,一类是分异了的陨石。原始陨石里面最原始的就是碳质球粒陨石,图1 a就是一块碳质球粒陨石的照片。在这张照片里,我们能看到一个个圆球状的物质,这就是球粒。在显微镜下面(图1 b),球粒更加明显,这种球粒结构就是鉴定原始陨石的一个标志。分异了的陨石里面最常见的就是铁陨石(图 1 c),铁陨石通常也不是完全由铁组成的,还会含有其他硅酸盐矿物,比如橄榄石,各种元素共同形成一种网格状的熔离结构(图1 d)。网格就是金属矿物,通常主要是铁和镍组成,网格中间的填充物就是硅酸盐矿物。
  
  既然碳质球粒陨石是最原始的陨石,那么人们自然猜测地球就是由碳质球粒陨石组成的,这就是人们最初给地球寻找的“建材”。自从20世纪60年代以来,科学家发现很多证据,支持这一猜测。其中有一条证据就是,地球上耐火亲石元素含量的比值,比如铝和硅的比值。那么,什么是耐火亲石元素呢?耐火,就是指在高温状态下不会发生挥发,不会变成气体“跑了”;亲石,就是指这种元素主要存在于硅酸盐矿物(比如长石)里,不会进入金属矿物(比如黄铁矿)里。地球中铝和硅的比值和碳质球粒陨石中铝和硅的比值是一样的,这是一条支持碳质球粒陨石是地球的主要“建材”的重要证据。其实,不仅是这些元素含量的比例,就是耐火亲石元素的同位素,比如铪同位素的组成,地球的情况和碳质球粒陨石的也都是一样的。
  如果以上的推论是真的,那么碳质球粒陨石就是像图2中的路径1那样,一大堆碳质球粒陨石碰撞聚合在一起演化成了地球。可是,最近却有强有力的证据证明,地球上的耐火亲石元素含量的比值和碳质球粒陨石并不一样。澳大利亚国立大学的奥尼尔教授和德国科隆大学的帕姆教授近几年来发表的大量数据表明,地球的钠和锰含量的比值和碳质球粒陨石的不一样。2015年,科学家布吉巴等人发表在《自然通讯》上的一篇文章表明,地球的镁和硅含量的比值和碳质球粒陨石的也不一样。
  这些发现,让地球的“建材”和“建造过程”变得扑朔迷离了。地球和碳质球粒陨石之间的不同,到底是在地球形成过程中发生了某些“奇怪”事情造成的,还真就是地球不是或者不全是由碳质球粒陨石形成的呢?
  
  奥尼尔和帕姆提出了一个“碰撞剥蚀学说”来解释地球和碳质球粒陨石在耐火亲石元素组成方面的不同。这个学说认为,在地球的婴儿时期,地球有过一个原始的地壳,这个地壳后来和其他小行星或者星体碰撞的时候,被撞碎了,撞飞了,丢到太空里了。这个解释,本质上只是为了解释地球和碳质球粒陨石的耐火亲石元素含量为什么不同,并不否认地球的“建材”是碳质球粒陨石。布吉巴等人也是用这个学说来解释他们的数据的。
  但是,科学界还有另外一种更具革命性的解释:地球的“建材”不是或者不全是碳质球粒陨石,也有可能有分异了的陨石,比如我们前面提到的铁陨石。那么,地球是由多少碳质球粒陨石和多少分异了的陨石组成的?各自比例是多少?形成过程是像图2里的路径2还是路径3呢?这些问题,目前还没有解决,都是行星化学家们努力研究的领域。
  最近,又有人提出新观点:现在我们收集到的陨石都不是地球的“建材”,因为地球的“建材”都用来建地球了,都用完了,地球有自己特殊的组成,不能简单类比到我们现在收集到的陨石。科学的发展就是如此,随着研究的深入和细致,就会发现原先的认识可能有不正确的地方,需要修正旧理论,甚至需要一个新的理论。关于地球的“建材”到底是什么,也许未来还会随着科学证据的增加而出现更多新问题、新假设,让我们拭目以待最终的答案。
  【责任编辑】张小萌
地球的“建材”之谜

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