除了把字刻在石头上，还可以把什么刻在石头上？

学术 2024-08-28 10:01 北京

尽管钻石可能是最坚硬的宝石，但锆石能够保存得更为久远。锆石（同时也是12月的生日石）是地球上已知的最为古老的矿物。在澳大利亚，一些锆石甚至能够追溯到超过40亿年前。

不过，锆石可不仅是古老。就像年轮一样，锆石可以记录时间，揭示出周围岩石的年龄以及它们所经历的地质活动。多亏了锆石，研究者们得以了解行星的起源，推断出大陆从海洋中升起的时间，甚至还有可能发现藏在地表下的珍贵矿物。

“没有锆石的帮助，我们将很难了解地球。” 赫塞·雷明克（Jesse Reimink）说到。他是宾夕法尼亚州立大学的一位地质学家，致力于晶体研究。

锆、硅、氧三种元素在岩浆或变质岩中结晶形成锆石矿。随着时间的作用，冷热交替使得晶体周围长出新层，就像涂上一层又一层的油漆。一些元素（如铀元素）的原子与锆原子酷似，因此在晶体结构中能够取代后者。如果这些原子具有放射性，那么它们就会在可预测的放射衰变过程中缓慢转变成其他元素（例如铅）。这时，晶体会成为一种“时钟”。举例来说，利用激光轰击锆石晶体或者将其用酸溶解测定铀铅比，科学家们能够以极高的精度估测古地质活动发生的时间。

锆石“是一种铀-铅衰变系统的完美矿物”，雷明克说道，“而铀-铅衰变系统就像是上帝送给地质年代学科的礼物。”因为锆石对于熔化、碎裂和侵蚀具有极强的抗性，所以这可以让研究者确定这颗星球上一些最为古老的事件的年代。

“锆石研究是我们探索早期地球知识的最前线”，加利福尼亚大学洛杉矶分校的地球化学家贝丝·安·贝尔（Beth Ann Bell）说，“这是让我们理解自己的起源所做的尝试之一。”

图1展示了锆石晶体在时间上的演变：一块熔岩、包含少量铀原子的锆石晶体、同时含有铀原子和铅原子的锆石晶体，以及几乎全部都是铅原子的锆石晶体。

图1 锆石晶体在岩浆或变质岩中形成，并在液态（或接近液态）的岩石中长出新层。具有天然放射性的元素在晶体结构生长时被并入其结构中。时过境迁，这些元素（比如说铀）以可预测的速率衰变到子元素。这为科学家们提供了一种“时钟”用以测定锆石晶体所经历的地质过程的年份。

锆石和一粒沙子差不多大。研究者们经常需要在几公斤的岩石中收集、碾压、过滤，才能得到一个大小合适的样品。不过，有了改良激光技术和更灵敏的分析仪器的加持，锆石溯源工作变得更加容易且精准。这意味着科学家们能够用更少的晶体得到更多的信息。“这一领域的更迭日新月异”，哥本哈根大学行星科学家马丁·比扎罗（Martin Bizzarro）说道，“人们正在开拓用最高精度分析更小样品的技术的边界。”

下面是科学家们从这些微小的时钟里分析得到的东西。

行星的诞生

2011年，人们在摩洛哥的沙漠里发现了一块火星陨石，并将其称为“黑美人”。陨石中的锆石揭示了这颗红色星球的诞生以及其上的水的起源。

测年的结果显示：这块锆石来自于44.7亿年前。比扎罗和他的同事们还发现，晶体的成分表明火星形成于太阳系诞生后最初的两千万年内，速度之快令人震惊。在那时，巨石、冰堆和水蒸气还在围绕新生的太阳旋转，等待着被引力捕获，并构建新的行星。

他们对一些含有古地壳碎片的火星陨石做了更深入的分析。结果表明，在火星演化最初的八千万年内，火星表面可能存在过水。长久以来，科学家们对于火星（以及地球）表面上水的来源始终没有定论，可能是存在于星球诞生之初，也可能是来自于其他结冰小行星的轰击。如果水能在行星快速形成的同时出现，那么“在银河系中就可能存在大量的含有水的宜居行星，” 比扎罗说道。

大洲的形成

一些科学家们相信，在大约30亿年前，大陆尚未形成，地球完全被水覆盖。但是地球上大陆的形成速度依旧是一个未解之谜。近期，在古河床和海洋中沉积的锆石为地质学家们提供了这一重大事件的详实记载，并为探索陆地上的生物演化之谜和气候调节机理提供帮助。图2排列着15颗锆石晶体，其中的生长环带清晰可见。

图2 这些尚未测年的锆石是于1991年菲律宾皮纳图博火山（Mount Pinatubo）爆发时从地下深处喷出的。

锆石携带着其原始位置的年龄特征，在侵蚀作用下进入河中，沉积在下游并形成沉积岩。其中锆石年龄跨度广的沉积岩可能源自多个被侵蚀的岩石，这便意味着它来自于更大的流域。为确定古流域的大小以及早期大陆的形成，雷明克分析了世界上超过4200个岩石样品中的锆石年龄，研究结果发表在2021的《地球与行星科学快报》（Earth and Planetary Science Letters）上。结果表明，大陆在28亿年前从海平面上升，并耗费了5亿年的时间达到了现在的高度。

这一发现能够帮助科学家们理解各种事情，例如海洋从何时开始从大气中吸收大量包含二氧化碳在内的火山气体，并因此改变了气候，使得地球能够维持生命。

生命最早的迹象

一块在澳大利亚的杰克山区（Jack Hills）发现的41亿年前的晶体可能包含了地球上最早的关于生命存在的证据。一旦属实，这一发现即表明在大约45.4亿年前，地球形成之初，生命便快速地出现了。

锆石中含有少量的碳单质，也就是我们熟知的石墨，保存在其结构内。这些石墨含有碳元素的一种常见形式“碳-12”，同时也含有极低含量的重同位素“碳-13”。植物和海藻在光合作用中优先储存更轻的碳-12，因此研究者们可以利用碳同位素的比值区分生物残骸形成的有机物化石和普通岩石。

石墨中的碳-12“和我们如今在生命中看到的一致，”贝尔说。确实，确定生命诞生的时间不仅棘手，而且充满争议：古老的化石非常稀缺，并且科学家们对它们的解读也很难达成一致。贝尔和她的同事在2015年《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）所做的汇报中，只找到了一块保存完好足以排除污染因素的含有石墨的锆石，因此便产生了怀疑的声音。“但是人们并没有真正长时间地寻找锆石中的石墨，”贝尔说道。人们需要额外的实验和锆石来提升研究结果的可信度。

图3 两块较大的斑点（位于中央和右上方）是被嵌入一块41亿年前锆石晶体中的微小颗粒。斑点中的碳同位素比值表明它们来自于能够进行光合作用的生物。如果这种解读正确，那么在大约45.4亿年前地球形成后不久，生命便可能已经存在。

火山的威胁

超级火山会带来严重的威胁，于是研究者们便把目光转向锆石来帮助预测下一次火山喷发的时间。新加坡地球观测站的火山学家菲德尔·科斯塔（Fidel Costa）表示，在上一次爆发中喷出的锆石能够揭示喷发前地表下的状况，例如岩浆在冲出地表前需要积累多长时间。

在这样一件案例中，一支国际科学家小队分析了在过去的150万年中从托卢卡火山（Nevado de Toluca volcano）中喷发出的锆石。分析结果发表在11月的《自然通讯》（Nature Communications）上，表明这座休眠火山种只有一小部分岩浆被喷发。如果岩浆再次活动，火山可能在我们的有生之年再次爆发。

科斯塔在2020年《地球与行星科学年评》（Annual Review of Earth and Planetary Sciences）中概述了火山岩年代学的现状。他指出，锆石提供的时间尺度“让我们知道我们还有多少时间可以用来准备”。

贵金属的吸引力

在地表深处探矿并非易事，而地表附近岩石中的锆石可能会指引勘探者找到能够大赚一笔的矿点。在一个案例研究中，位于南不列颠哥伦比亚省（British Columbia）的研究者们证实，当地的锆石提供了隐藏铜矿的线索。研究者们在1月的《经济地质》（Economic Geology）中报道，被测量的锆石中铕元素含量较高，表明这一带的岩石是由富水岩浆形成的，这是某种铜矿床形成的先决条件。

很多具有经济价值的矿物（例如金）与锆石一样，形成于地表下的熔融岩浆中。新的研究表明，从地表岩石中收集锆石可能会作为一种有效手段，用于判断周围的岩床是否具有目标金属形成的化学和年龄条件。

澳大利亚布里斯班的昆士兰科技大学（Queensland University of Technology）的斯科特·布莱恩（Scott Bryan）指出，锆石很有帮助，以至于科学家们可能对锆石很感兴趣，有时却忽视了其他岩石样品提供的相关地质信息。2018年，布莱恩在就在《地球科学评论》（Earth-Science Reviews）上发表了一篇提醒锆石局限性的文章。不过，他补充道，尽管加入其他的分析手段无疑能够为地球的过去提供更加全面的视角，但锆石测年仍然是地质年代学的最佳工具。锆石几乎可以被认为是科学家们的“水晶球”，传递着有关过去、现在和未来的丰富信息。

作者：Cypress Hansen

翻译：wnkwef

审校：7号机

原文链接：Keeping time with zircons

本文转载自《中科院物理所》微信公众号

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