你知道在哪里可以找到地球上最老的岩石吗?

从太空看，地球是一颗蔚蓝色的星球，这是因为地球表面的71%被水覆盖。地球之所以神奇，是它孕育了生命，并进化出了高智商的人类。出于科学研究和工业生产的需要，人类对地球历史开展了长期的探索，然而地球的最早期历史尤为扑朔迷离。

地球的年龄为45.67亿年或稍稍年轻一点。45.67亿年是个什么概念呢？如果把地球形成以来的历史浓缩为24小时的话，每一秒大约相当于54000年，那么人类文明史时间只有十分之一秒。

地球形成之初地表布满流动的岩浆，称为岩浆海

要了解地球的最早期历史，最重要的是要找到那个时期的物质记录，但这又是十分困难的。首先是它们难以保留下来，因为地球的童年“多灾多难”。现在普遍认为，最早期的地球是一个“大火球”。地球的表面为巨大的岩浆海，没有岩石形成。这个时间与陨石的形成时间大致相同或稍晚一点。

在大约45亿年的时候，地球表面还没完全固结，一个火星大小的天体撞击地球，把地球的部分物质抛射到太空中，并在地球周围凝聚，形成了现在的月球。随着温度的逐渐降低，地球表面冷却成为固态，但仍遭受强烈改造，包括陨石撞击、风化剥蚀、变质变形、熔融再造，经过几十亿年沧海桑田的变化，最古老物质早已面目全非了。就拿陨石撞击来说吧，只要看看我们地球的邻居月球就可以知道地球早期遭受了多么强烈的陨石撞击了。月球表面布满了陨石坑，最晚的一次强烈陨石撞击发生在39.2亿年前。当时的地球也一定经历过同样规模的撞击。

其次，即使古老物质保留了下来，也是很难寻找和鉴别。茫茫大地，您到哪里去寻找呢？在辽宁鞍山地区，38亿年和36亿年岩石的外貌非常相似，看不出区别。只有分别获得了它们的绝对年龄，才能知道它们的不同。那么，怎样才能获得岩石的年龄呢？就是利用放射性衰变原理。

小贴士：放射性元素衰变

放射性元素衰变现象是法国科学家贝克勒尔于1896年发现的。之后，居里夫人等科学家经过艰苦努力，发现了放射性衰变原理。例如，铀是一种放射性元素，衰变为铅元素。如果知道了铀和铅的含量，又知道衰变常数，利用衰变公式就可计算出年龄了。

鞍山地区的奥长花岗质岩石，年龄分别是36亿年和38亿年 供图/万渝生

当然，还需要有测定的对象。这里要隆重介绍一下锆石。因为有了它，寻找地球最古老物质才成为可能。锆石是一种从岩石中分选出来的矿物，十分稀少，在花岗岩中相对多一些，因此锆石成为铀-铅定年的“不二人选”。但是，锆石颗粒非常小，与成年人的头发丝差不多大小，这就给研究带来困难。此外，由于普遍遭受后期强烈改造，古老锆石的内部结构特别复杂，使得研究难上加难。但是这些困难阻止不了人类探索的步伐。1973年，澳大利亚科学家康普斯顿和克勒门特设计了一台仪器——“离子探针”，取英文名称的每个英文单词首字母简称为“SHRIMP”。这是一种微区原位定年方法。1980年，仪器研制成功。1983年，SHRIMP成功地测定出了一个41亿年的锆石年龄，这是当时地球上获得的最古老年龄，引起了轰动。目前世界各地大于40亿年的锆石的发现几乎都是依靠微区原位铀-铅定年方法。

锆石大小与成年人的头发丝直径差不多 供图/万渝生

地质学家将地质年代划分为冥古宙（>40亿年）、太古宙（25亿年~40亿年）、元古宙（5.4亿年~25亿年）和显生宙（<5.4亿年）。冥古宙是地球历史中最早的一个时期，从地球形成到40亿年前。到目前为止，全球范围内也只有不到20个地方发现了冥古宙时期的锆石，也就是年龄超过40亿年的锆石。冥古宙的英文单词是Hadean，这个词还有“地狱”的意思，用来说明多灾多难的地球童年真是再合适不过了。冥古宙时期的锆石通常在太古宙岩石中找到。然而，这种古老的锆石真是凤毛麟角，寻找它犹如大海捞针，这与陆壳物质遭受了多期内外生再循环的“稀释作用”有关。最重要的发现是在澳大利亚西部一个叫杰克山的地方。这里的变质砾岩中发现了大量冥古宙锆石，其中还发现了迄今为止最年长的锆石——它已经有44亿年了。

克山变质砾岩中最古老锆石（44亿年）的阴极发光图像和定年结果。

44亿年前的锆石是由澳大利亚科廷大学的西蒙·王尔德教授发现的。他对这颗锆石进行了大量的测年分析，得出的年龄大都为42.8亿年到43.6亿年，但是有一个数据点的年龄值达到了44亿年。他还对这颗锆石做了其他的一些研究，并指出它来自花岗质岩石。

北美地区有40亿年历史的阿卡什塔片麻岩，供图/JesseReimink博士

众所周知，地壳包括大陆地壳和大洋地壳，大陆地壳主要由花岗质岩石组成。44亿年前花岗岩锆石的发现意味在地球诞生后不到2亿年就形成了大陆地壳。或者说支撑地球生物家园的“地基”大概从那时候就开始打造了。对这颗最古老锆石的研究还表明，44亿年前可能就形成了海洋，此时的地球表面温度已降至100℃以下。我们知道，正是海洋孕育了最初的生命。研究还表明，地球上的水主要来自小行星、陨石，也有些水来自早期星云气体和彗星。

但是寻找到冥古宙的锆石，并不代表着找到了冥古宙的岩石。因为这些最早的岩石经历了风化、剥蚀、搬运、沉积之后变为了太古宙沉积岩。就好像把之前包好的几个饺子重新拆开后再做成馅饼一样，馅饼做成的时间晚于包好饺子的时间，但馅还是饺子馅。这也就解释了沉积岩的形成时代不是冥古宙，但是其中赋存着冥古宙时期锆石的原因。因此寻找最古老的岩石要更加困难，几乎都经历了十分曲折的探索历程。

迄今全球在8个地区发现了最古老岩石，年龄至少为38亿年，分别是北美的阿卡什塔、努夫亚吉图克和萨格利克-希布伦、西南格陵兰、东南极、中国的鞍山、信阳和冀东。每一个地区中最古老岩石的露头或分布范围通常都是很小的。西南格陵兰地区是个例外，这里最古老岩石的分布范围很大，面积超过了1000平方千米。

最古老岩石主要是TTG片麻岩（英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩），还有闪长岩-辉长岩。目前，全球发现的最古老的岩石是北美阿卡什塔片麻岩（年龄40亿年）。关于TTG岩石形成方式，有陨石撞击和玄武质岩浆结晶分异等不同看法。在一些地区，存在不同时代年龄超过38亿年的岩石。它们普遍遭受后期强烈改造。一些情况下，岩石外貌发生极大变化并只有很少残余，发现和鉴别都十分困难。

西南格陵兰地区不仅最古老岩石的分布范围很大，而且岩石类型多种多样。2007年，笔者有机会与澳大利亚地质学家艾伦.纳特曼教授一道对西南格陵兰开展了野外考察。这里发育着全球唯一的、年龄超过38亿年的地幔橄榄岩，代表了最古老的大洋壳。它的规模很大，被包裹在38亿年英云闪长岩中，所以至少形成于38亿年前。到这个地方很不容易，据说我们去之前全世界只有不到10个人去过。这里还有全球最古老的条带状铁质建筑（年龄38.5亿年）。这种岩石是化学沉积成因的，表明那时水圈已存在。一些科学家认为，条带状铁建造形成表明在38亿年以前海水中就存在造氧生物了，也就是说，地球上生命起源的时间至少是38亿年前。这里还可见到不同时代岩浆岩的共生现象，它们显示非常弱的变形，这种现象十分罕见。此外从直升飞机上俯瞰35亿年前的基性大岩墙也十分壮观。科学家认为，岩墙的形成表明西南格陵兰在35亿年前就具有了相当刚性的地壳，厚度和规模也十分巨大。这可能是它们仍能大规模保留的重要原因。只有当陆壳规模巨大时，才不易被再循环进入地幔深处而消失。

西南格陵兰最古老岩石照片供图/万渝生

中国地质学家也对最古老陆壳物质的研究作出了重要贡献。在中国大陆，至少4个地区发现了冥古宙时期的锆石，年龄为40亿年～41亿年。这些锆石来自花岗质岩石，这说明在40亿年～41亿年的时候，地球上花岗质岩石分布已经很多了，也就是说大陆壳已有了相当的规模。地质学用“克拉通”一词指代“古陆核”，也就是大陆地壳稳定的构造单元。华北克拉通是中国大陆最古老、规模最大、研究程度也最高的克拉通。目前已有三个地区发现38亿年岩石，古老锆石在更多地区被发现。

中国第一个发现38亿年岩石的地区是鞍山，这里是中国的钢铁之都。鞍山地区古老岩石的发现还颇有些传奇色彩。在20世纪90年代初，中国地质科学院的专家刘敦一和沈其韩等在鞍山地区开展野外考察。一天，他们看到远处有一个新的采石场，于是就前去碰碰运气。哪知这里的岩石还真有点特别，他们就采集了岩石样品。经过定年分析，竟然是38亿年岩石，一项重大科学发现就这样诞生了！许多岩石的外貌都是差不多的，最初学者们以为这个山所有岩石都是38亿年，实际上十分复杂，什么年龄的岩石都有，有的岩石中还存在不同的锆石年龄记录，所以把它们称为杂岩。

鞍山地区白家坟杂岩——红线为断层，圆圈位置的样品由吴福元院士等定年

中国第二个38亿年岩石露头的发现也很偶然。1994年在鞍山出野外，开车路过东山的一个亭子，由于这里风景很好，有人提议，停下来休息一下。艾伦.纳特曼教授在亭子对面看到条带状岩石，觉得它是老岩石，测年结果证实了他的想法。一次偶然的停车休息就带来一个重要发现。之后中国地质学家又陆续发现了其他38亿年岩石。所有38亿年岩石都存在于不同杂岩中，这些杂岩具有类似的长期连续锆石年龄记录（31亿年～38亿年），很可能是同一巨大杂岩的不同残余部分，表明鞍山地区古老杂岩分布范围很大，那时长期处于高热状态。这在全球范围内也十分的罕见。

在信阳地区，地质学家在年轻火山岩中发现了38亿年前的麻粒岩包体，表明华北克拉通深部地壳存在非常古老的岩石。最近，冀东地区也发现了38亿年前的花岗闪长质片麻岩，它们还被37.7亿年前的花岗闪长岩脉所侵入。此外，还发现了大量的年龄为39亿年～40亿年的锆石。

北美、格陵兰、南极等发现最古老岩石的地方都地处偏远，天寒地冻，开展科学研究十分困难。与之相比，华北克拉通的自然条件就好多了。其中，鞍山地区有长期的研究，地质现象也丰富多彩。吸引了不少国内外地质学家开展野外考察和研究。这也提高了鞍山的国际影响力。

地球童年成长史简图 供图/万渝生

最后把地球童年成长史作个小结。45.67亿年前，地球和太阳系的其他天体一起从一团星云物质中冷凝形成。在婴儿期就遭受到一次巨大的撞击，形成了自己的伙伴——月球。在地球形成2亿年以后，地表炽热的岩浆海开始冷凝，最古老的大陆地壳形成，并不断扩大。期间也遭受了频繁的陨石撞击。大约38亿年～40亿年前，最古老的生命出现。地球的发展进入到一个崭新的阶段。尽管目前通过先进的离子探针锆石测年技术，我们不断发现地球童年的遗物，但是还有很多未解之谜等待人们去探索。作为地球科学的研究人员，我们的体会是很多科学发现都带有偶然性，但是成功总是等待着有准备的人。特别希望广大的地质爱好者能保持对地质学的兴趣和好奇心。说不定您什么时候不经意找到的一块石头，可能就是一个重大发现。

责编｜李宏博
排版｜尹 超
审核｜刘 丹

本文经授权转载自地球杂志（ID：GMC_diqiuzazhi），如需二次转载请联系原作者。欢迎转发到朋友圈。