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地球科學界幾乎公認黃金來自太空

黃金來自太空!這個理論聽上去就像是科學幻想。然而在地球科學界,這卻幾乎是公認的觀點。

這一古怪的理論到底是如何形成的,它究竟是否屬實?

哥倫布發現美洲之前的印第安頭領們特別喜歡在河底或是地下發現的亮晶晶的黃色金屬,認為它可以捕捉太陽神的力量。他們披掛著用這種金屬鑄造的鎧甲,相信可以獲得神的保護。可惜他們被外表欺騙了。黃金是一種罕見柔軟的金屬,根本無法抵擋西班牙人的鋼鐵武器。但這種漂亮的元素可能真的像印第安人所認為的那樣不屬于這個世界。

“為什么能夠在地球表面找到金塊?”科普作家約翰·艾莫斯利說,“答案是,它們可能以隕石的形式來自太空。”

在過去數十年里,這一貌似古怪的理論已經被大多數科學家所接受,他們認為唯有如此才能解釋地球上豐富的黃金儲量。地殼(約25英里厚的地球巖石外殼)中每1000噸物質中含有1.3克黃金,但是按照地球形成的標準模式,這個比例依然太高。在45億年前,地球誕生之后,地球表面布滿了火山和熔巖。然后,在幾千萬年的時間里,多數的鐵元素穿透地幔沉入地核。黃金與鐵熔合與之一起沉沒。

倫敦帝國學院的地理學家馬西亞斯·威爾伯德說,這一過程就好比密度較大的食醋沉到裝滿橄欖油的碗底。因此,他說,“所有的黃金早應該消失。”然而事實并非如此。于是科學家不得不做出合理解釋。目前最流行的理論是——— 隕石。

“在地核形成后,大規模的隕石雨襲擊地球,”威爾伯德說,“落到地面上的隕石包含黃金,它們就是地幔和地殼中黃金的來源。”這一理論符合隕石活動的模式,38億年前地球曾經遭遇隕石風暴,這些隕石來自地球和火星之間的一個小行星帶,今天這一小行星帶依然存在。

隕石攜帶黃金到地球的理論最早出現在上世紀70年代,阿波羅登月計劃之后。科學家們研究從月球幔層中采集的巖石樣本,發現它們的銥和金的含量比從月球表面和地球表面及地幔采集的巖石中同種元素的含量明顯低很多。科學家于是提出,月球和地球曾經受到富含銥元素的外太空隕石襲擊。其中攜帶的貴重金屬遺落在月球表面。但在地球上,由于星球內部活動,地表的金屬被攪動,進入地幔。

這一理論被稱為“后增薄層假說”(lateveneerhypothesis),已經成為行星科學的基本理論。它也幫助解釋了其他很多地球構造的反常之處。科學家還認為,碳、氮、水和氨基酸等構成生命的必要元素同樣來自太空隕石。

“它們是構建地球的基石,”威爾伯德說。兩年前,他和布里斯托大學及牛津大學的一個研究小組分析了從格陵蘭島采集的巖石樣本。這些巖石來自地幔中沒有受到隕石活動影響的部分。研究小組并沒有分析這些有著44億年高齡的巖石的黃金構成,而是要尋找另一種元素:鎢。鎢和黃金有些相似性,但以不同形式存在,可賦予科學家更多歷史信息。

威爾伯德說:“這些巖石的鎢同位素構成和其他巖石的鎢同位素構成截然不同。”他推斷這些從格陵蘭島采集的巖石是后增薄層期隕石風暴(大約在44億至38億年前)開始前形成的。

威爾伯德的研究結果于2011年9月在《自然》雜志發表,為“后增薄層假說”提供了迄今為止最有力的證據。這一假說似乎是格陵蘭島巖石罕見鎢同位素構成的最佳解釋,它恰好也可以解釋地幔和月球幔層中鎢和黃金的構成差異。但是,這一假說并非沒有遇到挑戰。

去年,馬修·圖博和馬里蘭大學的一個研究小組分析了采集自俄羅斯的巖石樣本,這些巖石形成于約28億年前,比格陵蘭島研究中使用的樣本要年輕得多。這些較年輕的巖石含有全套親鐵元素———與鐵共生的系列金屬,包括金———但就鎢同位素而言,這些巖石與威爾伯德在格陵蘭島發現的巖石非常相似。然而,它們卻形成于后增薄層隕石風暴之后。

“對于導致巖石中鎢結構反常的原因,我們得出了不同的結論,”圖博說。他認為,地幔中不同的條件可能導致鎢同位素的差異。雖然他仍然相信后增薄層假說是正確的,但并不認為鎢同位素的差異是這一天體事件曾經發生的證據。另一些的科學家則認為,或許應該徹底轉變思路。

“我過去也對后增薄層假設深信不疑,但那是因為在缺乏相關數據的情況下,這似乎是最合理的解釋,但現在,我認為這一理論已經過時,”佛羅里達州立大學的穆尼爾·胡馬云說,“它看似完美,但數據上卻有很多斷層。大部分是人們的猜測。”

胡馬云說,上世紀70年代月球和地球巖石研究結果并不精確,和90年代進行的更復雜的跟蹤研究有很多出入。馬里蘭大學的研究發現,地球巖石構成和球粒隕石(富含銥的隕石)并不像之前認為的那樣相似。“在我看來,這是后增薄層假說的漏洞,”胡馬云說,“實驗結果顯示,所有已知隕石中沒有任何一種與后增薄層相似。”

科學家還開始在地幔更深處發現類似黃金的金屬,這完全出乎他們的意料。如果隕石風暴發生的時間更早,而且比從前認為的更加猛烈,這也許可以解釋得通。但在胡馬云看來,“后增薄層假說”已經無法回答舊的問題,又引發的新的疑問。他和另外一小撮科學家轉而支持另一種理論。他們認為,地殼中所有或是大部分的黃金從始至終都在地球上。其中大部分和鐵形成合金沉入地核,但是還有相當一部分,或許0 .2%,熔化于地表之下700公里深處的巖漿海,即地球的外地幔。再后來,火山活動將黃金帶回地殼。這一理論需要黃金和其他親鐵元素具有比之前所認為的更好的可溶性,才可能有足量的黃金溶入地幔。NASA (美國宇航局)兩位科學家凱文·萊特和麗莎·但尼爾森認為,隨著壓力和溫度的升高,黃金在地幔中的可溶性確實會增加。然而,目前還無法用實驗證明。因此,這一種解釋黃金豐富性的新理論同樣也僅僅是一種假說。然而,它引起越來越多人的興趣,在上個月的地球化學年度國際研討會上引發激烈討論。

參加會議的馬西亞斯·威爾伯德說,大家普遍認為,后增薄層假說依然是對格陵蘭島巖石異常鎢同位素構成的最佳解釋。不同于胡馬云,多數科學家依然認為,隕石雨是對地殼和地幔中富含金屬的合理解釋。但他也承認,這一假說確實存在漏洞。

“你永遠無法100%地肯定,”他說,“但目前公認理論的美妙之處在于,重要數據都對得上。”他的同位素測定顯示,約0 .5%的地球地幔物質來自隕石(即200億億噸)。這一數字與地理學家們目前的最佳估計相符。在威爾伯德看來,這是最好的證明。

但胡馬云說,地球化學家對新理論的相信程度取決于他們各自的研究領域。分析地球化學家(主要工作是測量巖石的元素構成)認為他們的研究可幫助了解地球上的生命是如何產生的,和他們相比,實驗地球化學家———他們試圖在實驗室里復制地幔的條件——— 思想更為開通。

“這完全取決于你賺錢的方式!如果你是實驗派,那么你的實驗可能等于從后增薄層信仰者口中奪食。分析派如此喜歡后增薄層假說的原因讓我困擾。這是因為,他們將這個假說和地球生命的起源捆綁在了一起。這背后牽涉利益巨大!”

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