【飽讀好書】《改寫地球史的25種石頭故事:人類如何破解地質學上的重大謎團》

內容提供/八旗文化 文/唐納德.普羅泰羅
為什麼你該讀這本書

作者從事古生物學和地質學教學將近40年,藉由25個短小篇章,將25塊拼圖交到讀者手上,認識人類與岩石間歷史悠久又錯綜複雜的關係。這本書適合對地球生命起源感興趣、願意多注意腳下世界,一步步拼出地球歷史的讀者。

鐵鎳隕石

很小的時候,我父親帶我出門看流星雨。我當時很害怕,因為他半夜把我叫起床。我心跳得好厲害,不知道他要做什麼。他沒有告訴我,只把我放進車裡,然後就出發了。我看到好多人躺在毯子上看著天空。                                                                                                          ──史蒂芬.史匹柏(Steven Spielberg)

引發爭議的隕石坑

在美國亞利桑那州彩繪沙漠中,沿著40號州際公路向西再開29公里,或是從弗拉格斯塔夫向東開60公里,就可到達通往大隕石坑的叉路口。路標上寫它只是個普通景點,但其實不只如此。它是少數不受美國國家公園管理局國土管理局或其他政府機關保護,而屬於私人擁有的奇特自然景觀。這裡原先稱為暗黑峽谷隕石坑,名稱源自位於其西北方約19公里的廢棄城鎮。另外還有一個舊名稱是庫恩山隕石坑。

早期地質學家堅持它是火山口,例如曾於1892年發表大隕石坑論文的美國地質調查局的葛羅夫.卡爾.吉爾伯特(Grove Karl Gilbert)。這個說法不算不合理,因為這地區有不少火山口,尤其是弗拉格斯塔夫北邊,舊金山峰和落日火山口都是相當新近火山活動的證據。吉爾伯特在地質學界的地位非常崇高。他曾繪製和介紹科羅拉多高原上許多重要地形特徵,並證明大湖曾淹沒鹽湖城和波納維爾鹽灘,還曾前往現場記錄1906年舊金山大地震造成的地質變化。

吉爾伯特鉅細靡遺地研究這個隕石坑,原本認為它是火山口或可能是蒸汽爆裂的遺跡,但他仍然認真考慮隕石撞擊的可能性。吉爾伯特表示,散布在它周圍的隕石只是巧合。他反對撞擊說法的主要證據,是隕石坑中沒有隕石物質。散布在周圍的石塊總體積僅足以填滿隕石坑本身,中央沒有多出的鐵和鎳的質量,也沒有隕石可能埋在坑中深處的磁性特徵。因此大多數地質學家都支持吉爾伯特,認為這個大坑一定是火山口。

然而,也有人不同意地質學家的普遍看法,其中包括礦物學家亞伯特.E..富特(Albert E. Foote)。在此之前數年,當地鐵路公司建造與40號州際公路平行的鐵路時,鐵路公司主管處給了富特一些樣本,富特立刻發現這些樣本是隕石。他帶領探察隊前往隕石坑,找到了數百個碎片,其中一塊重達600磅。這些隕石特殊之處在於其成分大多是鐵和鎳,是非常重要的一種隕石。這些隕石當中有些還含有小小的鑽石,證明它們曾經承受極端的壓力和溫度。富特詳細介紹了這個隕石坑,並把他的發現發表在《美國科學促進協會》期刊。這份期刊至今仍是世界上首屈一指的科學期刊。

礦業工程師及實業家丹尼爾.M..巴林傑(Daniel M. Barringer)也不認同火山口解釋。1894年,巴林傑在亞利桑那州柯奇斯郡的聯邦銀礦賺到一千五百多萬美元,因此擁有豐富的採礦經驗和充足資金可供投資。他非常確定這個大洞是隕石坑,所以押下所有金錢。他的標準鋼鐵公司於1903年買下隕石坑內及周圍所有土地。這份土地專利由當時的美國總統老羅斯福(Theodore Roosevelt)親自簽署,甚至還授權他在隕石坑邊緣設立郵局,並命名為亞利桑那州隕石坑郵局,為這景點提供服務。

巴林傑和他的公司於1903至1905年間研究這個大洞,發現了足以證明它確實是隕石坑的可信證據。從早年開始,隕石坑周圍已發現約三十噸的隕石碎片,因此巴林傑認為,這塊隕石的主體必定在隕石坑底下方。依據採礦經驗,他估計這塊隕石的質量大約有一億噸,以1903年而言價值超過十億美元。

巴林傑和他的公司堅持不輟,在隕石坑底下挖掘了27年,深度達到419公尺,但一直沒有找到明顯的含鐵物質。該公司投下超過60萬美元進行探測,終於在1929年巴林傑去世後宣告放棄。巴林傑儘管難過又失望,仍一直相信自己沒錯,但他的失敗反而進一步證明大多數地質學家認為這裡是火山口的想法。出乎意料的是,天文學家佛瑞斯特.雷.莫爾頓(Forest Ray Moulton)於1929年進行計算,結果證明隕石應該早已化成蒸汽,巴林傑的努力從一開始就注定徒勞無功。巴林傑去世前顯然已讀過莫爾頓的論文。

直到1950年代,行星物理學開始發展成獨立領域,科學家也瞭解隕石大多會在大氣中燒毀,或是在撞擊地面時汽化,原始物質只有少量會散布在周圍。赫曼.勒羅伊.費爾柴德(Herman Leroy Fairchild)於1930年首先提出這個觀點,此外他很早就指出,撞擊成坑是重要過程。

1960和1970年代,任職於加州理工學院與美國地質調查所的行星地質學先驅金恩.舒梅克(Gene Shoemaker),終於解開大隕石坑(又稱為巴林傑隕石坑)的撞擊原委(我在加州理工學院時認識金恩,在他的實驗室做了許多磁性分析)。1960年,舒梅克取得隕石坑樣本,發現其中有斜矽石和重矽石等礦物,這幾種石英必須經歷撞擊震盪才可能形成(另一種狀況是核爆,這些礦物最初就是發現於核爆點)。這一點就是大洞形成不可能是火山噴發造成的決定性證據。後來舒梅克仔細重繪隕石坑圖形,發現隕石坑邊緣周圍的撞擊碎片岩床都以相反順序堆疊。來自隕石坑最下方的可可尼諾砂岩碎片,位於邊緣沉積層最上方,而來自年代最近的孟科匹頁岩和凱巴布石灰岩碎片,則位於邊緣沉積層最下方。這樣的顛倒順序只有一種可能解釋,就是撞擊使岩層向上噴起,再被強大的力量推向側方,接著以上下顛倒的方式落下,最後分散開來。

現在行星科學家推測,這個天體是鐵鎳隕石,撞擊地球的時間大約5萬年前,當時是冰河時期晚期,常見地懶和長毛象等冰河期哺乳類動物,氣候比較潮濕,樹木也比較茂密。古印第安文化尚未進入北美地區,所以沒有人類目擊這次撞擊。這塊隕石原本直徑約50公尺,重將近30萬噸,約為巴林傑估計尺寸的3倍。這隕石以每秒約20公里(時速約6,900公里)劃過天空,撞擊地面,威力相當於1,000萬噸核彈。事實上,有些核子試爆造成的坑洞大小跟它相仿,而且看來很像巴林傑隕石坑。這塊隕石的原始質量大約有一半在撞擊時化成蒸汽,其餘散布在四周,因此巴林傑在隕石坑中找到的隕石相當少。

幸運的是,巴林傑的後代繼承了他的財產請求權,因此隕石坑的遊客中心和博物館,現在由家族擁有和經營。博物館位於隕石坑北部邊緣,從另一邊看起來相當特別。巴林傑的繼承人從遊客身上賺到的錢,遠多於巴林傑採礦賺到的錢。這個隕石坑曾讓美國航太總署訓練太空人月球漫步、執行氣象實驗,也是許多電影拍攝特殊鏡頭的場景。1982年,隕石學會把該會最高榮譽命名為巴林傑獎章,表彰這位撞擊先知飽受同時代地質學家輕蔑,並為尋找隕石本體的夢想投入數百萬美元。

地心的片段

鐵鎳隕石相當罕見且十分特殊。目前已知的隕石中僅有6%屬於這種成分,石質隕石和球粒隕石則常見得多。不過如果拿起鐵鎳隕石掂掂重量,就會發現它重得出奇。由於鐵鎳隕石密度比石質或球粒隕石高出許多,因此在已知隕石的質量中占90%。此外,鐵鎳隕石特別受到注目,因為它們外觀特殊(即使外行人也看得出來)、更能抵擋地球表面的風化,而且更能耐受進入地球大氣時的燒蝕。

顧名思義,鐵鎳隕石的成分大多是鐵,另外有5至25%的鎳,以及少量鈷和其他更罕見元素。因此鐵鎳隕石化學成分比石質和球粒隕石簡單得多,後兩類隕石都含有許多不同化學物質和礦物。

但鐵鎳隕石最有趣之處在於,我們可透過它瞭解許多行星的核心成分(包括地球本身)。科學家分析某些小行星(稱為M型小行星)的光譜時,發現其成分和鐵鎳隕石相同。由取自其中的地質化學證據得知,鐵鎳隕石曾形成大型原行星,後來又分裂開來。此外,鐵鎳隕石還含有同位素鎂26,前一章曾討論過,鎂26這類放射性熱源除了曾經使得原行星熔化,也使鐵和鎳等密度較高的物質沉入核心,在行星分化時與地函分離。

這一點與我們由地球物理證據獲知的地核性質相符。地震學讓我們瞭解地核的大小(位於地函下方,距離地表2,900公里)。地震學加上重力測定值顯示地核密度大約是水的10至12倍,一定是密度很大的金屬處於巨大壓力下才可能如此。最後,地球具有磁場,因此地核一定是導體,表示含有鐵和鎳等金屬。拜這些隕石之賜,我們知道原始太陽系中符合這些性質(密度和導電性)的常見物質只有鐵和鎳,因此唯一合理的解釋是:地球的核心也由鐵和鎳構成。

本文摘自八旗文化改寫地球史的25種石頭故事:人類如何破解地質學上的重大謎團

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