地球是我們稱之為“家園”的地方，但地球有許多未解之謎令我們困惑：地球是如何從一片塵埃云中誕生的，地球是如何孕育出豐富多樣的生命的，地球深處的地心正在發(fā)生著什么……科學家從多角度出發(fā)，探討和揭示美麗而神秘的地球混沌初開時的奧秘。

1　地球為何擁有許多適宜生命生存的有利條件?

縱觀太陽系，八大行星似乎來自宇宙中的不同角落，其實它們都是從45億年前圍繞太陽的一團氣體塵埃云中誕生的。巨大的引力將氣體塵埃云聚攏在一起，氣體塵埃云塵粒在互相碰撞彼此粘附的過程中形成更大的團塊，產(chǎn)生更大的引力場，團塊不斷碰撞合并，最后形成了我們今天所知道的太陽系八大行星。

可是，在太陽系八大行星中，為什么只有地球成為獨一無二適合生命存在的星球呢?我們知道，地球離太陽的距離正好能給地球提供適合生命生存的光和熱，但只有這一點是不夠的，如果沒有碳、氫、氮、氧、磷和硫等化學元素的獨特“配方”，沒有地球表面的液態(tài)水，我們所了解的地球生命形式是無法形成的。從化學的角度看，地球顯然比其他幾大行星更適合生命的誕生和生存。那么，為什么地球會擁有這些得天獨厚的條件呢?

現(xiàn)在我們已無法探知太陽系誕生時的詳情。地球上的巖石經(jīng)過無數(shù)次的擠壓、融熔和風化等作用，早已失去了當時形成過程的任何線索。太陽系的其他行星與地球在同一時期形成，但它們遙不可及，而且也基本上沒有經(jīng)歷如地球這樣的巨變。隕石或許是我們了解它們的最好希望，但要研究隕石，我們只能等待天降隕石。

還有一個問題：地球是如何獲得生命之源的水的?地球在形成之初與太陽的距離很近，氣體中的水分大多都被蒸發(fā)了，即使有部分水保存了下來，也在形成月亮的巨大碰撞中蒸發(fā)殆盡。關(guān)于地球之水的最流行的解釋是，水是以后來到地球上的。在40億年前的被稱為“后期大規(guī)模碰撞”時期里，星際物質(zhì)大撞擊中含有冰態(tài)物質(zhì)的彗星給地球帶來了大量的水。不過，迄至今日還沒有強有力的證據(jù)來證明這一點。

顯然，我們需要用新的眼光去探索行星形成之謎。歐洲宇航局的“赫歇爾”太空望遠鏡的鏡面是哈勃太空望遠鏡的一倍半大，利用其紅外探測器可探測到太空深處的塵埃云，也許人類有機會前所未有地看到像地球這樣幸運的新的行星誕生的過程。

2　在地球的“黑暗時代”究竟發(fā)生了什么?

科學家相信大約45.3億年前是地球最古老巖石的形成時期，他們稱之為“冥古代”，即地質(zhì)學上的“黑暗時代”。剛誕生不久的地球開始沿著固定的軌道繞太陽運轉(zhuǎn)。之后，一場大災(zāi)難發(fā)生了。一塊如火星般大的天體撞擊了地球，被撞飛的那部分“碎片”形成了月亮，撞擊的巨大能量產(chǎn)生的高溫足以熔化地球表面的一切，抹去了地球形成之初的地質(zhì)而貌，也因此造成了我們對地球形成之初5億年問這段歷史認識的一段空白。

普遍認同的觀點是，太陽系的“時間零點”開始于45.67億年前，到大約45.5億年前，65％的地球物質(zhì)已經(jīng)形成并聚攏在一起。又過了大約2000萬年，橫沖直撞的天體物質(zhì)令汽化硅進入大氣層，冷凝后的熔巖雨降落地面，以每天大約1米的速度堆積成熔巖之海，地球的中心呈融熔狀態(tài)，表面漸漸變成堅固的巖石。

然而，今天地球地殼的巖石幾乎完全由不超過36億年的年輕巖石構(gòu)成。地球形成之初的蹤跡幾乎已經(jīng)無跡可尋，遺留下來的大約只占地殼巖石1％的古老巖石也因高溫高壓作用而不復(fù)其原始模樣，所幸，有一種叫做“鋯石”的殘留下來的微小結(jié)晶物質(zhì)為我們留下了些許線索。

在澳大利亞西部杰克山發(fā)現(xiàn)的鋯石是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最古老的地殼碎片，由極耐侵蝕的硅酸鋯結(jié)晶構(gòu)成，并含有高濃度的鈾，因此可用放射性年代測定法確定其年齡。雖然人們是在非常年輕的巖石中發(fā)現(xiàn)它們的，但它們的年代卻可追溯到40億年之前。

鋯石也無法準確告訴我們?nèi)谌蹱顟B(tài)的地球在冷卻時的情形，但其中的含氧成分卻表明它們是在水中形成的，這說明地球上的海洋在40億年前就已經(jīng)形成了。這引起了另一個問題：海洋的形成需要有堅實的海床，這部分地殼是什么樣的呢?至今沒有明確的答案，也許關(guān)于地球冥古代的一切都不復(fù)存在。這讓我們略感失望，但這本身也許是一條線索：地球的板塊構(gòu)造運動在那時也許非常激烈。

還有兩種方式可以讓我們對地球冥古代有更多的了解：對古老巖石和礦物的研究，以及日益改善的微量分析法。

在月亮和火星上發(fā)現(xiàn)的礦物也有可能揭示地球災(zāi)難性大撞擊之前的狀態(tài)，因為月亮正是那次大碰撞的產(chǎn)物。與地球不同的是，月亮和火星都沒有經(jīng)歷過融熔過程，所以在月亮或火星表面找到真正古老巖石的希望還是很大的，我們甚至還有可能在那上面找到因小行星襲擊而撞飛到火星或月亮上的地球冥古代時期的小塊碎片。

3　地球早期的生命來自哪里?

早期地球的線索已經(jīng)難覓蹤跡，這個問題似乎很難找到確定的答案。

迄自今日，關(guān)于生命起源的最早線索來自38億年前的沉積巖，這些巖石是在上世紀90年代在格陵蘭西部被發(fā)現(xiàn)的，巖石中碳的重同位素比例特別低，這可能是有微生物活動存在的征兆，因為較輕的同位素更容易穿過細胞壁，聚集在微生物活躍之處。

這些巖石是在地球經(jīng)歷月球形成那次天外小行星大撞擊之后形成的。那時原始的海洋和大陸正在形成，但這一過程經(jīng)常被較大的小行星撞擊地球令海洋沸騰而打斷。達爾文曾如此設(shè)想，生命是在一個“溫暖的小池塘”中誕生的。事實上，那兒乎是一個熱氣騰騰的“鹽水大汽鍋”，是一個與我們?nèi)缃袼娴牡厍蛲耆煌沫h(huán)境。

地球生命起源之初的地球環(huán)境如今已不復(fù)存在，不過在今天的海底熱液噴口周圍，擁有一個與早期地球環(huán)境類似的熱泉生態(tài)環(huán)境。在那里，地質(zhì)活動十分活躍，滾燙的海底間歇泉水源源不斷地從海底涌出，注入海洋。在這樣的生態(tài)環(huán)境中孕育了大量的微生物。令人吃驚的是，許多微生物仍然呈現(xiàn)非常原始的新陳代謝方式，它們都不依靠陽光獲取能量。那么這些海底熱液噴口是否就是地球生命的發(fā)源地，或是早期地球生命的“天堂”呢?目前仍然是一個未解之謎。

地球生命起源的另一個未解之謎是：究竟是什么促使無生命的化學物質(zhì)結(jié)合在一起形成了有生命的有機體?這個問題讓我們陷入了一個“先有雞還是先有蛋”的困境：DNA需要蛋白質(zhì)才能正常工作，然而蛋白質(zhì)的基因藍圖卻是由DNA決定的。誰能解開這個孰先孰后之謎?目前最可信的答案是，兩者是通過簡單的化學反應(yīng)同時獲得進化的。但如果真是這樣，要探索早期微生物如何跨過從化學物質(zhì)到有機生命這道坎的奧秘將更為困難。

地質(zhì)學家將眼光轉(zhuǎn)向火星以尋求答案?；鹦巧蠜]有板塊構(gòu)造活動，不會對行星早期歷史留下的證據(jù)造成破壞，在火星的沉積巖上記載的歷史可一直追溯到地球生命起源之時?？茖W家希望，與地球不同的是，火星上的巖石能夠保存生命出現(xiàn)之前化學現(xiàn)象的一些記錄。他們甚至還希望，在火星上有可能留有生命起源重大事件的

遺跡，而當時產(chǎn)生的生命形式可能還隱藏在這顆紅色行星的某個地方。

4　地球為何存在板塊構(gòu)造活動?

如果沒有地球的板塊構(gòu)造活動，我們的地球?qū)⑴c現(xiàn)在完全不同。地球地殼持續(xù)不斷周而復(fù)始的循環(huán)活動給我們提供了穩(wěn)定的氣候條件、豐富的礦產(chǎn)資源和石油儲藏，并使海洋擁有了能維持生命的化學物質(zhì)的平衡。每隔幾億年，地球板塊構(gòu)造活動甚至還對生命進化過程產(chǎn)生某種推動和促進的力量。

地球是目前我們所知擁有板塊構(gòu)造運動的唯一行星。科學家的模型實驗表明，大小適中的行星才能擁有板塊構(gòu)造活動，太小則其巖石圈(地殼和上層地幔的固體部分)會過于厚重，太大則其強大的引力場會將所有的板塊擠壓在一起，無法動彈。還有其他一些條件也必須適中，比如構(gòu)成行星的巖石不能太冷也不能太熱，不能太湖也不能太干。

即使這些條件都具備，還有一個不可缺少的關(guān)鍵因素，那就是各板塊的碰撞應(yīng)該呈現(xiàn)這樣一種模式，即一個板塊在碰撞中被擠到另一個板塊之下，這一過程被稱為“俯沖”，在許多海洋盆地的邊緣，海底板塊沖入浮力更大的大陸地殼之下，沉入地幔之中。

早期地球比現(xiàn)在要溫暖得多，它的外層不是脆弱的地殼，而是覆蓋著一層黏稠的物質(zhì)，最早的一些裂縫可能就是在那時出現(xiàn)的，但計算機模擬地殼裂縫自行出現(xiàn)均未獲成功。一種可能的解釋是：第一個熾熱的地幔熱柱從地下往上打開了地殼的第一個缺口，也許是一顆小行星或彗星撞擊成為觸發(fā)因素，形成了一連串的連鎖反應(yīng)，建立起了地球板塊構(gòu)造的第一次活動。

另一個未解之謎是：最早的板塊運動產(chǎn)生于何時?由于海底俯沖帶的板塊構(gòu)造活動，大洋中脊產(chǎn)生后的2億年以來，海底俯沖帶的地殼屢遭破壞，幾乎沒有留下當初的任何痕跡。不過，在海洋地殼未遭俯沖運動破壞的地方卻可以提供一些線索。遠古海洋地殼留下來的蛇綠巖碎片可窺部分端倪，它在俯沖帶被推到大陸地殼之上而不是之下的地幔中。最近科學家對來自格陵蘭的一塊有著38億年歷史的蛇綠巖樣本進行了研究，它是最早的地質(zhì)板塊構(gòu)造運動留下來的遺跡。

無論板塊構(gòu)造運動始于何時，從那以后它就不斷地重塑地球表面地形地貌，這一過程使水、碳和氮得到循環(huán)，創(chuàng)造了適合生命生存的理想環(huán)境。這一過程還在地球上生成了豐富的石油、天然氣和其他各種礦產(chǎn)資源?；鹕交顒訉⒍趸紘娙氪髿鈱?，板塊之間的互相碰撞碾磨維持著適宜生命生存的氣候條件。

板塊構(gòu)造運動讓大海變桑田，桑田變大海；讓大地隆起變成山脈，讓大地陷落成為深谷；讓世界各大陸分分合合——每隔5億年至7億年，地質(zhì)板塊構(gòu)造運動就將世界各大陸合在一起形成一個超級大陸，距離現(xiàn)在最近的一次超級大陸在地質(zhì)學上被稱為“泛古陸”，存在于2.5億年之前。按此推算，大約再過2.5億年，板塊的沖撞運動又會將如今的世界各大陸重新合而為一。當超級大陸漸漸分崩離析之時，大陸被分開的地方形成淺海，進化獲得了超速的推動力量，許多新物種開始出現(xiàn)并占領(lǐng)新的棲息地。

終有一天，地球巖石圈的運行機制會失靈，地球?qū)u漸冷卻下來，地幔內(nèi)熾熱熔巖的對流運動將越來越弱，直至再無力推動地球板塊。沒有人能確切知道地球板塊構(gòu)造運動還會持續(xù)多久?；蛘哒f，沒有人能確切知道地球板塊構(gòu)造運動是否會在地球被太陽吞沒之前就停下來。

對于這一點，我們不必過于擔心，因為當這些事情發(fā)生之時，人類很可能已經(jīng)成為地球歷史的遙遠記憶了。

5　地球的中心是什么?

一個字：鐵。當然，事情并非如此簡單。地球中心是什么樣?又是如何形成的?還有很多未解之謎。

迄今所知的是，地球的核心從地底下2890千米處開始，地核直徑為6800千米，由內(nèi)外兩層構(gòu)成，外層是熔融態(tài)的鐵，內(nèi)層為固態(tài)的鐵。地核的大小和月球差不多，其組成部分為鎳和鐵。地球并非從一開始就這樣，在形成之初，它只是無明顯層次結(jié)構(gòu)的一大團混沌，漸漸地，一些較重的物質(zhì)，主要是鐵，還有一小部分是鎳，沉到了地球中心形成了地核。

地核何時形成?如何形成?至今仍然眾說紛紜，沒有確切的定論。一種意見認為地核是在一次向中心崩塌的過程中驟然形成的，還有一些意見認為鐵是逐漸向地心方向滲透下去的。

對來自地球深處的火山熔巖進行的同位素年代測定表明，地核形成于地球年齡3000萬年至1億年之間。35億年前，地心中液態(tài)鐵的旋轉(zhuǎn)運動建立起了巨大的地球磁場。之后，在大約15億年前，地核中心冷卻形成固體的地心內(nèi)核。

地核的一個謎團已在最近被揭開。雖然人們早已知道地震波穿越地球東側(cè)地核的速度快于西側(cè)，但卻不知其所以然。現(xiàn)如今科學家通過模擬實驗得知，這很有可能是由于液態(tài)鐵在地核核心外層產(chǎn)生的旋渦流造成的，旋渦流將與地幔接壤的邊界處的冷態(tài)物質(zhì)往下拉扯，粘附到固態(tài)的地核內(nèi)層。在過去3億年里，大部分鐵渦流部位于亞洲地底下，從而造成地核內(nèi)層?xùn)|側(cè)比西側(cè)膨大100千米。

這有可能會對由地核外層的對流所形成的地球磁場產(chǎn)生影響。一些研究人員認為，地核內(nèi)層膨大引起的紊流擾動，會使磁場產(chǎn)生不穩(wěn)定，并有可能引起地球南北磁極互換位置。如果發(fā)生這種情況(這種情況在過去曾發(fā)生過)，地球會暫時失去磁場保護，受到太陽粒子流即太陽風的影響。太陽風會使計算機系統(tǒng)陷于癱瘓，地球生命受到傷害。那么，下一次南北磁極易位將會在何時發(fā)生?沒有人能夠預(yù)測。

6　地球氣候為何如此穩(wěn)定?

地球并非太陽系唯一有水的行星，水星和金星在初始階段似乎也有過水，但隨著其他環(huán)境條件的變化，這兩個星球都失去了曾經(jīng)有過的海洋。那么，地球是如何避免類似厄運的呢?

地球的氣候條件可以說是出奇的穩(wěn)定，在40億年的時間里，始終保持在一個可容生命生存的狹窄變化范圍內(nèi)。地球氣候如此穩(wěn)定的關(guān)鍵可能在于板塊構(gòu)造運動、二氧化碳和海洋之間的相互作用。

這種相互作用的循環(huán)過程是這樣進行的：火山爆發(fā)向大氣層噴發(fā)大量二氧化碳，使地球保持溫暖；溫室效應(yīng)令海水蒸發(fā)，形成云和雨，雨水中含有溶解的二氧化碳；呈微酸性的雨水與地面巖石發(fā)生作用，使含碳的礦物質(zhì)溶解到水中；水流人海洋。礦物質(zhì)在海底沉積起來，最終在海床上形成新的含碳巖石；由于板塊構(gòu)造運動，這些巖石或遲或早都會進入俯沖帶；地熱使二氧化碳從巖石中逸出，并通過火山活動重新返回大氣層。這一循環(huán)過程起到了極其有效的“恒溫器”作用。當?shù)厍蜃兣瘯r，降雨增多，加快了二氧化碳減少和全球溫度下降的速度；當?shù)厍蜃兝鋾r，降雨減少，火山氣體在大氣層中積聚起來，地球就變得溫暖起來。

金星和火星在早期可能也曾有過與地球相似的“恒溫器”。但是，金星離太陽太近，極度的高熱使得它的“恒溫器”不堪重負。在雨水降落到地面之前，溫度較高的大氣層比溫度較低的大氣層能夠容納更多的水，水蒸氣起著溫室氣體的作用，使星球變得更熱。如此循環(huán)往復(fù)，溫度越來越高，直至最后，金星上的海水被蒸發(fā)殆盡。與此同時，金星大氣層高處的太陽輻射將水分解為氫和氧，較輕的氫原子逃逸到太空中，金星就這樣永遠失去了水，失去了控制金星氣候溫度的“恒溫器”。

火星則因體積太小而無法維持其“恒溫器”。由于體積太小，火星相對較弱的地心引力很難留住大氣層中含有熱量的氣體。而火星的表面積與體積之比大于地球，其核心迅速冷卻，遏制了地質(zhì)板塊構(gòu)造運動，從而阻斷了令火星保持溫暖的二氧化碳的來源。

除此之外，月亮對地球保持適宜的居住環(huán)境也起到了某種附加作用，并有助于抑制地軸大幅度傾斜引起的顫動，因為即使是幅度很小的顫動，也足以引發(fā)地球冰河期。

地球生命對地球氣候也起到了一定的作用。許多海洋有機生命利用海洋中溶解的二氧化碳來構(gòu)筑它們的外骨骼和碳酸鈣外殼。這些有機生物死后沉到海底，經(jīng)歷無數(shù)年代形成新的富含碳的巖石。如果大氣中二氧化碳升高，這一過程就會加速，更多的二氧化碳被吸納到海洋里，使得大氣中二氧化碳越來越少，溫度下降。

當然，今天人類的活動也介入了這一過程。因人類燃燒化石燃料而引起的氣候變化可以延續(xù)數(shù)百萬年之久。當人類消失之后，地球固有的天然“恒溫器”想必會重新恢復(fù)正常(不過，這一點還無法得到確認)。金星和火星也曾經(jīng)有過適宜居住的環(huán)境，也許我們應(yīng)該以金星和火星的歷史引以為戒，小心呵護大自然慷慨賦予我們美麗星球的“恒溫器”。

7　我們能預(yù)測地震和火山爆發(fā)嗎?

我們生活在一個經(jīng)常蠢動不安的由構(gòu)造板塊構(gòu)成的星球上，火山爆發(fā)和地震活動就是看得見的證據(jù)。由于大多數(shù)斷層和火山都分布在板塊邊界處，預(yù)測世界上哪些地方是火山爆發(fā)和地震活動多發(fā)地區(qū)，相對來說還是比較容易的。遺憾的是，對于居住在這些地區(qū)的人們來說，要預(yù)測它們何時發(fā)生卻要復(fù)雜得多。

長期地震預(yù)報是建立在對以往地震史研究的基礎(chǔ)上的，所以問題不是很大。比如，生活在舊金山海灣地區(qū)的人，在未來30年里再經(jīng)歷一次大地震的可能性為62％。在地震前幾秒鐘發(fā)出地震警報，目前已成為可能。日本最近就啟用了這樣的地震預(yù)警系統(tǒng)，它的意義在于能夠給予人們足夠的時間跑出建筑物，或者找到藏身處，或者就地躲在桌子底下得到保護。

這類措施無疑起到了保護生命拯救生命的重要作用，但如果能夠提前幾周或幾天發(fā)出地震預(yù)報，將最具風險地區(qū)的人員及時疏散，其意義將更為重大，只是目前還很難做到這一點。

用來預(yù)測地震的主流方法，是通過模型來測算某個斷層的應(yīng)力應(yīng)變，這種估算建立在上一次斷層活動以及衛(wèi)星對地面移動情況測量的基礎(chǔ)上。一些研究人員認為，在一些大地震發(fā)生之前，地球大氣層邊緣會出現(xiàn)電子干擾，他們認為這可以作為地震的一種先兆。該理論認為，導(dǎo)致一場地震的應(yīng)力變化會加大對巖石的壓力，感生電流，誘發(fā)氡氣體的釋放，或使地表溫度產(chǎn)生變化，最終影響到地球的磁場，而磁場變化是可通過衛(wèi)星檢測到的。地震之前在斷層上方出現(xiàn)的奇怪云層也被有些人看作是一種可能的地震預(yù)警信號。

精確預(yù)測地震還有很長的一段路要走，但預(yù)測火山何時爆發(fā)卻正在成為可能。一些在火山爆發(fā)前成功撤離人員的例子要歸功于近年來火山爆發(fā)預(yù)測技術(shù)的長足進步。例如1991年6月菲律賓皮納圖博火山爆發(fā)之前三個月，科學家就檢測到了火山爆發(fā)前的一些預(yù)兆。先是在火山側(cè)翼檢測到了震顫現(xiàn)象，沒過多久，火山開始冒出蒸汽并噴吐云霧狀的火山灰。隨著火山前兆活動的加劇，使政府果斷發(fā)出撤離人員的命令，6萬人安全轉(zhuǎn)移，及時的預(yù)警挽救了成千上萬人的生命。

并非所有的火山都有如此明確的預(yù)兆，但一些較細微的征兆也有可能被用于火山爆發(fā)預(yù)測。2006年7月和2007年4月，科學家利用海洋聲波的微妙變化成功預(yù)測了印度洋留尼汪島上富爾奈斯火山的爆發(fā)。科學家在監(jiān)測海底低頻地震波時注意到，當火山即將爆發(fā)前，聲波穿越巖漿房的速度明顯慢了下來。當?shù)厝嗽诨鹕奖l(fā)前幾天得到了警報，得以及時安全撤離。

密切注意觀察天氣變化也有助于預(yù)測火山爆發(fā)。阿拉斯加半島上的巴甫洛夫火山在秋冬兩季更顯活躍。一種解釋是，這段時期的暴雨暴雪導(dǎo)致火山周圍的水位上升，像擠牙膏一樣將巖漿往上擠出來。氣候變化也可能會產(chǎn)生類似的影響：融化的冰塊和上升的海平面改變地震斷層處和沿海火山側(cè)翼的負荷，更容易引發(fā)地震和火山爆發(fā)。

科學家預(yù)測，下一次超級火山大爆發(fā)將會是災(zāi)難性的，發(fā)生在大約75000年前的最近一次火山大爆發(fā)使整個地球陷入了長達幾個世紀的“火山冬天”，使當時的地球人口減少了60％。

火山大爆發(fā)每隔幾十萬年發(fā)生一次，所以我們知道下一次火山大爆發(fā)可能為期不遠。美國黃石公園的“超級火山”可能在不遠的將來爆發(fā)，目前處于休眠狀態(tài)的意大利維蘇威火山也可能隨時再次張開它的“大口”。這兩座火山目前都處于科學家的嚴密監(jiān)測之下，但沒有人能確切知道它們究竟在何時爆發(fā)，也許這并不是什么壞事，因為即使我們知道，我們也無法阻止。