摘要：《改写地球历史的 25 种石头》精心挑选了 25 种动摇地质学根基、改写地球演化史的岩石、露头或地质现象，从经典露头到月岩再到彻底改变我们对地球运作方式认知的板块漂移，讲述了科学家如何化身“侦探”，透过这些石头，寻找关于地球历史的蛛丝马迹，拨开重重迷雾，侦破“

《改写地球历史的 25 种石头》精心挑选了 25 种动摇地质学根基、改写地球演化史的岩石、露头或地质现象，从经典露头到月岩再到彻底改变我们对地球运作方式认知的板块漂移，讲述了科学家如何化身“侦探”，透过这些石头，寻找关于地球历史的蛛丝马迹，拨开重重迷雾，侦破“地质谜案”。25 个地质发现如同 25 块拼图，拼凑出地质史的全貌，串起地球的演化历程。

每个地质发现的背后都凝聚着无数科学家的心血和汗水。作者唐纳德·R.普罗瑟罗无疑是讲故事的好手，为我们述说了老普林尼为了考察火山而不幸身亡，威廉·史密斯坐过牢，魏格纳为了证明“大陆偏移”葬身北极……他们倾其一生，执着如一，被质疑、遭诽谤，历经各种困难，才终于真相大白。

我们摘选了本书第十章《铁镍陨石——其他行星的核部》分享给读者。

小时候，爸爸带我去看流星雨，我有点害怕，因为他是在半夜把我叫醒的。我的心怦怦直跳，不知道他想做什么。他什么也没说，把我放进车里，我们就出发了，我看到所有人都躺在毯子上，望着天空。

——史蒂文·斯皮尔伯格（Steven Spielberg）

备受争议的陨击坑

在美国亚利桑那州温斯洛（Winslow）的佩恩蒂德沙漠（Painted Desert）中部，沿 40 号州际公路向西行驶 29 千米，或自弗拉格斯塔夫（Flagstaff）沿 40 号州际公路向东行驶 60 千米，你就可以看到驶向巴林杰陨击坑的岔道。路标上写着这只是个旅游陷阱，但事实并非如此。它其实是美国最令人惊叹的自然景观之一，不受美国国家公园管理局、国家森林局、土地管理局等政府机构的保护，属于私人所有。它最初被称为代阿布洛峡谷陨击坑（Canyon Diablo crater），名称源自位于其西北约 19 千米的废弃城镇。它的另一个旧称是库恩山陨击坑（Coon Mountain Crater）。

巴林杰陨击坑：鸟瞰图

边视图（图源：维基百科）

格罗夫·卡尔·吉尔伯特（Grove Karl Gilbert，美国地质调查局的传奇人物，曾于 1892 年发表了一篇关于该陨击坑的论文）等早期地质学家坚持认为，该坑是一个火山口。这种观点并非不合理，因为火山口在该地区很常见，特别是在弗拉格斯塔夫以北地区，如旧金山峰（San Francisco Peaks）和落日火山口（Sunset Crater）都是近代火山活动的证据。吉尔伯特在地质学界有着极高的声誉：他绘制并描述了科罗拉多高原的许多重要地形，证明了盐湖城和邦纳维尔盐碱滩曾被巨大湖泊淹没，还曾到 1906 年旧金山大地震现场记录地质变化。

吉尔伯特对该陨击坑进行了详细研究，尽管他曾认真考虑该坑为陨石撞击的可能性，但得出的初步结论是，该坑是火山口或蒸气爆炸的遗迹。根据吉尔伯特的说法，附近散落的陨石只是巧合。他反对撞击说的主要证据是坑内未发现陨石物质。坑周围破碎岩石的体积只够填满坑本身，中央没有额外的铁镍团块，也未检测到陨石被埋在深处的磁异常特征。因此，大多数地质学家认同吉尔伯特的观点，认为这个坑是一个火山口。

然而，有些人不同意地质学家的主流观点，其中有一位名叫艾伯特·E.富特（Albert E.Foote）的矿物学家。在此前几年，当地铁路公司在建造一条与现 40 号州际公路平行的铁路时，负责修路的公司高管给了富特一些样品。富特立刻意识到这些样品是陨石。富特带领一支探险队到达坑边，发现了数百个碎片，其中一个重 300 千克左右。这些陨石十分独特，因为它们主要由铁和镍组成，是一种具有重要意义的陨石。其中一些的内部甚至含有小钻石，证明它们曾经历过极高的压力和温度。富特仔细描述了这个陨击坑，并在美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science）的期刊上发表了他的研究成果。该期刊至今仍是世界上最著名的科学期刊之一。

另一个对火山成因解释持反对意见的人是采矿工程师兼商人丹尼尔·M．巴林杰（Daniel M．Barringer）。早在 1894 年，巴林杰就在亚利桑那州科奇斯县（Cochise County）的联邦银矿上赚了 1500 多万美元，所以他在采矿方面拥有丰富的经验，并且有资本进行投资。他非常肯定这是一个陨击坑，并把自己的钱押在了上面。1903 年，他的标准钢铁公司（Standard Iron Company）买下了陨击坑及周围的土地，并发布采矿声明。他的土地证由西奥多·罗斯福总统（President Theodore Roosevel）亲自签署，总统甚至授权在陨击坑边缘建立一个邮局（命名为亚利桑那州陨击坑邮局）来为这个场址服务。1903 年至 1905 年间，巴林杰和他的公司对该坑进行了研究，找到了令人信服的证据，证明它确实是一个陨石撞击坑。从早年开始，人们已在陨击坑周围发现大约 30 吨的大型陨石碎片，所以巴林杰认为，陨石主体一定是在陨击坑之下。根据采矿经验，他估计这里陨石的质量可达 1 亿吨，按 1903 年的市值，价值超过 10 亿美元。

巴林杰和他的公司在此后的 27 年里坚持不懈地在陨击坑底部向下钻井，达到了 419 米的深度，但并未发现明显的含铁物质。巴林杰的公司在勘探上花费了 60 多万美元，最终在 1929 年巴林杰去世后宣告放弃。尽管痛苦和失望，巴林杰一直坚信他是对的。但是他的失败进一步证实了大多数地质学家的观点，即该坑确实是个火山口。讽刺的是，天文学家福雷斯特·雷·莫尔顿（Forest RayMoulton）在 1929 年进行了计算，结果显示陨石应该已经气化了，而巴林杰的探索从一开始就注定失败。巴林杰去世之前，显然读过莫尔顿的论文。

直到 20 世纪 50 年代，行星物理学才开始成为一个成熟的研究领域，科学家们意识到，大多数陨石会在大气中燃烧殆尽，或者在撞击时气化，只留下少量原始物质散布在周围。该观点由赫尔曼·勒罗伊·费尔柴尔德（Herman Leroy Fairchild）于 1930 年首次提出，他很早就宣称，撞击成坑是一个重要过程。

20 世纪 60 年代和 70 年代，陨击坑（也被称为巴林杰陨击坑）的撞击起源终于得到加州理工学院和美国地质调查局行星地质学先驱吉恩·休梅克（Gene Shoemaker）的证实（我在加州理工学院时认识吉恩，在他的实验室里做了很多磁性分析实验）。1960 年，休梅克从陨击坑中采集了一些样品，发现其中含有柯石英和超石英等矿物，这类石英只能在冲击作用下形成（或在核爆炸中产生，这些矿物最初就是发现于核爆炸中）。证据确凿，该坑并不是由火山爆发形成的。后来，休梅克仔细重绘了陨击坑。他发现，陨击坑边缘的撞击碎片的层序是上下颠倒的，来自坑底的科科尼诺砂岩（Coconino sandstone）堆积在边缘沉积物最上部，而年轻的莫恩科皮页岩（Moenkopi shale）和凯巴布灰岩（Kaibab limestone）位于 边缘沉积物的底部。这种层序颠倒现象只有一种解释，撞击冲力使得整个岩层向上喷起，在空中发生翻转，接着以上下颠倒的方式落地，最后岩层解体。

现在，据行星科学家估计，该天体为铁镍陨石，撞击事件大约发生在 5 万年前。当时正值冰河时代晚期，该地生活着地懒和猛犸象等冰河时代哺乳动物，气候潮湿、树木茂密。当时古印第安人还没到达北美，所以没有人类目击此次事件。这颗陨石最初的直径约为 50 米，重约 30 万吨，尺寸是巴林杰估计的 3 倍。它以每秒 20 千米的速度向下坠落、撞击地面，其威力相当于千万吨级核弹。事实上，核爆弹坑差不多也这么大，而且看起来与巴林杰陨击坑非常相似。这块陨石的原始物质大约有一半在撞击时化为蒸气，剩下的部分散落在四周，这就是为什么在陨击坑中留下的东西如此之少，以至于巴林杰毫无发现。

幸运的是，巴林杰的财产所有权由他的后代继承，所以他的家人现在拥有并经营着游客中心和博物馆。其中，博物馆坐落于陨击坑北缘，景象十分壮观。巴林杰的继承人从游客那里赚的钱远比巴林杰通过采矿挣来的钱多得多。该陨击坑曾用于美国国家航天局（NASA）宇航员的训练，为月球漫步、气象实验做准备，也是许多电影拍摄特殊镜头的取景地。1982 年，陨石学会将该会的最高奖项命名为“巴林杰奖”，以纪念这位饱受同时代地质学家嘲笑、为寻找陨石梦想损失数百万美元的“撞击论先知”——巴林杰。

空中来客

对任何文明来说，巨大铁块从天而降都令人触目惊心。有些甚至被当作神明送往人间的圣物，受到人们的敬拜。例如，俄勒冈州的克拉克默斯（Clackamas）部落崇拜威拉米特陨石（Willamette meteorite）。许多科学家认为，每年被数百万穆斯林朝圣者膜拜的位于麦加圣地天房克尔白东南角的黑色石头，可能就是一块铁镍陨石。此外，铁镍陨石也可作为史前工具中铁原料的重要来源。但到了铁器时代，冶炼技术使得人们开始利用更容易获得、含铁量更高的矿石来制造工具，陨石的重要性随之降低。

纳米比亚的霍巴陨石是迄今为止发现的最大陨石。它太大了，不能移动，所以人们在其周围建造了一座纪念馆

有些陨石的尺寸相当惊人。最大的是纳米比亚的霍巴陨石（Hoba meteorite），其重量至少有 60 吨，所以从未被移动过。霍巴陨石发现于 1920 年，当时这块地的所有者犁地时碰到了它；这颗陨石完全埋在地下，而它所形成的陨击坑可能早已被侵蚀殆尽。科学家认为，这块陨石接近地球大气层时，显然已经减速到最终速度，所以才会如此之大。由于它形状扁平且表面光滑，甚至可能弹跳了几次，所以没有像其他陨石那样猛烈地撞击地面，形成一个大坑或气化掉。如今，霍巴陨石已成为国家历史文物，禁止随意破坏，每年都有成千上万的游客前来参观。

另一个巨型陨石是约于 1 万年前坠落在格陵兰约克角附近的约克角陨石（Cape York meteorite）。这块陨石碎裂成许多块，几个世纪以来，北格陵兰的因纽特人都在用它们制造铁制工具，如刀和鱼叉。其中最大的一块被因纽特人称为“Ahnighito”（因纽特语意为“帐篷”），重达 31 吨，尺寸为 3.4 米 x 2.1 米 x 1.7 米，比一辆小卡车还大；另一块“女人”（the Woman）重达 3 吨；第三块“狗”（the Dog）重达 400 千克。这些陨石的故事早在 1818 年就流传到科学家的耳中。1818 年至 1883 年间，科学家们组织了 5 次科考活动，以确定这颗陨石所有碎片的位置。最终，著名探险家罗伯特·皮里（Robert Peary）在 1894 年发现了它。据说皮里于 1910 年第一个到达北极。［皮里是不是到达北极第一人，这一点仍存争议。探险家弗雷德里克·库克（Frederick Cook）也宣称自己首先到达北极］。皮里等人花了 3 年时间才将“Ahnighito”等陨石碎片移到海岸，为此皮里的船员们还建造了一条小铁路（这是格陵兰唯一一条铁路）。皮里在 1897 年以 4 万美元的价格将其卖给了纽约美国自然历史博物馆，至今仍在展出。约克角陨石是被移动过的最重的陨石，展示架下面的支柱建立在博物馆下方的基岩上，以免建筑物的地板直接受压而被压坏。

巨大的约克角陨石碎片：Ahnighito，“帐篷”，是其中最大的一块，现陈列于纽约美国自然历史博物馆

这座博物馆（纽约美国自然历史博物馆）还有史上最著名的铁镍陨石：威拉米特陨石。它是迄今为止在北美发现的最大陨石，也是世界第六大陨石。这颗陨石是在俄勒冈州的威拉米特山谷附近发现的，被称为“Tomonowos”（“空中来客”）。威拉米特陨石周围没有陨击坑，因为它是在大约 13000 年前随冰川运动自蒙大拿或加拿大搬运而来。该陨石重15吨，长约 3 米，宽 2 米，高 1.3 米。俄勒冈州的殖民者埃利斯·休斯（Ellis Hughes）于 1902 年“发现”了它（忽略之前克拉克默斯部落的发现），并意识到它位于俄勒冈钢铁公司的土地上。因此，他将这块陨石秘密转移到自己的土地上（在 3 天内移动了 1200 米），然后对其发表采矿声明。但被俄勒冈钢铁公司发现了，他们起诉了埃利斯，并于 1905 年在法庭上取得了所有权。然后，他们把这块陨石卖给了百万富翁威廉·E．道奇（William E．Dodge）的遗孀，售价 26000 美元（相 当于今天的 70 万美元），后者又把它捐赠给了纽约美国自然历史博物馆，现在仍陈列在博物馆里。

威拉米特陨石，现陈列于纽约美国自然历史博物馆（图源：维基百科）

它是一个庞然大物，让每一个看到它的人都印象深刻。在过去的一百多年里，已有 4000 多万人前来参观，人数比其他任何已知陨石的都要多。1999 年，格兰德龙德（Grand Ronde）部落要求将陨石归还给他们，经法庭判决，博物馆保留了这块陨石，但克拉克默斯人有权每年在其周围举行秘密仪式。若博物馆把它移出展览架，那么必须将它归还给俄勒冈州。与此同时，在尤金的俄勒冈大学自然与文化历史博物馆外还陈列着一个它的复制品。

星核碎片

铁镍陨石十分稀少且相当特殊。已知陨石中只有 6％ 属于这种陨石，石陨石和球粒陨石则多得多。当你拿起一块铁镍陨石，就会发现它重得惊人，因为它的密度比石陨石或球粒陨石的大得多，其总重占已知陨石总质量的 90％。作为收藏品它们也十分突出，因为外观独特（即便对门外汉来说也是如此），抗风化能力更强，进入大气层时也更能抵抗摩擦导致的烧蚀。

顾名思义，铁镍陨石主要由铁组成，还含有大约 5％～25％ 的镍、少量的钴和其他稀有元素。因此，它们的化学组成比石陨石和球粒陨石要简单得多，后两者含有许多不同的化学物质和矿物。

铁镍陨石最有趣之处在于，它们提供了构成许多行星（包括地球）核心的样品。科学家对某些小行星（M 型小行星）的光谱进行分析时发现，它们的成分与铁镍陨石的相同。根据铁镍陨石的地球化学特征可知，它们最初形成了大型原行星的核部，后来又分裂开来。铁镍陨石中还含有镁—26。镁—26是一种放射性热源，可导致原行星熔融，使其中的铁和镍等密度较大的物质下沉到核部，在行星分化过程中与幔部分开。

这些信息与通过地球物理证据测得的地核性质是一致的。根据地震学，我们可了解地核的大小（位于地下 2900 千米处，地幔的下方）。地震学和重力测量表明，地核密度约是水的 10～12 倍，只有处于巨大压力下且密度很高的金属才能如此。最后，地球拥有磁场这一事实表明，地核必须是一种良好的电导体，这意味着其中含铁和镍等金属。多亏了这些陨石，我们知道，在原太阳系，唯一符合这些特性（密度、导电性）的常见物质只有铁和镍，所以唯一合理的解释是地球也有一个铁镍核。

随处可见的铅

那这些陨石的年龄是多少呢，比如来自巴林杰陨击坑的代阿布洛峡谷陨石？由于铁镍陨石组分简单，除铁、镍，以及少量钴和铅等重金属外，基本不含其他物质（与石陨石和球粒陨石中的硅酸盐矿物相比），这使得许多传统的定年方法不能使用，比如钾—氩法或铷—锶法。常规的铀—铅定年法也无法使用，因为这些岩石的年龄达 40 亿年，甚至更久，所以几乎检测不到铀的母原子残留。那么，用什么方法可以测得这些古老天体的年龄呢？

加州理工学院时期的克莱尔·帕特森

1948 年，这个问题被一位年轻的化学系学生——克莱尔·帕特森（Clair Patterson）解决了。帕特森于 1922 年出生在艾奥瓦州的米切尔维尔（Mitchellville）。后来他进入艾奥瓦州的格林内尔学院学习，又在艾奥瓦大学获得了硕士学位，专业为质谱学。战争期间，他与妻子（也是一位化学家，两人在大学相识）应招参与了研发原子弹的曼哈顿计划。战争一结束，帕特森就去芝加哥大学攻读博士学位。他的导师哈里森·布朗（Harrison Brown）研究了一种新的定年方法，即通过测量铀—235和铀—238这两种不同铀同位素衰变所产生的子代铅（铅—206和铅—207）来测定年龄。由于不同系统中铀的衰变速率不同，所以将两者比值投在一幅图上，可得出关于样品年龄的斜率。另一名芝加哥大学的学生乔治·蒂尔顿（George Tilton）也在研究类似问题，其结果可相互验证。

理论上看，该方法很简单，于是帕特森开始尝试进行测量。令他沮丧的是，数据结果相当分散，显然是受到其他因素的干扰。结果显示，有系统外的铅混入，导致他测量的背景铅含量比样品中的铅含量还要高。帕特森试图清除实验室污染。在“超净实验室”中，研究人员必须先沐浴，穿上特制的防护服，以免衣服上的污染物扩散开来，然后穿鞋套、戴头套，最后还要戴上外科口罩。房间和仪器的表面从上到下都须擦洗干净。他们一遍又一遍地试图清除所有来自外界的可能会污染他们实验室的因素。房间收拾得超级干净之后，他开始得到较为理想的结果。1953 年，他公布了代阿布洛峡谷陨石的年龄为 45.4（±0.5）亿年，这是迄今为止最古老的物体，所以地核（或许太阳系）的年龄也是 45 亿年。

与此同时，帕特森被委任在加州理工学院设立地球化学项目。他在那里建立了一个更好的洁净实验室（他在加州理工学院一直干到退休，我在那里读书时曾去过他那间旧的超净实验室）。实验室建成后，帕特森想知道是否所有物质都含铅，甚至是实验室外的空气中。他使用的仪器非常灵敏，可检测到空气、水和许多物质中的微量铅。令他吃惊和恐惧的是，几乎所有的东西都含铅，特别是人体内部。人体内部铅的来源是水和食物。通过分析来自格陵兰冰芯的水样，他可以确定，这种铅污染的年代相当近。事实上，自石油公司为减少发动机的爆震开始在汽油中加入铅，铅污染的情况才开始出现。铅还被用于油漆、釉料、食品容器，甚至是供水系统中。早在一个多世纪之前，人们就已经知道铅是有毒的。许多学者认为，罗马帝国灭亡的元凶之一就是他们的饮用水中含有大量的铅。然而，不知何故，竟然没人考虑到在这么多产品中加入铅可能会污染环境。

帕特森最终在 1965 年公布了他的研究结果，但他立即遭到各大产业的强烈反对，包括石油公司、铅矿业公司、含铅添加剂行业，尤其是他们的游说团体。乙基公司（Ethyl Corporation，一个提倡在汽油中使用四乙基铅的游说团体）动用各种资源打击他。该公司的化学专家罗伯特·基欧（Robert Kehoe）充当枪手，一再作证不会造成铅污染。

从对抗烟害、破坏臭氧层的氯氟烃、酸雨，到如今产生温室气体的化石燃料，强大的实业公司都尽其所能地败坏甚至摧毁那些揭露真相、威胁其商业利益的科学家。正如烟草公关公司曾说过的那句著名的备忘录：“我们的产品就是怀疑。”他们雇用说客和所谓“专家”散布对问题的怀疑和不确定，并设法用他们的证词（以及丰厚的竞选款）使政客动摇。

帕特森忍受着来自石油和铅行业的科学家的攻击和诽谤，他的研究工作受到了威胁。幸运的是，他在加州理工学院获得了终身职位，在未被收买的专业科学家中享有很高的声誉，所以他并未失去实验室和工作。然而，许多研究机构拒绝资助他，包括美国公共卫生署。1971年之前，美国国家研究委员会（National Research Council）一直将帕特森排除在大气铅污染小组之外，尽管他是世界上铅污染方面的权威专家。

20 世纪 70 年代初，人们对环境问题有了新的认识，形势开始好转。美国环境保护署于 1972 年成立，在接下来的几年里（特别是民主党于 1974 年接管国会之后），几乎所有环境法案都在国会获得通过，并且几乎是两党一致通过。当时，环保主义获得两党的一致支持，共和党还没有被势力强大的排污者掌控。1975 年，美国规定所有的汽车都要使用无铅汽油，并安装催化转化器。到 1986 年，帕特森的研究工作已使美国汽油全部无铅化。与此同时，帕特森还证实了食物中的铅污染问题，他比较了鱼罐头中的铅含量和 1600 年前的秘鲁人骨骼中的铅含量。这些人经常食用鱼，但当时鱼的生活环境中并不含铅。

1978 年，帕特森参加了美国国家研究委员会的一个专家小组，主张进一步减少环境中的铅含量，但大多数人不同意他的观点，所以他写了一份措辞强硬、长达 78 页的报告。不过帕特森为了科学与污染者的英勇斗争已经收获成效。到 20 世纪 90 年代末，美国公民血液中的铅含量下降了 80％。我们都要感谢这位勇敢的科学家，他从测定太阳系中最古老陨石的年代这一简单的问题开始，最终拯救了地球。帕特森是科学诚信的典范，无论财大气粗的利益集团和充当打手的科学家如何反对，他只在乎事实，用数据说话，捍卫人类和地球的整体利益。

来源：好奇心精选