哪種礦石能經歷40億年還不毀壞，還見證了地球的蛻變過程？

和鑽石不一樣，鋯石可以永久存在1編注：雖然鑽石是地球上最堅硬的物質，給人堅不可摧的印象，但其實在有氧的環境下，只能耐攝氏850至1000度的高溫，超過這個溫度就會變成二氧化碳。也就是說，一場火災就可能讓你的鑽石消失。，我們因此得以從這些結晶狀的時光膠囊，一窺早期地球生命初生時期的狀況。

科學家和藝術家常常將地球形成的最初幾年，想像成如地獄般到處都是火山和熔岩原的景色。然而在數億年間，水可能就因陸地冷卻而能存在於地表，生命不久後也隨之出現。
ILLUSTRATION BY RYAN ROSSOTTO

地球在40億年前看起來是什麼樣子？這個時間是在人類將自然奇觀刻上石頭之前，在樹木將四季刻入年輪之前；在山脈經由板塊運動突出地表、暴露出古老地層以前。

然而科學家的確從鋯石（zircon）這種極度堅固的礦物中找到了一些線索。

鋯石結晶幾乎堅不可摧，現存的鋯石有些已經將近44億歲了。它們就像是微小的時光膠囊，裡頭裝著非常早期的化學足跡。「這基本上是我們窺看地球成形階段的唯一機會。」羅徹斯特大學（University of Rochester）的達斯汀．崔爾（Dustin Trail）說。

透過解開這些化學線索，科學家正緩慢地釐清孕育最初生命型態的環境狀況，可是那時地球表面到底是什麼樣子一直是個謎。不過就在《美國國家科學院刊》（PNAS）上的一份新研究裡，崔爾和同事把這個謎題解開了。

這個團隊利用鋯石的化學足跡，辨認出一批可能屬於早期地球的沉積物，而那個時期的環境很可能醞釀出最早的生化反應。

亞斯特（ASTER）衛星拍攝到的澳洲傑克山崗。這裡曾發現地球目前最古老的地殼碎片，裡面的鋯石存在了約44億年之久。
PHOTOGRAPHY BY NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS, AND U.S./JAPAN ASTER SCIENCE TEAM

滄海桑田，地質紀錄難保存

45億年前的地球剛形成時，地表很可能和現在完全不同。科學家依希臘神話的冥王之名，將此時期命名為冥古代（Hadean），這名稱極為貼切，因為這時的地表不斷受到隕石襲擊，地面充斥著汨汨流出熔岩的火山，有著熾熱煉獄般的景象。

然而這些描述全都是根據推論而來，地球最初數百萬年時期的證據並沒有留下來。「地球非常善於抹去這類資訊。」崔爾說。我們的地球是個終極循環器，板塊運動不停地把老岩塊翻新，而熔岩流變硬就形成新的地景。

不過，鋯石結晶由於非常堅固，所以常常能從這個循環過程的極端溫度與壓力中存活下來，保留了它們初形成時所處環境的線索。研究人員早先利用鋯石的氧同位素分析，發現在43億年前液態水就已覆蓋了部分地表，這顯示了地球表面在形成後的數億年就已經冷卻了。而就在去年，研究人員認為他們在41億年前生成的鋯石中，發現了富含碳的包裹體，這可能早期生命的線索。

但是除了這一點發現，這個時期地球的景象，包括可能培育出早期生命的環境，大多仍是個謎。

「如果我們能把當時出現的物質類型縮小範圍，」崔爾說：「或許能對當時的生化反應、或生命出現前的反應如何運用地殼作為基質這方面，有更進一步的了解。」

見證地球蛻變的同位素

為了找到答案，崔爾和同事從矽與氧著手。這兩種元素結合形成了現今地球上大約75%的岩石，他解釋說。而且二者的特色都派得上用場：它們的形式不只一種，也就是有同位素存在。

岩石在形成和變質的過程中，會改變它的同位素足跡。例如熔岩冷卻形成的岩石和岩石風化形成的黏土2編注：這裡的黏土指的是礦物，是顆粒小於2微米且可塑的多種含水矽酸鋁鹽礦物混合體，而不是口語上所稱給小朋友玩的黏土。，二者之間就會有大量不同的特徵。而鋯石本身雖然一開始是別種岩石和沉積物，但在被埋入地底深處熔化和結晶之後，仍能保存早期沉積物的特徵。

為了對鋯石中所含的矽與氧進行精密的分析，研究團隊找上加州大學洛杉磯分校的高解析度離子微探針（high-resolution ion microprobe）來幫忙，它會對著微小的樣本射出一束帶電的原子，然後測量彈出來的那些離子。

他們從西澳洲的傑克山崗（Jack Hills）地區收集了超過40億年前形成的鋯石進行檢驗，每個大約100微米寬，接近人髮的粗細。他們把這些古老礦石的化學性質，拿來和更年輕、起源更確定的鋯石（可把這些年輕鋯石視為地質史的橋樑）互相比較，這樣有助於理解不同的同位素比率，崔爾解釋說。

液態水很早就出現

在被檢驗的古老鋯石中，超過半數顯示出岩石與水很早就在許多不同環境中互相作用。

有些鋯石含有岩石被水蝕化成黏土的化學特徵，其他鋯石所帶的特徵則是礦物溶解後再結晶所形成的岩石，例如湖裡或海裡的角岩（chert）或帶狀鐵礦床（banded iron formations）。還有一些則具有所謂的蛇紋岩化作用（serpentinization，因其帶有蛇皮般的紋理和顏色而得名）的特徵。在這個過程中，水和富含鐵、鎂的岩石發生作用而被併入礦物的結構裡。