大约45亿年前，地球在婴儿期像一颗微弱的星星一样发光。 在与巨大的巨石（有些像小型行星那么大）的反复碰撞之后，炽热的橙黄色岩浆海洋在表面翻滚，这些巨石围绕着新形成的太阳运行。 每次撞击都以平均75倍音速的速度冲击着地表——接触时粉碎、融化甚至汽化。
早期，稠密的铁从岩浆海洋中沉降出来，形成了金属核，释放出足够的引力能来熔化整个行星。 大规模的陨石撞击持续了数亿年，其中一些撞击形成了直径超过1000公里的陨石坑。 与此同时，在地下深处，放射性元素的衰变产生的热量是今天的六倍以上。
在熔岩凝固成地壳之前，在大陆形成之前，在稠密、蒸汽弥漫的大气凝结成液态水之前，以及在地球上最早的原始生命进化和生存之前，这些炽热的条件必须消退。 但是，地球表面在发光诞生后冷却的速度有多快呢？ 大多数科学家都认为，地狱般的环境持续了长达5亿年，这个时代因此被命名为冥古代。 这种观点的主要支持来自明显缺乏任何早于40亿年的完整岩石——以及来自更晚期才出现的最初化石生命迹象。
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然而，在过去的五年中，地质学家——包括我在威斯康星大学麦迪逊分校的研究小组——发现了数十个古老的锆石晶体，它们的化学成分正在改变我们对地球起源的看法。 这些耐用矿物（每个都只有本句中句点大小）的异常特性，使晶体能够保存令人惊讶的关于其形成时环境的有力线索。 这些微小的时间胶囊证明，适合原始生命居住的海洋，甚至可能还有大陆，可能比普遍认为的早出现4亿年。
冷却下来
自19世纪以来，科学家们一直试图计算地球冷却的速度，但很少有人期望找到确凿的证据。 虽然最初的岩浆海洋温度超过1000摄氏度，但热力学计算得出的一个关于早期地球更温和的诱人暗示是，地壳可能在1000万年内在地表凝固。 随着行星表面硬化，不断增厚的固结岩层将外部与内部深处的高温隔绝。 如果在主要的陨石撞击之间存在适当的平静时期，如果地壳稳定，并且如果早期温室大气没有捕获过多的热量，地表温度可能很快降至水的沸点以下。 此外，原始太阳更暗淡，贡献的能量也更少。
来自西澳大利亚的微小锆石并没有轻易地泄露它们的秘密。
不过，对于大多数地质学家来说，无可争议的炽热诞生和地质记录中稀少的线索似乎反而指向长期的超高温气候。 已知的最古老的完整岩石是加拿大西北地区的40亿年前的阿卡斯塔片麻岩。 这种岩石形成于地下深处，没有关于地表状况的信息。 大多数研究人员认为，行星表面的地狱般条件一定抹去了任何更早形成的岩石。 已知起源于水下（因此在相对凉爽的环境中）的最古老岩石直到38亿年前才形成。 这些沉积物暴露在格陵兰岛西南部的伊苏阿，也包含最早的生命证据 [参见莎拉·辛普森的“质疑最古老的生命迹象”；大众科学，2003年4月]。
从20世纪80年代开始，单晶锆石开始为早期地球添加新信息，当时来自西澳大利亚杰克山和纳里尔山地区的少数稀有晶粒成为当时已知的最古老的陆地物质——最古老的可以追溯到近43亿年前。 但这些锆石携带的信息似乎模棱两可，部分原因是地质学家不确定它们的母岩的身份。 一旦形成，锆石晶体非常耐用，即使它们的母岩暴露在地表并被风化和侵蚀破坏，它们也可以持续存在。 然后，风或水可以将幸存的晶粒输送到很远的距离，然后它们被纳入沙砾沉积物中，这些沉积物可能后来凝固成沉积岩。 事实上，杰克山锆石——可能与它们的来源地相隔数千公里——被发现在一个被称为杰克山砾岩的化石砾石层中。[换行]
因此，尽管发现了如此原始的地球碎片令人兴奋，但包括我在内的大多数科学家仍然接受我们年轻的行星的气候是冥古代的观点。 直到1999年，技术进步才使得对来自西澳大利亚的古代锆石晶体进行进一步研究成为可能——并挑战了关于地球最早历史的传统智慧。
深入挖掘
澳大利亚的锆石并没有轻易地泄露它们的秘密。 首先，杰克山及其周围地区是广阔牧羊场边缘的尘土飞扬的荒地，被称为贝林加拉和米勒拉，位于澳大利亚最偏远的城市珀斯以北约800公里处。 杰克山砾岩沉积于30亿年前，标志着广泛的岩层组合的西北边缘，这些岩层都比26亿年前更古老。 为了回收不到一小撮锆石，我的同事和我从这些偏远的露头收集了数百公斤的岩石，并将它们运回实验室进行破碎和分类，类似于在海滩上寻找一些特殊的沙粒。
一旦从它们的源岩中提取出来，就可以对单个晶体进行年代测定，因为锆石是理想的计时器。 除了它们的寿命之外，它们还含有微量的放射性铀，铀以已知的速率衰变为铅。 当锆石从凝固的岩浆中形成时，锆、硅和氧原子以精确的比例（ZrSiO4）结合，形成锆石特有的晶体结构； 铀偶尔会作为微量杂质替代。 另一方面，铅原子太大，无法舒适地取代晶格中的任何元素，因此锆石最初几乎不含铅。 铀铅时钟在锆石结晶后立即开始滴答作响。 因此，铅与铀的比率随着晶体的年龄而增加。 科学家可以可靠地确定未损坏锆石的年龄，精度在1%以内，对于早期地球而言，约为正负4000万年。
在20世纪80年代初期，威廉·康普斯顿和他在堪培拉澳大利亚国立大学的同事发明了一种特殊的离子探针显微镜，这使得对单个晶体的特定部分进行年代测定成为可能，这是一种非常大的仪器，他们戏称其为SHRIMP，是Sensitive High-Resolution Ion Micro Probe（灵敏高分辨率离子探针显微镜）的缩写。 尽管大多数锆石几乎肉眼不可见，但离子探针显微镜发射的离子束非常聚焦，以至于它可以从锆石表面任何目标部分剥离少量原子。 然后，质谱仪通过比较这些原子的质量来测量它们的成分。 正是康普斯顿的研究小组——与当时也在澳大利亚科廷科技大学的罗伯特·T·皮金、西蒙·A·王尔德和约翰·巴克斯特合作——于1986年首次对杰克山锆石进行了年代测定。
杰克山锆石可能是世界上第一块大陆的样本。
了解了这段历史后，我找到了王尔德。 他同意重新调查杰克山锆石的铀铅年代，作为我的学生威廉·H·佩克的博士论文的一部分，佩克现在是科尔盖特大学的助理教授。 1999年5月，王尔德使用科廷大学改进的SHRIMP分析了56个未注明日期的晶体，发现了5个超过40亿年的晶体。 令我们非常惊讶的是，最古老的可以追溯到44亿年前。 月球和火星的一些样本具有相似的年龄，陨石通常更古老，但没有在我们的星球上发现（或预期）如此古老的东西。 几乎所有人都认为，如果曾经存在如此古老的锆石，那么动态的冥古代条件会摧毁它们。 我们万万没想到，最激动人心的发现还在后头。
古代海洋的证据
佩克和我之所以寻找来自西澳大利亚的王尔德锆石，是因为我们正在寻找地球上最古老的保存完好的氧气样本。 我们知道，锆石不仅可以保留其主岩形成时间的证据，还可以保留其形成方式的证据。 特别是，我们正在使用不同氧同位素的比率来估计导致岩浆和岩石形成过程的温度。[换行]
地球化学家测量氧18（18O，一种罕见的同位素，具有8个质子和10个中子，约占地球上所有氧气的0.2%）与氧16（16O，常见的氧同位素，具有8个质子和8个中子，约占所有氧气的99.8%）的比率。 这些原子被称为稳定同位素，因为它们不会发生放射性衰变，因此不会随着时间的推移而自发变化； 然而，18O 和 16O 掺入晶体中的比例在晶体形成时会因环境温度而异。
18O/16O 比率对于地球地幔（薄薄的5至40公里厚的大陆和海洋地壳下方2800公里厚的层）来说是众所周知的。 在地幔中形成的岩浆总是具有大致相同的氧同位素比率。 为了简单起见，地球化学家相对于海水的比率校准这些比率，并以称为 delta（
）符号表示。 海洋的 18O 按定义为 0，而来自地幔的锆石的 18O 为 5.3，这意味着它比海水的 18O/16O 比率更高。
这就是为什么佩克和我期望在夏天带着王尔德的杰克山锆石（包括最古老的五个）前往苏格兰爱丁堡大学时，会发现原始地幔值约为 5.3。 在那里，约翰·克雷文和科林·格雷厄姆帮助我们使用了一种不同类型的离子探针显微镜，专门用于测量氧同位素比率。 在过去的十年中，我们多次合作完善这项技术，并且可以分析的样品尺寸是当时我在威斯康星州实验室可以分析的样品尺寸的百万分之一。 经过11天昼夜不停的分析和几乎没有睡眠（这种困难程序的典型条件）后，我们完成了测量——并发现我们的预测是错误的。 锆石的 18O 值高达 7.4。
我们震惊了。 这些高氧同位素比率可能意味着什么？ 在年轻的岩石中，答案将是显而易见的，因为此类样品很常见。 一个典型的场景是，地球表面低温下的岩石如果与雨水或海水发生化学相互作用，则可以获得较高的氧同位素比率。 这些高 18O 岩石如果被掩埋和熔化，就会形成保留高值的岩浆，然后在结晶过程中传递给锆石。 因此，地球表面需要液态水和低温才能形成具有高 18O 的锆石和岩浆； 已知没有其他过程可以做到这一点。
在杰克山锆石中发现高氧同位素比率意味着液态水一定在地球表面存在，至少比最古老的已知沉积岩（格陵兰岛伊苏阿的那些岩石）早4亿年。 如果正确，那么整个海洋可能都存在，这使得早期地球的气候更像是桑拿浴室，而不是冥古代的火球。
大陆的线索
我们真的可以根据几个微小的晶体得出关于地球历史的如此深远的结论吗？ 为了仔细检查我们的分析，我们将发表我们的发现推迟了一年多。 与此同时，其他研究小组也在杰克山进行自己的研究。 科罗拉多大学的斯蒂芬·J·莫伊兹西斯和他在加州大学洛杉矶分校的同事证实了我们的结果，我们在2001年发表了背靠背的技术文章，描述了我们的发现。
随着锆石发现的可能意义在科学界传播开来，兴奋之情显而易见。 在冥古代世界超热的暴力环境中，没有样本能够幸存下来供地质学家研究。 但这些锆石指向了一个更温和和熟悉的世界，并提供了一种解开其秘密的方法。 如果早期地球的气候足够凉爽以容纳海洋，那么锆石也许可以告诉我们，大陆和现代地球的其他特征是否也存在。 为了找出答案，我们必须更仔细地研究单个晶体的内部。[换行]
即使是最小的锆石也包含在锆石生长时包裹在其中的其他物质。 这样的锆石包裹体可以揭示关于晶体来源的大量信息，晶体的生长模式和微量元素的组成也是如此。 例如，当佩克和我研究44亿年前的锆石时，我们发现它包含其他矿物碎片，包括石英。 这令人惊讶，因为石英在原始岩石中很少见，并且可能在地球上最初的地壳中不存在。 大多数石英来自花岗岩，花岗岩在更进化的陆壳中很常见。
如果杰克山锆石来自花岗岩，那么这个证据将支持它们是世界上第一块大陆的样本的假设。 但必须谨慎。 即使母岩不是花岗岩，石英也可以在岩浆结晶的最后阶段形成，尽管这样的石英含量要少得多。 例如，在月球上发现了锆石和少量石英晶粒，月球从未发育出花岗岩、大陆型地壳。 一些科学家也想知道，地球最早的锆石是否形成于更像早期月球的环境中，或者通过其他不再常见的方式形成，可能与巨大的陨石撞击或深源火山活动有关，但没有人找到令人信服的证据。
与此同时，来自微量元素（那些在锆石中替代水平低于1%的元素）的大陆地壳的其他线索也出现了。 杰克山锆石具有较高的这些元素浓度，以及铕和铈的模式，这些模式最常见于地壳结晶过程中产生，这意味着锆石形成于靠近地球表面的地方，而不是在地幔中。 此外，用于确定大陆地壳形成事件时间的新odymium和铪放射性同位素的比率表明，早在44亿年前就形成了大量的大陆地壳。
古代锆石的分布提供了额外的证据。 在杰克山的一些样品中，年龄超过40亿年的锆石的比例超过10%。 此外，锆石表面高度磨损，最初的棱角分明的晶面变得圆润，这表明晶体被风从其源岩吹走了很远的距离。 这些锆石怎么能以风吹尘土的形式传播数百甚至数千公里，并且仍然集中在一起，除非曾经有很多锆石？ 如果没有厚厚的大陆型地壳稳定地保存它们，这些锆石又怎么能逃脱掩埋和在地幔中熔化呢？
这些发现暗示，锆石曾经很丰富，并且来自广泛的来源区域，可能是一块大陆陆地。 如果是这样，那么来自这个最早时期的岩石很可能仍然存在，这是一个令人兴奋的前景，因为可以从这个年龄的完整岩石中学到很多东西。
此外，古代锆石的年龄分布是不均匀的。 年龄聚集在某些时间段，而在其他时代没有发现锆石。 我以前的研究生亚伦·J·卡沃西，现在是波多黎各大学的助理教授，甚至在单个带状锆石中也发现了这样的证据，其中核心形成较早，例如，43亿年前，周围的包覆层形成较晚，在37亿年至33亿年前之间。 锆石从核心到边缘越来越年轻是预期的，因为锆石晶体通过向其晶界添加材料而同心生长。 但是，这些特定锆石的核心和边缘之间存在巨大的年龄差异和时间间隔，这表明发生了两个不同的事件，中间有一个主要的中断。 在更常见的、更年轻的锆石中，这种核心到边缘的年龄关系是构造过程的结果，构造过程熔化了大陆地壳并回收了其中的锆石。 许多科学家正在试图测试类似的条件是否产生了古代的杰克山锆石。[换行]
最近，伦斯勒理工学院的E·布鲁斯·沃森和澳大利亚国立大学的T·马克·哈里森报告说，这些古代锆石中的钛含量低于预期，这表明它们的母岩浆的温度一定在650至800摄氏度之间。 只有当母岩是花岗岩时，如此低的温度才是可能的； 大多数非花岗岩在更高的温度下熔化，因此它们的锆石应该含有更多的钛。
锆石永恒
自从我的同事和我于1999年分析了那五个杰克山锆石中的氧同位素比率以来，支持我们结论的数据迅速增长。 珀斯、堪培拉、北京、洛杉矶、爱丁堡、斯德哥尔摩和法国南希的研究人员现在已经将数万个杰克山锆石放入离子探针显微镜中，寻找相对较少的年龄超过40亿年的锆石，并且也应用了其他年代测定技术。
据报道，在几个地区发现了数百个新发现的锆石，年龄从44亿年到40亿年不等。 西澳大利亚地质调查局的戴维·R·纳尔逊和他的同事在杰克山以南300公里处也发现了同样古老的锆石。 地球化学家正在仔细研究地球上的其他古代地区，希望能找到澳大利亚境外第一个早于41亿年的锆石。
不断加强的搜索正在刺激技术的进步。 卡沃西已经证明了更高的分析精度，并报告了20多个杰克山锆石具有高氧同位素比率，这表明早在42亿年前就存在凉爽的地表温度和古代海洋。 我的同事和我正在继续使用最新一代离子探针显微镜的第一个模型进行搜索，该模型名为CAMECA IMS 1280，于今年三月安装在我的实验室中。
如果可以确定最初形成锆石的岩石的碎片，许多问题将得到解答。 但即使我们永远找不到那块岩石，我们仍然可以从微小的锆石时间胶囊中学到很多东西。