大約45億年前，地球在嬰兒期像一顆微弱的星星一樣發光。 在與巨大的巨石（有些像小型行星那麼大）的反覆碰撞之後，熾熱的橙黃色岩漿海洋在表面翻滾，這些巨石圍繞著新形成的太陽執行。 每次撞擊都以平均75倍音速的速度衝擊著地表——接觸時粉碎、融化甚至汽化。
早期，稠密的鐵從岩漿海洋中沉降出來，形成了金屬核，釋放出足夠的引力能來熔化整個行星。 大規模的隕石撞擊持續了數億年，其中一些撞擊形成了直徑超過1000公里的隕石坑。 與此同時，在地下深處，放射性元素的衰變產生的熱量是今天的六倍以上。
在熔岩凝固成地殼之前，在大陸形成之前，在稠密、蒸汽瀰漫的大氣凝結成液態水之前，以及在地球上最早的原始生命進化和生存之前，這些熾熱的條件必須消退。 但是，地球表面在發光誕生後冷卻的速度有多快呢？ 大多數科學家都認為，地獄般的環境持續了長達5億年，這個時代因此被命名為冥古代。 這種觀點的主要支援來自明顯缺乏任何早於40億年的完整岩石——以及來自更晚期才出現的最初化石生命跡象。
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然而，在過去的五年中，地質學家——包括我在威斯康星大學麥迪遜分校的研究小組——發現了數十個古老的鋯石晶體，它們的化學成分正在改變我們對地球起源的看法。 這些耐用礦物（每個都只有本句中句點大小）的異常特性，使晶體能夠儲存令人驚訝的關於其形成時環境的有力線索。 這些微小的時間膠囊證明，適合原始生命居住的海洋，甚至可能還有大陸，可能比普遍認為的早出現4億年。
冷卻下來
自19世紀以來，科學家們一直試圖計算地球冷卻的速度，但很少有人期望找到確鑿的證據。 雖然最初的岩漿海洋溫度超過1000攝氏度，但熱力學計算得出的一個關於早期地球更溫和的誘人暗示是，地殼可能在1000萬年內在地表凝固。 隨著行星表面硬化，不斷增厚的固結岩層將外部與內部深處的高溫隔絕。 如果在主要的隕石撞擊之間存在適當的平靜時期，如果地殼穩定，並且如果早期溫室大氣沒有捕獲過多的熱量，地表溫度可能很快降至水的沸點以下。 此外，原始太陽更暗淡，貢獻的能量也更少。
來自西澳大利亞的微小鋯石並沒有輕易地洩露它們的秘密。
不過，對於大多數地質學家來說，無可爭議的熾熱誕生和地質記錄中稀少的線索似乎反而指向長期的超高溫氣候。 已知的最古老的完整岩石是加拿大西北地區的40億年前的阿卡斯塔片麻岩。 這種岩石形成於地下深處，沒有關於地表狀況的資訊。 大多數研究人員認為，行星表面的地獄般條件一定抹去了任何更早形成的岩石。 已知起源於水下（因此在相對涼爽的環境中）的最古老岩石直到38億年前才形成。 這些沉積物暴露在格陵蘭島西南部的伊蘇阿，也包含最早的生命證據 [參見莎拉·辛普森的“質疑最古老的生命跡象”；大眾科學，2003年4月]。
從20世紀80年代開始，單晶鋯石開始為早期地球新增新資訊，當時來自西澳大利亞傑克山和納里爾山地區的少數稀有晶粒成為當時已知的最古老的陸地物質——最古老的可以追溯到近43億年前。 但這些鋯石攜帶的資訊似乎模稜兩可，部分原因是地質學家不確定它們的母巖的身份。 一旦形成，鋯石晶體非常耐用，即使它們的母巖暴露在地表並被風化和侵蝕破壞，它們也可以持續存在。 然後，風或水可以將倖存的晶粒輸送到很遠的距離，然後它們被納入沙礫沉積物中，這些沉積物可能後來凝固成沉積岩。 事實上，傑克山鋯石——可能與它們的來源地相隔數千公里——被發現在一個被稱為傑克山礫岩的化石礫石層中。[換行]
因此，儘管發現瞭如此原始的地球碎片令人興奮，但包括我在內的大多數科學家仍然接受我們年輕的行星的氣候是冥古代的觀點。 直到1999年，技術進步才使得對來自西澳大利亞的古代鋯石晶體進行進一步研究成為可能——並挑戰了關於地球最早歷史的傳統智慧。
深入挖掘
澳大利亞的鋯石並沒有輕易地洩露它們的秘密。 首先，傑克山及其周圍地區是廣闊牧羊場邊緣的塵土飛揚的荒地，被稱為貝林加拉和米勒拉，位於澳大利亞最偏遠的城市珀斯以北約800公里處。 傑克山礫岩沉積於30億年前，標誌著廣泛的岩層組合的西北邊緣，這些岩層都比26億年前更古老。 為了回收不到一小撮鋯石，我的同事和我從這些偏遠的露頭收集了數百公斤的岩石，並將它們運回實驗室進行破碎和分類，類似於在海灘上尋找一些特殊的沙粒。
一旦從它們的源巖中提取出來，就可以對單個晶體進行年代測定，因為鋯石是理想的計時器。 除了它們的壽命之外，它們還含有微量的放射性鈾，鈾以已知的速率衰變為鉛。 當鋯石從凝固的岩漿中形成時，鋯、矽和氧原子以精確的比例（ZrSiO4）結合，形成鋯石特有的晶體結構； 鈾偶爾會作為微量雜質替代。 另一方面，鉛原子太大，無法舒適地取代晶格中的任何元素，因此鋯石最初幾乎不含鉛。 鈾鉛時鐘在鋯石結晶後立即開始滴答作響。 因此，鉛與鈾的比率隨著晶體的年齡而增加。 科學家可以可靠地確定未損壞鋯石的年齡，精度在1%以內，對於早期地球而言，約為正負4000萬年。
在20世紀80年代初期，威廉·康普斯頓和他在堪培拉澳大利亞國立大學的同事發明了一種特殊的離子探針顯微鏡，這使得對單個晶體的特定部分進行年代測定成為可能，這是一種非常大的儀器，他們戲稱其為SHRIMP，是Sensitive High-Resolution Ion Micro Probe（靈敏高解析度離子探針顯微鏡）的縮寫。 儘管大多數鋯石几乎肉眼不可見，但離子探針顯微鏡發射的離子束非常聚焦，以至於它可以從鋯石表面任何目標部分剝離少量原子。 然後，質譜儀透過比較這些原子的質量來測量它們的成分。 正是康普斯頓的研究小組——與當時也在澳大利亞科廷科技大學的羅伯特·T·皮金、西蒙·A·王爾德和約翰·巴克斯特合作——於1986年首次對傑克山鋯石進行了年代測定。
傑克山鋯石可能是世界上第一塊大陸的樣本。
瞭解了這段歷史後，我找到了王爾德。 他同意重新調查傑克山鋯石的鈾鉛年代，作為我的學生威廉·H·佩克的博士論文的一部分，佩克現在是科爾蓋特大學的助理教授。 1999年5月，王爾德使用科廷大學改進的SHRIMP分析了56個未註明日期的晶體，發現了5個超過40億年的晶體。 令我們非常驚訝的是，最古老的可以追溯到44億年前。 月球和火星的一些樣本具有相似的年齡，隕石通常更古老，但沒有在我們的星球上發現（或預期）如此古老的東西。 幾乎所有人都認為，如果曾經存在如此古老的鋯石，那麼動態的冥古代條件會摧毀它們。 我們萬萬沒想到，最激動人心的發現還在後頭。
古代海洋的證據
佩克和我之所以尋找來自西澳大利亞的王爾德鋯石，是因為我們正在尋找地球上最古老的儲存完好的氧氣樣本。 我們知道，鋯石不僅可以保留其主巖形成時間的證據，還可以保留其形成方式的證據。 特別是，我們正在使用不同氧同位素的比率來估計導致岩漿和岩石形成過程的溫度。[換行]
地球化學家測量氧18（18O，一種罕見的同位素，具有8個質子和10箇中子，約佔地球上所有氧氣的0.2%）與氧16（16O，常見的氧同位素，具有8個質子和8箇中子，約佔所有氧氣的99.8%）的比率。 這些原子被稱為穩定同位素，因為它們不會發生放射性衰變，因此不會隨著時間的推移而自發變化； 然而，18O 和 16O 摻入晶體中的比例在晶體形成時會因環境溫度而異。
18O/16O 比率對於地球地幔（薄薄的5至40公里厚的大陸和海洋地殼下方2800公里厚的層）來說是眾所周知的。 在地幔中形成的岩漿總是具有大致相同的氧同位素比率。 為了簡單起見，地球化學家相對於海水的比率校準這些比率，並以稱為 delta（
）符號表示。 海洋的 18O 按定義為 0，而來自地幔的鋯石的 18O 為 5.3，這意味著它比海水的 18O/16O 比率更高。
這就是為什麼佩克和我期望在夏天帶著王爾德的傑克山鋯石（包括最古老的五個）前往蘇格蘭愛丁堡大學時，會發現原始地幔值約為 5.3。 在那裡，約翰·克雷文和科林·格雷厄姆幫助我們使用了一種不同型別的離子探針顯微鏡，專門用於測量氧同位素比率。 在過去的十年中，我們多次合作完善這項技術，並且可以分析的樣品尺寸是當時我在威斯康星州實驗室可以分析的樣品尺寸的百萬分之一。 經過11天晝夜不停的分析和幾乎沒有睡眠（這種困難程式的典型條件）後，我們完成了測量——並發現我們的預測是錯誤的。 鋯石的 18O 值高達 7.4。
我們震驚了。 這些高氧同位素比率可能意味著什麼？ 在年輕的岩石中，答案將是顯而易見的，因為此類樣品很常見。 一個典型的場景是，地球表面低溫下的岩石如果與雨水或海水發生化學相互作用，則可以獲得較高的氧同位素比率。 這些高 18O 岩石如果被掩埋和熔化，就會形成保留高值的岩漿，然後在結晶過程中傳遞給鋯石。 因此，地球表面需要液態水和低溫才能形成具有高 18O 的鋯石和岩漿； 已知沒有其他過程可以做到這一點。
在傑克山鋯石中發現高氧同位素比率意味著液態水一定在地球表面存在，至少比最古老的已知沉積岩（格陵蘭島伊蘇阿的那些岩石）早4億年。 如果正確，那麼整個海洋可能都存在，這使得早期地球的氣候更像是桑拿浴室，而不是冥古代的火球。
大陸的線索
我們真的可以根據幾個微小的晶體得出關於地球歷史的如此深遠的結論嗎？ 為了仔細檢查我們的分析，我們將發表我們的發現推遲了一年多。 與此同時，其他研究小組也在傑克山進行自己的研究。 科羅拉多大學的斯蒂芬·J·莫伊茲西斯和他在加州大學洛杉磯分校的同事證實了我們的結果，我們在2001年發表了背靠背的技術文章，描述了我們的發現。
隨著鋯石發現的可能意義在科學界傳播開來，興奮之情顯而易見。 在冥古代世界超熱的暴力環境中，沒有樣本能夠倖存下來供地質學家研究。 但這些鋯石指向了一個更溫和和熟悉的世界，並提供了一種解開其秘密的方法。 如果早期地球的氣候足夠涼爽以容納海洋，那麼鋯石也許可以告訴我們，大陸和現代地球的其他特徵是否也存在。 為了找出答案，我們必須更仔細地研究單個晶體的內部。[換行]
即使是最小的鋯石也包含在鋯石生長時包裹在其中的其他物質。 這樣的鋯石包裹體可以揭示關於晶體來源的大量資訊，晶體的生長模式和微量元素的組成也是如此。 例如，當佩克和我研究44億年前的鋯石時，我們發現它包含其他礦物碎片，包括石英。 這令人驚訝，因為石英在原始岩石中很少見，並且可能在地球上最初的地殼中不存在。 大多數石英來自花崗岩，花崗岩在更進化的陸殼中很常見。
如果傑克山鋯石來自花崗岩，那麼這個證據將支援它們是世界上第一塊大陸的樣本的假設。 但必須謹慎。 即使母巖不是花崗岩，石英也可以在岩漿結晶的最後階段形成，儘管這樣的石英含量要少得多。 例如，在月球上發現了鋯石和少量石英晶粒，月球從未發育出花崗岩、大陸型地殼。 一些科學家也想知道，地球最早的鋯石是否形成於更像早期月球的環境中，或者透過其他不再常見的方式形成，可能與巨大的隕石撞擊或深源火山活動有關，但沒有人找到令人信服的證據。
與此同時，來自微量元素（那些在鋯石中替代水平低於1%的元素）的大陸地殼的其他線索也出現了。 傑克山鋯石具有較高的這些元素濃度，以及銪和鈰的模式，這些模式最常見於地殼結晶過程中產生，這意味著鋯石形成於靠近地球表面的地方，而不是在地幔中。 此外，用於確定大陸地殼形成事件時間的新odymium和鉿放射性同位素的比率表明，早在44億年前就形成了大量的大陸地殼。
古代鋯石的分佈提供了額外的證據。 在傑克山的一些樣品中，年齡超過40億年的鋯石的比例超過10%。 此外，鋯石表面高度磨損，最初的稜角分明的晶面變得圓潤，這表明晶體被風從其源巖吹走了很遠的距離。 這些鋯石怎麼能以風吹塵土的形式傳播數百甚至數千公里，並且仍然集中在一起，除非曾經有很多鋯石？ 如果沒有厚厚的大陸型地殼穩定地儲存它們，這些鋯石又怎麼能逃脫掩埋和在地幔中熔化呢？
這些發現暗示，鋯石曾經很豐富，並且來自廣泛的來源區域，可能是一塊大陸陸地。 如果是這樣，那麼來自這個最早時期的岩石很可能仍然存在，這是一個令人興奮的前景，因為可以從這個年齡的完整岩石中學到很多東西。
此外，古代鋯石的年齡分佈是不均勻的。 年齡聚集在某些時間段，而在其他時代沒有發現鋯石。 我以前的研究生亞倫·J·卡沃西，現在是波多黎各大學的助理教授，甚至在單個帶狀鋯石中也發現了這樣的證據，其中核心形成較早，例如，43億年前，周圍的包覆層形成較晚，在37億年至33億年前之間。 鋯石從核心到邊緣越來越年輕是預期的，因為鋯石晶體透過向其晶界新增材料而同心生長。 但是，這些特定鋯石的核心和邊緣之間存在巨大的年齡差異和時間間隔，這表明發生了兩個不同的事件，中間有一個主要的中斷。 在更常見的、更年輕的鋯石中，這種核心到邊緣的年齡關係是構造過程的結果，構造過程熔化了大陸地殼並回收了其中的鋯石。 許多科學家正在試圖測試類似的條件是否產生了古代的傑克山鋯石。[換行]
最近，倫斯勒理工學院的E·布魯斯·沃森和澳大利亞國立大學的T·馬克·哈里森報告說，這些古代鋯石中的鈦含量低於預期，這表明它們的母岩漿的溫度一定在650至800攝氏度之間。 只有當母巖是花崗岩時，如此低的溫度才是可能的； 大多數非花崗岩在更高的溫度下熔化，因此它們的鋯石應該含有更多的鈦。
鋯石永恆
自從我的同事和我於1999年分析了那五個傑克山鋯石中的氧同位素比率以來，支援我們結論的資料迅速增長。 珀斯、堪培拉、北京、洛杉磯、愛丁堡、斯德哥爾摩和法國南希的研究人員現在已經將數萬個傑克山鋯石放入離子探針顯微鏡中，尋找相對較少的年齡超過40億年的鋯石，並且也應用了其他年代測定技術。
據報道，在幾個地區發現了數百個新發現的鋯石，年齡從44億年到40億年不等。 西澳大利亞地質調查局的戴維·R·納爾遜和他的同事在傑克山以南300公里處也發現了同樣古老的鋯石。 地球化學家正在仔細研究地球上的其他古代地區，希望能找到澳大利亞境外第一個早於41億年的鋯石。
不斷加強的搜尋正在刺激技術的進步。 卡沃西已經證明了更高的分析精度，並報告了20多個傑克山鋯石具有高氧同位素比率，這表明早在42億年前就存在涼爽的地表溫度和古代海洋。 我的同事和我正在繼續使用最新一代離子探針顯微鏡的第一個模型進行搜尋，該模型名為CAMECA IMS 1280，於今年三月安裝在我的實驗室中。
如果可以確定最初形成鋯石的岩石的碎片，許多問題將得到解答。 但即使我們永遠找不到那塊岩石，我們仍然可以從微小的鋯石時間膠囊中學到很多東西。