顯微鏡下的鋯石晶體。圖片來源：Hugo Olierook/Curtin University
撰文 | 王昱
審校 | 二七
梅雨來了，開啟天氣預報，南方的降雨似乎沒有要停下的意思，從某種意義上來說，這就是淡水的生產過程。這些雨水來自海洋，吹向陸地的水汽在鋒面上轉為雨水，滋養世間萬物。
我一直認為，“淡水”的英文fresh water比中文更有意思一些。如果說中文“淡水”描述了淡水沒有鹽分（或含量較少）的特性，那麼英文fresh water則更貼近淡水產生的過程——新鮮的、新產生的水。海水蒸發、降水落入溪流、河流最終匯入大海……這些過程，讓地球上的水不停地在陸地、海洋和大氣之間移動，這被稱為水迴圈，淡水則更像是水迴圈的中間態。只有最新鮮的水才是淡水，如果沒有水迴圈，淡水在足夠漫長的時間裡終將會溶解各種礦物質，變成鹽水。
如果說水是生命之源，那麼淡水就是其中最精華的部分。在地球歷史的早期，淡水的存在以及水迴圈的開始可能促進了早期生命出現所需環境的形成。不過，水迴圈開始和淡水出現的時間一直難以確定。
在時間中磨滅的線索
大約46億年前，地球誕生了。在被稱為冥古宙的地球初期，星球形成時吸積的熱量尚未散去，不穩定的放射性元素衰變放熱，還有頻繁的天體撞擊，讓地球宛如煉獄。根據目前的最流行的猜想，隨著地表的溫度降低到了200℃左右，從地底噴發的水蒸氣慢慢凝結成水——因為那時地球的氣壓高達今天的27倍。大量凝結的水幾乎覆蓋整顆星球，形成了一片超級海洋，其中的鐵元素和礦物質讓整個星球表面佈滿棕色，抬頭看向天空，由二氧化碳和氮氣構成的大氣是深橙色的。這裡是生命的禁區。或許這能算得上地球上的第一場雨，但沒有陸地，雨水直接落入海洋，就沒有產生成片的淡水。
為了尋找陸地上的第一場雨，我們還需要深度研究早期的地球。但我們對地球早期的瞭解仍不算多，主要是因為很少有什麼東西能跨越這麼長的時間，從冥古宙一直存續到今天。好在澳大利亞西部的傑克山（Jack Hills）便是這樣一片地方，這是地球上最古老的一片陸地，它大約在44億年前就形成了，幾乎與地球同時誕生。其中的鋯石樣本，是我們研究地球誕生初期的關鍵線索。
鋯石是一種相對常見的礦物，在河流的沙礫中也能發現寶石級的鋯石，寶石級的鋯石切割後很像鑽石。鋯石比較便宜，經常被用來假冒鑽石。不過鋯石相比鑽石，更配得上“鋯石恆久遠，一顆永流傳”的宣傳。在數十億年的時間跨度上，大多數礦物都會失去自己原本的同位素訊號，無法為我們提供地球早期的線索。但鋯石不一樣，它的性質非常穩定，耐候性和耐腐蝕性也都很強。傑克山上就曾發現過44億年前形成的鋯石，作為對比，地球和太陽都大約是46億年前誕生的，就連整個宇宙，也不過是137億年前誕生的。
寶石級鋯石。圖片來源：wikipedia
40億年前的氧同位素
來自澳大利亞科廷大學和中科院地質與地球物理研究所的物理學家分析了來自傑克山的鋯石樣本，嘗試尋找地球上第一批淡水出現的痕跡，這或許是地球陸地上的第一場雨。在他們的鋯石樣本中，大約有10%都超過了40億歲。為了探究這些鋯石是否含有淡水的記錄，研究人員檢測了鋯石樣品上氧同位素氧-18和氧-16的比例。
對於海水來說，這個比例幾乎是恆定的，1966年，總部位於奧地利維也納的國際原子能機構測定了太平洋蒸餾水的氧-18和氧-16比例，並將它稱為維也納標準平均海水（VSMOW）。一般研究中，會使用δ¹⁸O這一引數，它表示樣品中氧-18的比例和標準的氧-18比例的區別，標準氧-18比例一般以VSMOW為準。淡水中δ¹⁸O會低一些，因為淡水都是由降雨帶來的，水在蒸發時，帶有氧-18的水分子蒸發的會更慢一些。凝結降雨時，帶有氧-18也會更早降下來，所以內陸地區降水中，δ¹⁸O會更低。例如，沿海的廣州降雨δ¹⁸O為-5.83‰，表示廣州降水的氧-18比例比VSMOW低了5.83‰；但對於內陸地區的拉薩，降水δ¹⁸O則低至-17.38‰。（資料來自參考資料[6]）
對傑克山鋯石樣品的分析結果顯示，部分鋯石樣品樣品的δ¹⁸O比例明顯低於地幔平均值。地幔的δ¹⁸O為 5.3‰，但是這些鋯石樣本的δ¹⁸O則在-0.1‰到2.0‰之間。這些鋯石樣品中的δ¹⁸O比地幔中的岩漿還低，海水的δ¹⁸O為0，是岩漿的δ¹⁸O被海水拉低了？還是岩漿的δ¹⁸O被氧-18含量更低的淡水拉低了？研究人員決定用計算機模擬方法重現這些鋯石誕生的過程。
研究人員通過蒙特卡洛方法模擬了這些鋯石形成的過程。他們發現，僅靠海水和地幔岩漿作用，這樣產生的鋯石δ¹⁸O不可能低於3‰，只有當陸地降水帶來的淡水參與到鋯石的形成過程中，才能產生他們採集到的鋯石樣本。並且，這片陸地必須足夠大，才能彙集足夠的淡水。最後，他們將研究成果發表在了《自然·地球科學》（Nature Geoscience）上。
這些鋯石樣品已經40億歲了，也就是說，至少在40億年前，地球上就出現了第一塊陸地，並且，這些陸地上也存在水迴圈帶來的淡水。同時，我們關於地球早期的認識還充滿了猜測，或許，地球表面在一開始並沒有被無邊際的海洋覆蓋，或許陸地在40億年前就出現了。
這對地球生命起源也很重要。因為地球上最早的生命證據之一——一塊距今34.8億年的微生物化石，就被認為是在一個溫泉環境中，伴隨著降雨形成的。
參考資料：
[6]楊俊華, 秦翔, 吳錦奎, 段克勤, 杜文濤, 劉煥才. 修正BW方法在中國大氣降水δ~（18）O空間分佈研究中的應用. 冰川凍土[J]. 2014, 36(6): 1430-1439, http://ir.casnw.net/handle/362004/24224.
關鍵詞
億年前
40億
過程
40億年前
這些鋯石