冥古宙Hadean是地球地質年代最初期的一階段,原被認為該時期有如地獄般惡劣環境。最早由美籍地質學家Preston Cloud於1972年所提出,泛指已知最早岩石之前的地質年代。目前地球最古老岩石為加拿大西北部Acasta地區的片麻岩(40億年前),所以傳統地質學者將其年代訂為46-40億年前,但另有一群前寒武紀研究學者認為:冥古宙的最後一個時期對應為月球地質年代中的雨海代,以月球的東海撞擊事件為結束時間(約為38億年前),這也是內太陽系後期重轟擊事件的結束標誌,故認為冥古宙應為46-38億年前。

01

太陽系與地球的形成

根據星雲學說,在46億年前太陽系還只是一團充滿氣體和塵埃的星雲,因鄰近有超新星爆炸射出原子序26(鐵原子)以上的”重物質”,闖進太陽系星雲中,擾動造成局部密度不均,於是太陽星雲便以這些重物質為中心而開始收縮、旋轉,盤狀中心因收縮力強、密度加大形成太陽,同時在盤狀周圍形成一個以太陽為中心旋轉的星雲環,環中物質如固體微粒、氣體和塵埃等物質因萬有引力作用、在吸積過程中持續不斷碰撞,形成大小不同的行星。地球因距太陽較近、溫度較高,碰撞聚積固態的物質顆粒成為微小行星,再聚集微小行星形成類地行星。

A.宇宙中星際星雲聚集
B.聚集的星雲因緩慢旋轉而開始橢圓收縮。
C.聚集的星雲因快速旋轉而開始扁平化。
D.聚集的星雲中心形成 元恆星(Protostar),成圓盤狀旋轉,外圍為氣體與星塵。
E.因重力吸引,星塵凝聚成直徑數十公里的微行星Planetesimal,再因凝聚迅速增長為數千公里大小的類行星胚胎Planetary embryos。
F.後因隕石撞擊等積聚作用Accretion,太陽系較內部形成類地行星(Terrestrial planets),外部形成類木行星(Jovian planets)。

02

地球的年齡

地球自誕生以來,「最古老的岩石」被不停歇的地質循環抹滅殆盡,地球本身無法告訴我們地球的年齡。地球的年齡得由隕石來告訴我們!
隕石是早期太陽系物質的見證,也是微行星的組成材料,微行星因重力吸積作用逐漸壯大成行星,我們的地球就是在這樣的過程中誕生的,而未能構成天體的隕石則成為殘餘物質漂盪在太空中。美國地球化學家帕特森(Patterson)假設這些太陽系物質皆同時形成、演化自具有相同的初始鉛同位素組成的封閉系統,只要測量隕石的年齡,那麼它們的年齡就約為地球的年齡,他前後收集了3個石質隕石:包含2個普通球粒隕石(ordinary chondrites)、1個玄武岩質非球粒隕石(basaltic achondrite )與2個鐵質隕石樣本(其中之一是來自美國亞利桑那州迪亞布洛峽谷(Canyon Diablo)的鐵質隕石),針對隕石樣本中封存了鈾-鉛同位素的鋯石晶體進行質譜分析,在他1956年《隕石與地球的年齡》一文中利用 207Pb- 206Pb等時線斜率公布了地球的年齡有45.5±0.7億年之久。之後科學家由隕石測定出最古老的年齡也都是45點多億年,與帕特森當年的測定結果相近,所以現在公認地球年齡為約46億年。

03

地球內部構造與地核的形成

現今地球內部構造
地球地球半徑約6400公里,從地球中心往外可分為地核、地函、地殼等三層構造。地殼是最外面的薄層,可分為大陸地殼及海洋地殼兩類:大陸地殼(矽鋁質)較厚,平均約35公里;海洋地殼(矽鎂質)較薄,平均約6公里。地函是介於地殼和地核之間的中間層。因為地震波中P波和S波都可以通過地函,所以推測地函主要由固體所組成。地函可分為上部地函與下部地函。地核可分為外地核和內地核,主要成分是鐵和少量鎳的合金。外地核的物質像液體,而內地核則像固體。

地核的形成
地球的地核是鐵、鎳等重元素集聚於地心形成的。在地球形成之初與多個小行星互相碰撞,釋放的能量使地球變熱。溫度升高後,鐵、鎳等重元素沉降到地心,沉降作用所釋放出來的重力能轉成熱能,又進一步使地球變暖。據推測,原始地核全部是熔化的鐵、鎳等重元素形成的液體,外核液體的流動致使地球磁場的形成。但因地核越往中心壓力越高,最後在中心部位析出固態鐵,形成內核。因重元素沉降形成地核時,會大幅影響地球岩石組成元素組成,藉由量測隕石和古老岩石放射性同位素的子元素豐度,科學家推測地球形成一億年之內地核形成,所以地核大約形成於45.3億年前。

月球的形成
目前大多數學者支持的月球成因假說為“大碰撞說”(Giant impact hypothesis)。有研究認為地球在積聚形成之初(約45.3億年前),受到一個火星大小的行星-忒伊亞(Theia)斜向撞擊,分裂出去的撞擊碎片後來(約45.1億年前)在軌道中形成月球。這個假說合理解釋月岩與地球岩石揮發性元素的差異及同位素的相似;月球擁有較小的鐵核且其密度比地球低;地球、月球自轉速度的差異及月球每年四公分遠離地球等現象。台北南港中央研究院地科所李德春副研究員利用21件月岩標本定出月岩形成於45.2-45億年前,此研究成果刊登於國際知名Science期刊。

04

最古老的礦物與岩石

最古老的礦物
目前地球最古老的礦物,是位於澳大利亞西部捷克山地區,藏在30.6億年前沉積礫岩中的碎屑鋯石,此鋯石經SHRIMP(Sensitive High Resolution Ion MicroProbe) 高解析度二次離子探針質譜儀分析得:鋯石 207Pb/206 Pb 年齡為4404 百萬年,同時也具有高氧同位素比值(δ18O=7.4)及石英包裹物,顯示鋯石結晶自分異過的岩漿,也證明此時地球已有大陸地殼花崗岩的形成及海洋的出現。

最古老的岩石
目前地球上最古老的岩石是加拿大西北部Acasta地區的片麻岩,經由SHRIMP U-Pb定年分析為40億年前形成(Bowring and Williams, 1999, Contrib Mineral Petrol)。

國立自然科學博物館

展出時間:107.11.28 - 108.05.26

展出地點:第二特展室

定時導覽時間:10:00、13:00  /  第二特展室  

主辦單位:國立自然科學博物館
協辦單位:北京離子探針中心

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