第三章 黑地球 最早的玄武岩地壳 地球年龄：5 000万年到1亿年
地球在其漫长的历史中经历了许多次变革性事件。大撞击无疑是最具破坏性的，随后形成的月球产生了可能最为深远的影响。但是，巨大的月球独自绕着一颗充满挥发物的行星运行，绝不是化学和物理定律的必然结果。
哪怕地球和忒伊亚之间古老的相互作用中出现一丁点微小的变化，月球形成的故事可能就会变得非常不同。如果撞击得更正，直击中心，更大一部分忒伊亚的质量将变成地球的一部分。那样的话，我们很可能就不会拥有卫星，因为忒伊亚和地球会合并成一个更大的没有卫星的行星。又或者，如果忒伊亚与地球擦身而过，它的轨道可能会大大改变。它可能会被朝内抛向金星，或者朝外扔向火星，永远离开地球这个邻居。如果撞击得更偏一些，散布的碎片可能会产生数颗卫星来装点地球的夜空，尽管这些卫星会小得多。
偶然性在我们不断变化的宇宙环境中扮演着重要角色。我们太阳系的历史是由一连串撞击和差点形成撞击的事件组成的。灭绝恐龙的小行星也有可能偏离目标，拯救霸王龙和它们的后代，让恐龙再进化数千万年。也许，聪明的鸟会变成有智慧的飞行工具制造者。也许，漫长的中生代里矮小的哺乳动物永远不会有多大的成就。只要在这里或那里稍加改动，地球就会走上一条截然不同的道路。
但是，宇宙的某些方面又是必然的、确定的。从大爆炸那一刻起，大量的质子和电子，以及相应产生的氢和氦，就被植入我们的宇宙中。恒星的形成是大量氢和氦产生的不可避免的结果。通过核聚变反应和超新星爆发合成的其他所有元素，同样是富氢恒星形成的注定结果。还有各种引人瞩目的行星的吸积，比如类地行星、类火星行星、类木星行星，以及至今才发现的围绕遥远的恒星运行的几十种行星，它们是所有这些化学元素合成之后的必然结果。
冥古宙时期的地球景象。冥古宙是地球的“炼狱”时期，巨大的火山喷发，熔岩流动，流星和彗星撞击还未硬化的地表，整个星球像是被火笼罩。但就在这地狱一般的地方，高温使地球产生了水并渐渐出现了海洋的雏形、有机分子，将地球推进到下一个阶段
因此，后忒伊亚时代的地球进入了一个冷却和自我组织的动荡时期。那个新生的世界是什么样的？地质学家将地球历史的最初5亿年称为冥古宙，因为他们知道，那时的地球环境一定如地狱般恶劣。一些有根据的推测描绘出了地球冥古宙的壮观景象：含硫的火山喷发、炽热的熔岩河，还有小行星和彗星的持续轰炸，不断地搅乱地球表面。然而，如果想知道地球最初数亿年的任何细节，我们还面临着严峻的挑战，因为我们完全缺乏实物证据。
关于地球的起源，我们有来自太阳系的丰富记录，这些记录是太阳和无数被引力束缚在其周围的物体提供的。数以万计的陨石让我们对星子时代有了最详细、深入的一瞥。每一块月岩和每一粒月球土壤中都能找到月球起源的细节。但没有任何东西能从地球最早的时代幸存下来，至少我们找不到有关地球自身的任何东西。没有一块岩石碎片，也没有任何矿物颗粒。
但值得注意的是，这些证据仍有可能以陨石的形式存在。这些陨石在数十亿年前的巨大撞击中从最早的地球表面喷出，随后又落回地球，或者落在附近的月球上。类似的样本一定存在，也许还有很多，有些样本一直以来几乎完全没有改变。事实上，寻找地球上最早的遗迹被认为是重返月球的许多科学层面的理由之一。对月球表面进行严格的地质调查，也许我们能幸运地找到一些不寻常的冥古宙时期的石头，从而揭示地球遥远过去的真相。
若能找到一块最早的地表硬化样本当然很好，但我们现在也并非完全没有头绪。因为虽然地球不断地变化，但化学和物理定律从未改变。45亿年前，同样的化学和物理定律主宰着地球，直到今天依然如此，地球再未经历过任何真正的巨大撞击，也未出现其他影响整个行星的复杂问题。
基本必然性
地球的早期演化是两种相互交织的化学现实形成的结果，分别是宇宙化学（制造元素）和岩石化学（制造岩石）。首先是宇宙化学，以及行星产生的所有较重的元素，也就是元素周期表中除了氢和氦（第一行的一号和二号元素）之外的所有元素。在我们的宇宙中，一些化学元素注定要占主导地位：氧、硅、铝、镁、钙和铁，它们的含量远远超过了其他所有重元素，特别是在岩质类地行星中更是如此。这6种元素占了地球质量的98%，它们在月球、水星、金星和火星所占的质量比例同样是这么高。
地壳的元素含量占比。地壳中含量排名前十位的元素是：氧(O)、硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)、钙(Ca)、钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、氢(H)、钛(Ti)
六大元素中的每一种，都有自己独特的化学故事。每种元素都以自己的方式，帮助地球在大撞击后不可避免地变成现在的样子。关键之处在于化学键合。回想一下，当模糊的电子云相互作用，重新形成更稳定的排列时，原子就会聚集在一起，特别是具有2个、10个或18个电子这样神奇数字的原子。为了使这种交换可行，有些原子必须交出电子，而另一些则必须接受电子。
氧是地球的主要电子受体。每个氧原子的原子核中都有8个带正电的质子，以及8个带负电的电子来维持电平衡。但是氧总是在寻找两个额外的电子，凑成10个电子这个神奇数字。这种不断获取的欲望使氧气成为自然界中最具反应性和腐蚀性的气体之一。这真是太讨厌了。
大多数人想到氧气，会最先想到它是大气的重要组成部分（占大气的21%左右，来维持我们的生命）。但这种宜人的大气发展是地球历史上相对较近的变化。至少在地球最初的20亿年里，大气中完全没有氧气。即使在今天，地球上几乎所有的氧气，或说99.9999%的氧气，都被封在岩石和矿物中。当你爬上一座雄伟蜿蜒的山，或者走在一片被狂风吹拂的裸露岩层上，你脚下的大部分原子都是氧。当你躺在沙滩上，支撑你几近三分之二重量的原子是氧。
要使氧作为电子受体发挥这种关键的化学作用，还必须有大量原子能够释放或共享它们的电子。最多产的电子给体是硅，硅大约占地壳和地幔中四分之一的原子成分。硅的原子核中有14个带正电的质子，并由14个带负电的电子平衡。硅通常会放弃4个电子，从而达到10个电子的神奇数字，变成带正电荷的硅离子。在地球岩质的地壳和地幔中，这4个被放弃的电子几乎总是被两个氧原子吞噬，氧原子就会变成带负电荷的离子。因此，几乎在每一种岩石中都发现了强劲的硅氧键，尤其是在石英或二氧化硅中，后者是一个硅原子和两个氧原子组成的。坚硬的半透明的石英颗粒可以保存很长时间，数不清的颗粒堆积在海岸线上，是迄今为止最常见的海滩沙矿物。你或许还会看到新世纪商店里出售的“能量水晶”，它们是精心切割的、美丽的透明石英晶体样本。当你拿着这样一个珍品时，你手中握着的三分之二是氧。
具有硅氧键的晶体统称为硅酸盐，是地球上最常见的矿物，目前已知有1 300多种类型（几乎每个月都有更多的类型被发现）。由于硅氧连接的多功能性，这些硅酸盐的原子结构和性质差异很大，石英和长石具有顽强的耐候结构，宝石绿橄榄石和红石榴石（分别是8月和1月的半宝石诞生石）具有簇状布局，石棉则带有针式链状硅酸盐的某些显著特性，云母之类的矿物薄片曾被用作廉价的窗玻璃替代品。
尽管钙、镁和铝元素的含量低于硅，但它们都在地壳和地幔中最常见的硅酸盐岩石的结构中起着关键作用。作为正离子，就像更丰富的硅那样，它们偶尔会与氧单独结合，形成氧化钙（就是我们用在草坪上的化学石灰），或者生成稀有的氧化镁化合物，以及珍贵的红宝石或蓝宝石（当微量的稀有元素铬或钛与氧化铝结合）。
铁是六大元素中的第六个，是迄今为止功能最多的元素。其他五种元素（氧、硅、铝、镁和钙）都具有一种显著的化学特性。氧几乎总是两个电子的受体，硅几乎总是四个电子的给体，铝则是三个电子的给体，镁和钙则是两个电子的给体。但26号元素铁，则扮演着三个截然不同的化学角色。
铁的多功能性能够从地球的层状结构中体现出来。在以氧为主的地壳和地幔中，大约十分之一的原子是铁，而地球的金属地核则有超过90%是铁。这种强烈的反差源于这样一个事实，这个元素的26个电子远远超过了最接近魔法数字的数量，也就是18个电子，使得铁成了一个出色的电子给体。铁不可能给出8个电子（没有一个原子能接受这么多电子），所以它必须与任何恰好出现的电子受体产生关联。
有时，铁的作用就像镁一样，它释放出两个电子成为+2离子。在这种二价状态下，铁会使许多矿物和其他化学物质呈现出独特的绿色或蓝色。贵橄榄石（含铁的橄榄石）这种宝石具有一种独特的绿色，静脉中缺氧的血液也会呈现蓝绿色，它们都是二价铁透露的信号。在这种色泽下，铁以1∶1的比例与氧结合。由于镁原子和铁原子的大小相似，在地壳和地幔的常见矿物中，这些元素常常自由地相互替代。地球上一些最丰富的矿物，包括橄榄石、石榴石、辉石和云母，都有各种不同的镁铁比，从含有100%镁的无色矿物，到含有100%二价铁的深色矿物都存在。
然而，铁并不限于+2态。在有许多电子受体存在的情况下，铁原子很容易放弃第三个电子，变成一个+3离子。这种三价铁的形式呈现为一种独特的砖红色。红锈斑、红土、红砖和富氧的红色血液，这些鲜艳的色彩都归功于三价铁。和+3价态的铝一样，三价铁以2∶3的比例与氧气结合，形成Fe2O3，这是一种常见的矿物，由于它血一样的颜色而被称为赤铁矿。正如镁通常会取代铁的二价态一样，铝通常能取代铁的三价变体。石榴石、闪石和云母等矿物展示了所有可能的铝铁比，这种情况下，富含铁的品种呈现出红色，而不是绿色。
因此，通过在+2态和+3态之间来回切换的有用戏法（我们将在讲述几十亿年后的情况时，也就是当生命第一次出现时，再次讲到这种非凡的能力），二价和三价形式的铁就像六大元素中的其他元素一样扮演着重要角色。但是，铁在地球上还有一个更重要的作用，就是它很容易形成金属。
优质的橄榄石会呈现出一种独特的绿色，与静脉中缺氧血液呈现的颜色很相似，这是二价铁透露的信号
迄今为止，我们介绍的大多数化学键都涉及电子交换，从而产生离子。铝、镁、钙和铁给出电子，氧接受电子。因此，这些键被称为离子键。但金属采用了一种截然不同的键合策略。在金属中，每个原子释放一个或多个电子，从而带上正电。但是那些被流放的电子在金属中以一种黏性的“负电之海”形式存在，它们把所有带正电的原子聚集在一起，就像糖浆中一列列整齐排列的小滚珠一样。铁金属是一个巨大的铁原子集合，这些原子共同享有这样的非定域电子。
这种集体行为带来了极大的影响。首先，所有这些共享的电子都可以自由移动，因此金属可以成为出色的电导体（电只不过是电子受控的流动）。相比之下，在由氧加上镁或铝形成的离子键合材料中，每个电子都被紧紧地锁在一起，以至于电流不可能流动。金属键合的另一个结果是，这种材料倾向于弯曲，而不是断裂。原子周围的电子海可以折叠扭曲，而不失去其总体强度，这与大多数脆性岩石和矿物的性能完全不同。
有洞察力的读者可能会注意到，铁并不是唯一一种拥有金属成形技巧的元素。铝罐、铝箔和铝制家用电线随处可见，镁合金是高科技赛车和其他玩具的重要部件，半金属硅是每一个电子产品的核心部件（所以才有“硅谷”一说）。但是金属铝、镁和硅是化学工业的现代奇迹，将这些顽固的元素与氧分离，需要巨大的能量，它们的金属态在自然界几乎从未形成。
铁对氧的依附性较低，而在化学键合伙伴中则更为多变。与硅、铝、镁或钙不同，铁非常乐意与其他电子受体结合，特别是硫，它们形成的硫铁化合物就是闪亮的黄铁矿，也被称为“愚人金”。与其他元素不同的是，铁很容易形成一种致密金属，从而沉入行星中心，形成其巨大的核。
熔融的地球
六大元素中的每一种元素都是恒星爆炸和类地行星演化的必然结果，它们也是地球上富含岩石的成因。它们独特的化学行为使我们的星球进入一个不可逆的转变过程，从而形成我们今天栖居的世界。但在岩石形成之前，地球必须冷却下来。
再次想象一下形成月球的撞击所带来的狂暴岁月。在几天或几周内，地月系统仍然在“解决”什么将成为地球，什么将成为月球的问题。在后忒伊亚时代的早期，地球和月球都没有固体表面。合并形成的两颗星球都被环绕的岩浆海洋所包围，岩浆翻滚着，发出炽热的红光，在数千度的温度下，炽热的熔融硅酸盐大雨倾盆落下。
随着空气从忒伊亚的残骸中排出，高炉一样的热量从地球辐射到冰冷的太空真空中，无情地冷却了地球的外壳。即便如此，宇宙事件还是协力让地球表面保持熔融状态很长一段时间。首先，体积大的小行星不断地撞击地球。每次碰撞都会增加更多热能，使撞击区域过热，阻止了形成稳定地壳的任何尝试。来自附近月球的强烈引力引发的潮汐也帮助地球维持在液态，因为赤道汹涌隆起的岩浆每5个小时就会席卷地球一遭，将任何薄而坚实的表面组织击碎。地球上拥有大量的高放射性元素，比如铝和钨的同位素，它们尽管寿命短暂，但能不断生热；还有寿命很长的铀、钍和钾的同位素，这些元素持续地增加了更多的热量。而年轻的、不断膨胀的大气，在火山喷发的富含二氧化碳和水的蒸气的推动下，可能通过诱发“超级温室”的状态，放大这些影响。
不知熔融状态维持了多久，也许是100年，也许是10万年，无论哪一个都不过是地质上的一瞬间。但冷却和硬化是注定的。热力学第二定律表明，缺乏大量新能量输入的热物体一定会冷却，物体越热，冷却速度就越快。
热量传输有赖于三种常见的机制。首先是传导。当较热的物体接触较冷的物体时，热能一定从热向冷流动。如果你的脚曾经因走在太阳晒烫的人行道上而被灼伤，或者手曾因接触火炉而被烫起过泡，那你肯定对这个过程深有体会，这都是由于原子的不断运动造成的。温度较高的物体中原子的运动会更剧烈，温度较低的物体中原子运动则较为缓慢。当较冷的物体接触到较热的物体时，后者内部有更为狂暴的原子，一些剧烈的运动通过原子之间的碰撞而转移。如果你接触到的热物体足够热，它会破坏你皮肤中的分子，杀死细胞，造成灼伤。传导是一种很好的局部传热方式，能将热量从一个物体传到邻近的物体上，但在行星尺度上，它就变成了一种相当糟糕的传热方式。从一个运动的原子到另一个原子，需要很长的时间来转移热量。
对流是一种更好的冷却行星的方法。通过对流，热原子的集合可以大规模地转移热能。当你烧开水的时候，你就会感受到对流。把水倒进锅里，把火开大，然后等着水烧开。这个过程起初是缓慢的，因为热锅接触到了冷水，锅中的金属原子与水分子互相碰撞，会先通过传导转移热量。但很快，另一种机制出现了。底部被加热的水开始膨胀，上升穿过温度更低、密度更大的表层水中，将热量一股脑地转移到表面。同时，温度较低、密度较大的表层水下沉到加热的底部。热交换的过程越来越快，水柱不断上升和下沉，直至沸腾。通过热水上升和冷水下降的对流循环，大量的水以快速有效的方式，将热量传遍液体。
在地球的更大尺度上，在夏季凉爽的离岸微风中，在从赤道到北极的大洋环流中，在雷电交加的狂乱暴雨中，在沸腾的温泉和喷涌的间歇泉中，对流反复出现。地球内部也是如此，在那里，承受着高温高压的岩石在千百万年间被软化至流动，就像太妃糖一样。地表附近温度较低、密度较大的岩石下沉，而温度较高、密度较小的岩石则上升取代了它们的位置。在地球历史上，对流一直是行星冷却的主要驱动力。
第三种传热机制是辐射。任何热物体都会以红外辐射的形式向较冷的环境辐射热量，这种辐射以每秒186 000英里的速度在真空中传播。这种常见的能量形式，在你放松下来晒太阳时非常明显，其性质与可见光的波动相似（尽管热辐射的波长稍长）。或许最明显的红外能量来源就是太阳，它让地球沐浴在红外辐射中，这些辐射用了大概8.3分钟穿过真空到达地球。另一个常见的例子是电暖气、壁炉里的火和一种老式热水散热器。每一个较热的物体都会向较冷的环境辐射热量。你的身体也不例外。这就是为什么一个拥挤的礼堂会变得非常热，每个人都像一百瓦的灯泡一样散发着热量，要是戴上一副夜视镜，就很容易证实这一点，它能使发出红外线的人和其他动物在黑暗中看起来像发光一样。
无论是传导、对流还是辐射，传热速率都取决于较热物体和较冷物体之间的温度差。温差越大，传导越快，对流越剧烈，辐射也就越强烈。地球是一个温暖的星球，它在冰冷的太空中绕着太阳运行，一直将热量辐射到太空中。但是，炽热的后忒伊亚时代的地球以一种现代地球无可匹敌的速度，将其多余的热能送入太空。它在黑暗的太空中发着光。
最初的岩石
由于地球在太空中巨大的热损失，形成岩石地壳是不可避免的结果。在某个地方，很可能是在地球上潮汐压力较小的两极附近，熔融的表面冷却到了足以形成最早的晶体的温度。但冷却和结晶绝非易事。许多日常物质都在特定温度之下由冷却的液体变成固体，这温度就是我们熟悉的凝固点。液态水在32华氏度（0摄氏度）结冰，汞金属在-38华氏度（-38.87摄氏度）凝固，而乙醇（常见的酒精）则在-179华氏度（-117.3摄氏度）凝固。但岩浆就不一样了。岩浆的奇怪之处在于，它没有凝固点（尽管对超过2 500华氏度的岩浆来说，说它具有“凝固点”听起来有点矛盾的意味）[1]。
让我们从45亿年前忒伊亚刚刚形成时说起吧，那时地球和月球在10 000华氏度的环境下共享一个发光的硅酸盐蒸气的大气。随着温度降到5 000华氏度、4 000华氏度，然后是3 000华氏度，那种地狱一样的岩石气体迅速冷却，最终凝结成液滴，岩浆像下雨一样落在这个新的孪生世界里。就在那时，最早的晶体开始形成。
块状玄武岩。从地球深部喷涌而出的炙热岩浆，遇冷迅速形成坚硬的玄武岩。玄武岩也是洋底岩石的主要成分
这些关于地球第一批岩石的故事是实验岩石学家的科研领域，他们设计了新的实验室技术，加热并挤压岩石，模拟地球深处的环境。探索岩石起源面临两项技术挑战。首先，你需要控制难以想象的数千度高温，那比你家里的任何烤箱或炉子都要热得多。为了达到这一点，科学家将铂丝加工成线圈，线圈的间隔经过精心设计，通过线圈输送巨大的电流来达到极端温度。更具挑战性的是，在样品受到比大气压高出几万或几十万倍的巨大压力的同时，必须维持这种高温。为了完成这项艰巨的任务，研究人员采购了大型液压缸和巨大坚固的压力机。
一个多世纪以来，卡内基研究所的地球物理实验室，也就是我的科学“大本营”，一直是勇于探索地球深层真相的科学中心。在小哈滕·S. 约德（Hatten S. Yoder，Jr.）不幸于医院离世前，我曾有机会和他短暂地共事过一段时间，他是实验岩石学的先驱之一，也是世界上研究玄武岩起源的顶级专家。约德身材高大，充满活力，热情且专注，他是这一领域的杰出代表。作为“二战”中的海军军官，他对巨大的金属硬件非常了解。20世纪50年代，他加入了地球物理实验室，利用海军多余的炮筒和装甲板建造了高压实验室，这些部件仍然被喷成了战舰的灰色。高压实验室不仅塑造了他半个世纪的职业生涯，也塑造了我们对脚下地面的理解。
约德装置的核心部件是一枚“炸弹”，那是一个直径1英尺、长20英寸的巨大钢瓶，上面有一个直径1英寸的小孔。炸弹的一端连着一串气泵、压缩机和增强器，能够产生1.2万个大气压的惊人压力，这种压力相当于地表25英里以下位置的压力，如果仪器出现灾难性的故障，它包含的能量相当于一根炸药的爆炸力。炸弹的另一个开口端会放上1英尺长的岩石样本堆，以及一个直径6英寸的大六角螺母。我们会用一把3英尺长、20磅重的扳手拧紧螺母，把装置密封起来。
哈滕·约德这个仪器的优点在于，我们可以把粉末状的岩石和矿物样品装进小金管中，把这些管子装进圆柱形的加热器里，然后把整个装置固定在炸弹的压力舱内。加压，打开电加热器，接着炸弹完成所有的工作。每一次实验最多会用6个小金管，每次运行几分钟到几天不等。哈滕·约德非凡的发明非常适合研究地壳和上地幔中岩石是如何演化的。
哈滕·约德和他的同事发现，富含六大元素的炽热的熔体通常会在温度低于2 700华氏度时开始凝固，形成硅酸镁橄榄石晶体。在地球和月球上，在很久以前的冷却期，美丽的绿色小晶体开始在岩浆中生长，形成微小的晶种，并不断生长到弹珠、豌豆和葡萄的大小。但是橄榄石的密度通常比它所在的液体密度要大，所以第一批晶体开始下沉。随着晶体越来越大，它们下沉的速度也越来越快，在深处累积了巨大的质量。这些质量来自几乎纯粹的晶体，而这些晶体形成了令人惊叹的绿色岩石，称为纯橄榄岩。今天在地球上这种岩石相对罕见，只有在特殊情况下才会出现在地表上——隆升和侵蚀的造山运动，会将这种在地球深处形成的独特致密的橄榄石堆积岩暴露出来。
橄榄石晶体不断下沉，逐渐改变了地球和月球内部冷却的岩浆。剩余的热熔体也改变了成分。当镁逐渐耗尽时，热熔体相应地变得更富集钙和铝。在月球上，当岩浆海洋继续冷却时，第二种矿物开始形成。一种由钙铝硅酸盐构成的长石叫钙长石，它开始与橄榄石一同结晶，形成白色的块。与橄榄石不同，钙长石的密度低于它所处的液体的密度，所以它会漂上去。在月球上，大量钙长石突然出现在岩浆海洋的表面，形成一个巨大的壳，这个壳由漂浮的长石山脉构成，它高出熔融的表面可达4英里。这些灰白色的物质被称为月球高地，占据了月球65%的反光的银色表面。它们直接从岩浆海洋中升起，是月球上已知最古老的岩层。“阿波罗号”带回的样本揭示了这些独特的钙长石古老年代的范围，从39亿年一直到45亿年左右，也就是大撞击发生后不久。
在地球上，由于成分更湿润，岩浆海洋更深，拥有更大的内部温度和压力，故事的展开就有了些许不同。在地球历史早期的近地表、低压环境中，可能有少量的钙长石结晶，但那是一种很次要的矿物。相反，富含镁的辉石大量出现，成为最常见的链状硅酸盐矿物，它们与橄榄石混合在厚厚的晶体泥浆中。因此，地球上最早的岩石主要以一种坚硬的墨绿色岩石中的橄榄石和辉石为特征，这种墨绿色岩石被称为橄榄岩。各种各样的橄榄岩开始在地球靠外的50英里范围内结晶，这个过程可能始于45亿年前，并持续了数亿年。
硅酸盐矿物
尽管橄榄岩很早就大量存在，但在今天的地表中它是相对稀有的。一个有说服力的设想是，大量橄榄岩变硬冷却，形成了地球最初短暂的刚性表面。但就像它的纯橄榄岩前身一样，冷却的橄榄岩的密度比热的岩浆海洋的密度要大得多。橄榄岩表面因此破裂、弯曲，并沉入地幔，移动上来的岩浆则冷却形成更多的橄榄岩。在数亿年的时间里，地幔缓慢地凝固，形成了一种橄榄岩的传送带，这条传送带在地球靠外的50英里范围内运行。致密的固体橄榄岩与岩浆的比例增大，直到大部分上地幔变成固体的橄榄岩-辉石岩岩石层。
地核的真相
在地幔深处，地壳以下50~200英里的范围内，冷却和结晶过程一定也以类似的方式进行，尽管速度要慢得多。这一过程的细节仍不确定——下一代的高压高温设备必须有能力厘清复杂的过程——但就像在更接近地球表面的环境中那样，通过下沉和漂浮，将晶体从熔体中分离出来或许起到了重要作用。
我们对这些隐蔽的深层区域的了解，大部分来自地震学。地震学研究的是声波在地球深部的传播。地球像铃铛一样不断地发出响声，汹涌的潮汐、轰隆的卡车和大大小小的地震，都会使地球震动，并传播地震波。就像陡峭峡谷中的声波一样，地震波撞击到表面时也会产生回声。地震波表明，地球内部是一个复杂的层状结构。
地球内部构造
在最基本的结构层次上，地球有三层，表面是一层薄薄的、低密度的地壳，中间夹着一层厚厚的、高密度的地幔，中心则是一层更厚的、极为致密的金属核。在这三个区域中，每一个又包含了更多的层次。例如，地幔被划分为三个亚层，分别是上地幔、过渡带和下地幔。以橄榄岩为主的上地幔向下延伸约250英里，在这个深度下，压力迫使橄榄岩中的原子堆积成一种更致密的硅酸盐晶体形式，叫作瓦兹利石，它是地幔过渡带中的主要矿物。下地幔则要再向下延伸约150英里，其特征是富集了一种更为致密的镁硅酸盐矿物。下地幔中的压力非常高，是表面压力的数十万倍，因此硅氧键采用了一种更密集、更有效的原子排列方式，称为钙钛矿。
地球内部结构剖面图
地震研究记录了这些在矿物学上具有差异性的地幔层的性质和范围，大体来说，从一片区域到另一片区域的过渡是齐整和清晰的。这些过渡的确切深度在不同的地方略有差异，比如，在大陆和海洋之下深度就有不同，但每个边界看起来都相对平滑和清晰。与之形成对比的是，地震学提供了一些诱人的证据，表明核幔边界是一个特别复杂的区域，与清晰的地幔内部的过渡大不一样。在相当近似的情况下，核幔边界产生了预期中的强烈回声。事实上，硅酸盐地幔和金属核之间的密度反差太大了，以至于形成了一个清晰的物理边界，就像空气和水之间的边界那样明晰，从地球深部产生了最强的反射地震信号。一个多世纪前，这个边界是地震学家最早发现的地球深部的隐蔽特征之一。
一个完全光滑的、规则的边界会产生清晰的、聚焦的地震反射，这种回声响应在地震仪上被标记成一个独特的尖峰。但从核幔边界反射的地震信号往往很杂乱、模糊且支离破碎。下面还有一些多余的结构，像不规则的块状物或成堆的碎片。地球物理学家并不总是擅长使用最吸引人的术语，他们把这个块状的混沌带称为D''（D加上两撇）层。（天体物理学家创造了诸如棕矮星、红巨星、暗能量和黑洞等富有想象力的术语，他们在科学命名的游戏中可以说相当成功。）
这种深层的D''特征很复杂，部分是由于地核中均匀的铁金属和地幔中各种富氧矿物之间具有明显的密度对比。所有地幔矿物都像水上的软木塞一样漂浮在致密的地核上，但不同矿物在密度上可能有非常大的差距。在原始的岩浆海洋中，一些硅酸盐会下沉，一些则会上浮。结果就是，最早的大块结晶固体一直下沉，穿过地幔，像木筏一样漂在金属核上。一些地震学家设想在核幔边界上有不规则的致密的矿物堆，它们形成了300英里高的“山脉”，在那里造成地震信号混乱地偏转。
令人惊讶的是，在核幔边界可能有巨大的熔岩池和密度极高的硅酸盐液体池塘，可能还富含铝和钙，以及大量“不相容的元素”，这些元素似乎从地球外层中消失了。我们很难确定这一点，但地震学家认为，在核幔边界上方的D''层中存在很深的局部“超低速带”，在这些区域中，地震波的传播速度比在邻近岩石中慢10%。缓慢的地震波通常是液体释放的信号。如此深的液态湖泊和池塘也可以为那个令人困扰的元素缺失问题提供一种完美的解决方案——只需要将所有不相容的元素放在难以接近的D''层中就好了，它们将永远被隔绝在这个矿物垃圾组成的神秘而混杂的区域中。
那地核本身呢？当地球还很年轻时，这个直径超过2 000英里的致密的富铁核已经完全形成，并且可能完全熔化（而不像今天这样，内核看起来是一个直径约750英里且不断增大的固体铁晶体球）。在那个清晰的核幔分界线上，温度可能已经超过1万华氏度，压力则超过了我们现代大气的100万倍。
从一开始形成到今天，这个炽热的核一直是具有液态金属涡流的动力场所。这些涡流造成的一个重要结果是早期地球磁场的产生，也就是地球的磁层，像是一个巨大的电磁铁。磁场使带电粒子的路径发生弯曲，因此地球的磁层提供了一种看不见的偏转屏障，阻挡了太阳风和宇宙射线的强烈轰击，这一屏障也许是生命起源和生存的先决条件。
地核也是一个重要的热能来源，它有助于驱动地幔中的对流。即使在今天，在像夏威夷和黄石公园等地区的火山热点中，来自核幔边界的岩浆热流柱还会一路上升近2 000英里到达地球表面。值得注意的是，这些热流柱在地表上的固定位置可能是由深部的地形决定的。D''层中300英里高的山脉可以充当保温的热毯，覆盖在高温的地核上，所以热点很可能起源于那些宏大的隐蔽山脉之间最深的、释放热量的山谷。
玄武岩
事实上，矿物演化的故事建立在岩石类型的预定顺序上，从逻辑上来说，每一个矿物形成的阶段都承接着前一个阶段。地球上最初的橄榄岩地壳诞生于原始的岩浆海洋，处于一个关键但短暂的新生阶段。当它最终冷却并变硬时，它的密度太大了，以至于无法留在地表附近的任何地方，因此又沉入了地球的深处。环抱地球的必须是一种密度较低的岩石。那种岩石就是玄武岩。
黑色玄武岩是所有类地行星中近地表岩石的主要组成部分。水星被小行星撞击得坑坑洼洼的表面也主要是玄武岩。金星灼热而多山的表面和火星被风化的红色表面都是玄武岩。月球黑色斑点状的月海与灰白的钙长石高地形成了鲜明对比，这些月海是巨大的黑色玄武岩湖硬化的遗迹。而在地球上，包括所有海洋的海底在内，70%的表面都被玄武岩地壳所覆盖。
玄武岩成分多样，但有两种基本的硅酸盐矿物占主导地位。其中一种主要矿物是斜长石，它是迄今类地行星和卫星中最重要的含铝矿物，也是地球上最常见的地壳矿物。我在麻省理工学院的教授戴夫·沃内斯曾建议我，如果有人给我看一块神秘的岩石，并询问它的矿物学性质，我只需要回答“斜长石”，那么我就有90%的概率是对的。玄武岩的第二种基本矿物成分是辉石，这种常见的链状硅酸盐也存在于橄榄岩中。辉石是为数不多的几种常见矿物之一，可以融合所有六大元素（以及许多不太常见的元素）。
要了解斜长石和辉石这两种玄武岩的基本矿物成分的起源，可以参考岩石凝固和熔化的奇异特性。45亿年前，随着地球岩浆海洋的冷却，橄榄石首先形成，然后是一点钙长石，最后是大量辉石。由此形成的硅酸镁岩石是橄榄岩，它们组成了上地幔的大部分。随着大量橄榄岩的形成和下沉，它们被重新加热，其中一部分被重新熔化。
我们的日常经验表明，从固体到液体的熔化发生在一个特定的温度下。水冰在32华氏度（0摄氏度）融化，大多数家用蜡烛在约130华氏度（约54摄氏度）熔化，而致密的金属铅则在621华氏度（约327摄氏度）熔化。但岩石的熔化并非那么简单，大多数岩石并非在一个温度下完全熔化。如果将橄榄岩加热到2 000华氏度（约1 093摄氏度）左右，它会第一次熔化。（如果橄榄岩含有丰富的易挥发的水和二氧化碳，熔化就会出现得更早。）第一批出现的极小的液滴成分与橄榄岩岩石的大部分成分有很大的不同。最初的熔体含有更多钙和铝，铁和硅也会稍多一些，镁则相当少。这种初始液体的密度也远低于橄榄岩。因此，即使地幔中有5%的橄榄岩熔化，也会产生大量岩浆，这些岩浆会沿着矿物的晶界聚合，在裂缝和小囊袋结构中积聚，并上升到表面，最终变成玄武岩。在数十亿年的地球历史中，橄榄岩的部分熔融产生了数亿立方英里的玄武岩岩浆。
熔融的玄武岩以两种互补的方式来到行星表面。较为壮观的一种是像在夏威夷和冰岛发生的火山爆发那样，伴随着炽热的岩浆喷泉和河流般的涌流冲到表面。这种剧烈的喷发是水和其他挥发物共同作用的结果。在一英里以下的高压环境下，水和其他挥发物被锁在硅酸盐液体中，但在地表附近它们会爆发性地转化为气体。这种爆发性的火山活动能够将火山灰和有毒气体喷向高空，直至平流层，也能够向外投掷汽车大小的火山“炸弹”，投出超过一英里远的距离，破坏周围的乡村。
这些玄武岩熔岩和火山灰的喷发，一层一层地构筑了数英里高的山脉，在数千平方英里的范围内覆盖上了黑色岩石。这种类型的玄武岩熔岩流和火山灰颗粒非常细，在玻璃中尤为丰富，但液体冷却的结果过快，以至于没有时间形成晶体。结果就是，硬化的熔岩只有一种普普通通的黑色硬壳。其他独特的橄榄玄武岩，只有当橄榄岩在不到20英里深的相对较浅的深度熔融时才会出现，里面包含了一些有光泽的橄榄石晶体，这些晶体在熔体凝固的第一阶段在地下形成。绿色的晶体装饰着原本乏味的黑色岩石。
岩浆冲破地表需要很大的爆发力，所以相当一部分玄武岩岩浆永远无法到达地面。相反，这些炽热的液体被困在地下深处，它们在那里冷却得更慢，并在辉绿岩或辉长岩中形成一英寸长、形状像被车床轧过的长石和辉石晶体。有时候，岩浆会注入地下岩石几乎垂直的裂缝中，形成表面光滑的岩脉。如果容矿岩是软的，并在千百万年间被侵蚀，结果可能就会形成又长又直的辉绿岩墙，看起来或许像是一个破碎的考古遗址。又或者，岩浆如果注入横着的沉积岩层之间，可能就会形成一个厚厚的毯状岩床。哈得孙河的岩壁悬崖位于纽约市的河西岸上游，是一系列玄武岩岩床中的一个，这些岩床略微向西倾斜，在新泽西北部和纽约南部形成了平行的高地（以及一些最昂贵的房地产）。还有一些时候，液体在不规则的岩浆房中静置并冷却，这些岩浆房能够在地下数英里深的地方形成，并延伸数英里。但不管它们最终的几何结构是什么，辉绿岩和辉长岩看起来都和玄武岩一模一样。
随着玄武岩地壳不可避免地形成，地球第一次拥有了一个坚实的固体表面可以漂浮起来。在地壳形成之前，当岩浆和橄榄岩分别占据着地球表面时，没有任何地貌能够长时间保持上升到明显高于平均海拔的高度。炽热的橄榄岩糊状物并不足以支撑一座山脉。但坚硬的玄武岩密度相对较低，这就截然不同了。玄武岩的平均密度比橄榄岩低10%以上。这就意味着，一块10英里厚、漂浮着的玄武岩将高于岩浆海洋表面至少1英里。快速堆积起来的火山锥可能会升得更高，或许比平均海拔高出两英里。因此，瑕疵重重的地球表面开始形成一些真实的特征。
环境恶劣的世界
如果从太空中看，比如从年轻月球的安全距离上看，地球的玄武岩表面呈现出深黑色，上面带有弯曲的红色裂缝和一些局部的亮点，那是巨大的火山喷发冲出表面的地方。肮脏发白、满是火山灰的蒸气喷涌而出，遮住了地球上一些富含挥发物的火山锥和邻近地区。
想象一下，你回到了44亿年前的冥古宙，彼时地球新的黑色表面刚刚形成。你不可能在这种严酷而陌生的环境中存活很久。流星不断地轰击地表，击碎又薄又脆的黑色地壳，四处飞溅着破碎的岩石和凝块的岩浆。无数的火山锥不断升高，稳定地升到数千英尺的高度，巨大的岩浆喷泉被蒸气和其他挥发物的爆炸性释放驱动着，某一天，这些蒸气和挥发物会冷却到足以形成海洋和大气。但还没有维持生命的氧的踪迹。在这个年轻荒凉的地球上，你的鼻孔会被恶臭的硫化合物侵袭，你的皮肤会被升腾的蒸气烫伤，你的眼睛也会被有毒的热气灼伤。在这样一个环境恶劣的世界上，你很快就会在不堪折磨的痛苦中死去。
正在退行的月球继续在塑造地壳方面发挥重要作用。遍布全球的岩石和岩浆潮汐，虽然不如忒伊亚消失后的最初千百年那样极端，但它们仍不断使地表破裂和弯曲，使裂缝变大，进而导致炽热的岩石泥从裂缝中渗出，还阻碍着固体表面的形成。过于靠近的月球也使地球继续维持5小时一圈的疯狂高速旋转，同时伴随着巨大风暴和超级龙卷风，它们的严重程度远远超过今天天气频道上任何大肆渲染的报道。
但在那种极端的地表之下，地球向着有生命世界的演化已然开始了。充分混合的熔融的内部开始分离成大量独特的成分，成为大陆和深海地壳、大气和海洋、植物和动物的物质基础。加热、冷却和结晶，通过沉淀和漂浮分离出结晶，橄榄岩堆积，部分熔融，这些过程自始至终塑造着地球，从45亿年前诞生初期一直持续到今天。
地球巨大的内部热量储存库是这一章的核心主题，它在塑造我们的行星家园上继续发挥着主导性和变革性作用。今天，这个深邃而炽热的领域最显见的表现是间歇的火山爆发，伴随着猛烈的岩浆喷泉和炽热的熔岩流。喷发的间歇泉和含硫的温泉也暗示着地下隐藏着一个地狱般的世界。纵观地球45.67亿年的历史，当热量不可阻挡地从炽热的中心向外扩散到断裂的地壳，然后进入冰冷的太空时，地表首当其冲地承受了这一切。受地幔旋涡对流的冲击，以及月球不断的吸引力，地壳已经弯折、破裂和扭曲。大陆不断地在全球漂移，在热量驱动下持续进行的构造板块之舞中裂开、碰撞，又彼此擦肩而过。在我们生命中的每一天，地球内部的热量都在重新塑造着我们赖以生存的岩石，驱动着我们饮用的水不断循环，改变着我们呼吸的空气。
由于热量，地球注定在很短的一段时间内成为一个黑色世界，覆盖着一层薄薄的玄武岩。但短暂的幼年期不会持续太久。从火山中诞生的崭新亮蓝色表层，即将环绕地球。
[1] “凝固点”对应的英文freezing point又可译为“冰点”。——译者注
