科學家們正在逼近板塊構造的起源

早期的地球可能看起來很像冰島——熔岩原一望無際，墨黑色的山腰高聳於雲層之上，鮮明的黑色沙灘勾勒出陸地的輪廓。但是地球的配色方案逐漸變得不那麼黯淡。今天，它也包括了顏色較淺的岩石，如優勝美地國家公園半圓頂的灰白色花崗岩。科學家們仍然不確定世界何時開始這種轉變，但新的證據正在縮小時間範圍。

最近的一項研究表明，這種轉變在35億年前就已經發生了。這一發現備受爭議，但可能有助於科學家們瞭解構造板塊——像拼圖一樣在我們腳下深處相互鎖定的地殼板塊——何時開始活躍並移動起來。這個想法的關鍵在於，淺色岩石實際上是深色岩石的“輪迴”。簡而言之，當深色岩石被推入地球深處時，淺色岩石就會形成——可能是在一個構造板塊滑到另一個板塊之下，即所謂的俯衝過程中。研究人員得出結論，鑑於數十億年前淺色岩石很豐富，那麼板塊構造很可能在那時就已經開始了。

尼古拉斯·D·格雷伯（Nicolas D. Greber）是一位現在在瑞士日內瓦大學的地質學家，他和他的同事分析了來自世界各地的78個沉積層，以確定較淺色（或長英質）岩石與較深色（或鎂鐵質）岩石的比例。但這不像計算淺色石頭與深色石頭那樣簡單，因為兩者早已侵蝕成微小的顆粒。相反，格雷伯的團隊研究了鈦。雖然這種金屬元素存在於兩種型別的岩石中，但隨著岩石從鎂鐵質變為長英質，其同位素（化學性質相同的原子，質子數相同但中子數不同）的比例會發生變化。格雷伯解釋說，假設你混合了一些東西，結果既鹹又甜。像他的團隊所做的分析會讓你“瞭解你添加了多少鹽和多少糖”。他原本預計，他樣本中最早的沉積物（可以追溯到35億年前）主要由鎂鐵質顆粒組成。令他驚訝的是，大約一半的顆粒是長英質的。他的小組在9月份的《科學》雜誌上報告了這一發現。

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耶魯大學地球物理學家 Jun Korenaga 說，這一結果與該領域的主流觀點——早期地球在35億年前仍然被深色鎂鐵質岩石覆蓋——相悖。他沒有參與這項研究。“很高興看到一個團隊朝著這個方向前進，”他說。“他們試圖撼動[現狀]，這是一個非常受歡迎的輸入。”

長期以來，科學家們一直在爭論這些地殼板塊開始運動的時間，估計範圍從10億年到42億年不等。渥太華大學地球化學家喬納森·奧尼爾（Jonathan O'Neil）指出，最近的幾項研究將板塊構造的開始時間定在約30億年前，他沒有參與這項新工作。他指出，然而，目前還沒有共識。如果科學家們想了解早期地球的演化，這是一個主要問題。板塊的移動極大地重塑了地球，不僅塑造了海洋盆地和隆起了山脈，還改變了大氣和海洋的組成。這將影響到我們年輕的星球上新生的生命可獲得的營養供應。事實上，一些科學家認為板塊構造對於生命的起源至關重要。

由於事關重大，很容易理解為什麼科學家們對確定一個確定的起源日期持謹慎態度。例如，蘇黎世聯邦理工學院的地球物理學家保羅·塔克利（Paul Tackley）不同意格雷伯最新的解釋。他堅持認為，長英質岩石可以在鎂鐵質岩石沉入地球深處的任何時候形成——而不僅僅是在俯衝帶。例如，當火山爆發時，新釋放的熔岩可以將鎂鐵質岩石向下推，直到它們被深深地埋藏起來，以至於在高地底壓力和溫度下融化，即使沒有板塊運動，也會轉化為長英質岩石。

雖然格雷伯同意長英質岩石可以透過這種方式形成，但他認為，如此高的長英質與鎂鐵質的比例不能僅用塔克利的解釋來解釋。奧尼爾和科雷納加同意格雷伯的觀點，即俯衝是最可能的因素。但這並不一定意味著俯衝——以及因此的板塊構造——正在全球範圍內發生。相反，許多專家推測，早期的板塊構造活動可能更具間歇性，在成為一個持續和全球性的過程之前，多次區域性地開始和停止。唯一確定的方法是分析更多的沉積物——格雷伯希望在未來做到這一點。