北京時間 5 月 25 日消息，新的數(shù)據(jù)表明，地球表面在 32 億年前發(fā)生了破裂，而這一發(fā)現(xiàn)或許將有助于闡明板塊構(gòu)造如何推動復(fù)雜生命的演化。
2016 年，地球化學(xué)家喬納斯?圖什和卡斯滕?蒙克從澳大利亞內(nèi)陸敲打、采集了 1000 磅的巖石，并將其空運回德國科隆。經(jīng)過 5 年的切割、破碎、溶解和分析，他們從這些巖石中發(fā)現(xiàn)了一個隱藏了數(shù)十億年的秘密：板塊構(gòu)造運動開始的年代。
（左起）形成于 34.3 億、32.4 億、31.8 億、30.7 億和 27.4 億年前的火成巖，跨越了板塊構(gòu)造開始之前和之后的時期
地球表層堅硬的巖石圈并非整體一塊，而是由緊密連接的板塊拼合而成，這在太陽系中是獨一無二的。近年來，科學(xué)家越來越多地將這些板塊與地球的其他特征聯(lián)系起來，如穩(wěn)定的大氣層、保護(hù)性的磁場和復(fù)雜的生命，等等。然而，長期以來，地質(zhì)學(xué)家們一直在爭論地殼何時分裂成板塊的確切時間，提出了各種相互矛盾的假說，有人認(rèn)為這場分裂發(fā)生在地球 45 億年歷史的最初 10 億年間，也有人認(rèn)為發(fā)生在最近 10 億年中的某個時期。想要了解板塊構(gòu)造如何影響地球上其他一切事物，確切估計這一時間有著重要的意義。
構(gòu)造板塊的擴(kuò)張、碰撞和俯沖不僅僅塑造了地球的地理特征。在地球表面，物質(zhì)的循環(huán)有助于調(diào)節(jié)氣候，而大陸和山脈的形成則為生態(tài)系統(tǒng)注入了重要的營養(yǎng)物質(zhì)。事實上，如果板塊構(gòu)造開始的時間足夠早的話，它可能會成為復(fù)雜生命演化的主要驅(qū)動力?；蛟S我們可以更進(jìn)一步，漂移的板塊可能也是遙遠(yuǎn)的地外行星上高級生命存在的先決條件。
喬納斯?圖什（左）和卡斯滕?蒙克（右）在澳大利亞皮爾布拉用大錘敲打、采集太古宙的巖石樣品
澳大利亞阿德萊德大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家艾倫?柯林斯表示，喬納斯?圖什和卡斯滕?蒙克等人在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表的澳大利亞內(nèi)陸巖石研究結(jié)果，已經(jīng)捕捉到了板塊構(gòu)造出現(xiàn)時的“快照”。研究小組對巖石中鎢同位素的分析顯示，地球大約在 32 億年前正好處于向板塊構(gòu)造過渡的過程中。
牛津大學(xué)的巖石學(xué)家理查德?佩林認(rèn)為，這些發(fā)現(xiàn)支持了過去十年來的其他間接證據(jù)，它們都指向了這一時期。他說：“這支持了地質(zhì)學(xué)界不斷取得的共識，即大約 30 億年前，板塊構(gòu)造開始在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)?！?/p>
艾倫?柯林斯也說道：“有許多人從非常不同的角度，殊途同歸，都提出了 32 億年到 30 億年的估計值?！?/p>
地球的引擎
當(dāng)?shù)聡刭|(zhì)學(xué)家阿爾弗雷德?魏格納在 1912 年首次提出大陸漂移理論時，他的大多數(shù)同行都認(rèn)為這是十分荒謬的。巨大的陸地是如何移動的？魏格納本人也無法確定驅(qū)動大陸漂移的機(jī)制。事實上，直到 50 年之后，地質(zhì)學(xué)家才弄清楚地幔 —— 地殼和地核之間厚厚的熱巖層 —— 內(nèi)部的對流會如何推動地球表層板塊的移動。他們最終發(fā)現(xiàn)，這些板塊 ——15 個主要板塊和幾十個較小的板塊 —— 在大洋中脊分散開來，隨著地幔流動而移動，在邊緣相互摩擦，并在“俯沖帶”處俯沖回地幔中。
地球板塊由 15 個主要板塊和幾十個較小的板塊組成，它們在大洋中脊分散開來，隨著地幔流動而移動，在邊緣相互摩擦，并在“俯沖帶”處俯沖回地幔中
加州大學(xué)洛杉磯分校的地球物理學(xué)家卡羅萊娜?利斯戈 - 貝爾泰洛尼說：“板塊構(gòu)造給出了一種非常有條理的地表移動方式。通過板塊構(gòu)造理論，你就能明白為什么有些地方地震頻發(fā)，為什么有些地方會有高大的山峰。”
在此后的幾十年里，科學(xué)家們逐漸認(rèn)識到，地球的大氣層、磁場、穩(wěn)定的氣候和生物多樣性都與板塊構(gòu)造有關(guān)。“（板塊構(gòu)造）使我們的星球以它自己的方式運轉(zhuǎn)，”利斯戈 - 貝爾泰羅尼說道。
首先，板塊構(gòu)造幫助地球在數(shù)十億年里保持了適宜居住的氣候，盡管太陽在這段時間里逐漸變亮。地球的適宜氣候主要是由空氣中的二氧化碳與硅酸鹽礦物之間的化學(xué)反應(yīng)造就的，后者通過將二氧化碳埋在沉積物中，緩慢地降低了大氣中溫室氣體的水平。大部分的硅酸鹽 — 二氧化碳反應(yīng)發(fā)生在板塊碰撞所形成的山坡上。
地質(zhì)學(xué)家在澳大利亞西北部的皮爾布拉克拉通進(jìn)行實地考察，那里有一些保存最完好的地球早期巖石
此外，地幔、地殼、海洋和大氣之間的物質(zhì)循環(huán)確保了對生命必需元素的持續(xù)供應(yīng)。板塊構(gòu)造使地幔更加精細(xì)，使得像磷這樣的元素在大陸地殼的表面積累。當(dāng)山脈風(fēng)化并被沖進(jìn)大海時，這些元素又為海水中的生命提供了養(yǎng)分。此外，大陸本身也為新物種提供了充滿陽光的環(huán)境。
同樣重要的是，地幔對流讓熱量從地核逸出，幫助地核產(chǎn)生磁場。地球磁場的范圍可延伸至太空深處，保護(hù)大氣層不受太陽風(fēng)暴的侵蝕。
不過，在地球誕生初期，情況卻是截然不同的。放射性衰變使早期地球內(nèi)部的溫度比現(xiàn)在高得多，因此當(dāng)時的地殼呈松軟狀態(tài)。幾十年來，科學(xué)家們一直在爭論地核何時冷卻至足夠的溫度，可以使地殼硬化成板塊，然后開始移動、分裂、碰撞和俯沖。利斯戈 - 貝爾泰羅尼指出，了解這一決定性的轉(zhuǎn)變何時發(fā)生，“將使我們更好地理解生命演化中的某些變化，地球是如何形成現(xiàn)在這樣的系統(tǒng)的…… 我們的星球如今又是如何運作的”。
巖石內(nèi)部的記錄
破解地球的“成形期”是相當(dāng)很困難的挑戰(zhàn)。數(shù)十億年前的巖石不僅罕見，而且在漫長的時間中不斷受到板塊運動的影響。這些巖石可能會給出雜亂而具有誤導(dǎo)性的歷史信息。
一些科學(xué)家認(rèn)為，板塊構(gòu)造運動至少從 40 億年前就開始了。他們的研究基于具有 40 億年歷史的微小晶體，這些晶體的化學(xué)性質(zhì)類似于俯沖帶中產(chǎn)生的現(xiàn)代巖石。但其他研究者反駁稱，這些晶體也可能是以其他方式形成的。
澳大利亞皮爾布拉的科馬提巖，年代為 32.7 億年前。巖石中細(xì)長的晶體 —— 質(zhì)地類似附近的鬟刺屬植物 —— 是在超熱巖漿噴發(fā)并迅速冷卻時形成的?？岂R提巖只發(fā)現(xiàn)于 25 億年前或更早時期，被認(rèn)為是地幔溫度顯著升高的證據(jù)
還有研究者提出，從地質(zhì)學(xué)的角度，板塊構(gòu)造是在最近歷史中才出現(xiàn)的。他們指出，在現(xiàn)代板塊碰撞區(qū)形成的已知巖石類型，其存在時間似乎從來沒有超過 7 億年。這種觀點認(rèn)為，如果這些巖石中找不到更加古老的樣本，那么板塊構(gòu)造的歷史也一定不會太久。
不過，這些巖石的外觀可能反映的是板塊構(gòu)造開始后發(fā)生的變化，例如地球內(nèi)部的緩慢冷卻。研究者表示，在某種程度上，對時間的分歧說明了板塊構(gòu)造本身也會隨著時間而逐漸發(fā)生變化。與其說板塊構(gòu)造經(jīng)歷了從“關(guān)閉”到“開啟”的突然轉(zhuǎn)變，不如說構(gòu)造活動更可能是逐漸演變成了現(xiàn)代的形式。
無論如何，過去十年中收集的大量數(shù)據(jù)表明，這種演變的一個重要轉(zhuǎn)折點發(fā)生在約 32 億年前的太古宙中期。研究者找到了一些表明這種轉(zhuǎn)變的證據(jù)。地球化學(xué)示蹤研究表明，氧氣、二氧化碳和水在那之后開始在大氣和地幔之間移動。穩(wěn)定的大陸地殼的體積也大幅增加。只有在那之后形成的鉆石才含有榴輝巖雜質(zhì)，這是一種由從地球表面礦物侵入地殼深部或地幔而形成的巖石。另一方面，一種被稱為科馬提巖的超鎂鐵質(zhì)熔巖開始從巖石記錄中消失。這種噴出巖在噴發(fā)時非常熱，其消失進(jìn)一步表明地幔已經(jīng)開始循環(huán)。
2020 年，兩篇由不同團(tuán)隊發(fā)表的長篇論文討論了這些證據(jù)，并獨立得出結(jié)論，認(rèn)為板塊構(gòu)造運動始于約 32 億年前。不過，地球的記錄仍然模糊不清，在一些人看來，這場爭論還在繼續(xù)。柯林斯表示，越來越多的研究者在這一問題上取得了共識，而與鎢有關(guān)的新研究又提供了一個支持該論點的“化學(xué)指紋”。
來自地球“嬰兒期”的信號
2015 年，喬納斯?圖什和卡斯滕?蒙克在德國科隆大學(xué)設(shè)計了一種探索板塊構(gòu)造起源的新方法。他們集中研究鎢 - 182，這是鎢的 4 種穩(wěn)定同位素之一（鎢還有另一種半衰期特別長的放射性同位素鎢 - 180），是由鉿 - 182 在太陽系形成后 6000 萬年內(nèi)的放射性衰變形成的?！斑@是地球最初 6000 萬年的遺留，”蒙克說。
在地球早期的巖石中，鎢 - 182 同位素應(yīng)該是相對豐富的。然而，一旦板塊構(gòu)造運動開始，地幔的對流攪動就會使鎢 - 182 與其他 4 種鎢同位素混合，使巖石中的鎢 - 182 含量均勻降低。圖什和蒙克開發(fā)了一種有效的新方法，可以從古代巖石中提取微量的鎢。他們的下一步便是尋找可供分析的巖石。
為了分析古代巖石中的鎢同位素比率，地質(zhì)學(xué)家們用離子交換色譜法提取了巖石中的鎢。溶解的巖石樣品被加到酸性溶液中，導(dǎo)致不同元素的垂直分離
一開始，他們分析了在格陵蘭島西部 Isua 地區(qū)采集的太古宙巖石。圖什花了 11 個月的時間分析這些樣品，最終發(fā)現(xiàn)鎢 - 182 數(shù)據(jù)是平穩(wěn)的，樣品之間沒有顯著的變化。研究人員推測，格陵蘭島的巖石在歷史上發(fā)生過變形和加熱，擾亂了其內(nèi)部的地球化學(xué)信息。
他們需要找到更好的巖石，于是，他們來到了澳大利亞西澳大利亞州的皮爾布拉?！斑@里擁有全世界保存最完好的太古宙巖石，”蒙克說，“與那個時代的類似巖石相比，它們沒有經(jīng)歷過多的加熱過程。”
圖什說：“我真的很想找到不會反復(fù)呈現(xiàn)相同數(shù)值的樣品?！痹谛履贤柺看髮W(xué)的馬丁?范克南登克的指導(dǎo)下，研究小組開著越野車在澳洲內(nèi)陸地區(qū)穿行，看到了露出地面的鐵銹紅色古火山巖層，上面還長著鬟刺屬植物。這些植物含有二氧化硅，質(zhì)地剛硬，除了白蟻外，幾乎沒有其他動物能以之為食。研究人員從 27 億到 35 億年前形成的巖石和熔巖中采集了大約 5 噸的樣品。
回到德國，喬納斯?圖什開始了工作。他用巖石鋸取出每個樣品內(nèi)的新鮮巖石，將一些薄片拋光至人類頭發(fā)的一半寬度，使它們在顯微鏡下呈半透明。然后，他將剩下的樣品粉碎，濃縮，然后用質(zhì)譜儀分析鎢的同位素比率。
經(jīng)過近兩年的分析，結(jié)果逐漸浮出水面。這次的同位素比率出現(xiàn)了變化，令研究人員感到很驚喜。在 33 億年前形成的巖石中，鎢 - 182 的濃度開始時較高，表明地幔還沒有混合；然后，在 2 億多年的時間里，鎢 - 182 數(shù)值逐漸下降，直到 31 億年前達(dá)到今天的水平。這種下降反映了古老的鎢 - 182 信號出現(xiàn)了稀釋，因為皮爾布拉下面的地幔開始混合。這種混合表明板塊構(gòu)造已經(jīng)開始。
很快，地球就將從一個像冰島一樣遍布火山島的水世界，變成一個擁有山脈、河流、洪泛區(qū)、湖泊和淺海的大陸世界。
一個為生命創(chuàng)造的新世界
在大約 32 億年前開始之后，板塊構(gòu)造又將如何影響地球上的生命？
早在 39 億年前，地球上就出現(xiàn)了生命；34.8 億年前，生命在皮爾布拉的沉積物中堆成了一個個小圓丘，稱為疊層石。這一現(xiàn)象表明，在最基本的層面上，板塊構(gòu)造并不是生命存在的先決條件。然而，當(dāng)板塊構(gòu)造運動開始時，生命也開始變得多樣化，這很可能不是巧合。
隨著板塊構(gòu)造的發(fā)展，陽光普照的淺海和充滿大陸巖石風(fēng)化養(yǎng)分的湖泊逐漸形成。細(xì)菌在這些環(huán)境中不斷演化，通過光合作用獲取太陽能，產(chǎn)生氧氣。在接下來的 5 億年里，這些氧氣在天空中幾乎只保留了一小部分，部分原因是氧氣會立即與鐵和其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。此外，光合作用中產(chǎn)生的每個氧分子都與一個碳原子相匹配，從而很容易重新組合成二氧化碳。換句話說，大氣中的氧氣并沒有凈增加，除非碳被埋藏起來。
漸漸地，板塊構(gòu)造運動提供的土地和沉積物埋藏了越來越多的碳，同時也提供了大量的磷，刺激了光合細(xì)菌的生長。地球大氣最終在 24 億年前充滿了氧氣。
化石記錄顯示，大約 5.4 億年前，復(fù)雜多樣的動物出現(xiàn)了大爆發(fā)。三葉蟲是那個時代數(shù)量最多、最具代表性的生物類群之一。圖中是一個三葉蟲的化石，這類具有“盔甲”的動物繁盛了數(shù)千萬年
氧氣為地球上的植物、動物和幾乎所有以氧為基礎(chǔ)的新陳代謝提供了條件。比微生物更大、更復(fù)雜的生命需要更多的能量，而在有氧氣的情況下，生物體可以制造出更多攜帶能量的分子 —— 三磷酸腺苷（ATP）。美國麻省理工學(xué)院的阿西娜?埃斯特說：“對于我們所知的復(fù)雜生命而言，氧氣至關(guān)重要，”。
在所謂的“無聊十億年”（boring billion）當(dāng)中，生命復(fù)雜性的發(fā)展似乎停滯了?！盁o聊十億年”是古生物學(xué)家馬丁?布拉西爾提出的從 18 億年前到 8 億年前的地球歷史時期，屬于遠(yuǎn)古宙，表現(xiàn)為環(huán)境、生物演化和巖石圈異乎尋常的穩(wěn)定。在這十億年間，經(jīng)歷了哥倫比亞超大陸和羅迪尼亞超大陸的演進(jìn)。北京大學(xué)的唐銘等研究者認(rèn)為，隨著洋陸的穩(wěn)定，山脈被完全侵蝕，減少了流入海洋的營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致氧氣水平下降。
最終，超級大陸分裂，促使新的山脈開始生長，并再次輸出營養(yǎng)物質(zhì)。直到那時 —— 大約 6 億年前 —— 復(fù)雜的生物才開始多樣化，其體型也隨著地球第二次含氧量的上升而變得更大。5 億 4000 萬年前，復(fù)雜的動物生命在海洋中爆發(fā)，不久后也在陸地上爆發(fā)。此時干燥的陸地變得適合居住，因為平流層中的氧氣形成了臭氧，可以保護(hù)陸地生物免受紫外線輻射。
“一種可能的情況是，許多其他行星都出現(xiàn)了類似地球太古宙的世界，可能在沒有板塊構(gòu)造的情況下同樣出現(xiàn)了生命，”阿西娜?埃斯特說，“但在一個沒有板塊構(gòu)造運動的行星上，可能很難會有復(fù)雜的生命?！?/p>
以火星為例。在最初的十億年里，火星和地球非常相似，但火星從未形成板塊構(gòu)造，可能是因為它比地球小，其內(nèi)部壓力不足以驅(qū)動地幔的大規(guī)模對流。相反，火星迅速形成了一層不利于形成活動板塊的厚地殼。今天，火星呈現(xiàn)銹紅色，幾乎沒有地表水，沒有磁場，也沒有大氣。如果不是板塊構(gòu)造，這可能也是地球的命運。
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