科学家们正在逼近板块构造的起源

早期的地球可能看起来很像冰岛——熔岩原一望无际，墨黑色的山腰高耸于云层之上，鲜明的黑色沙滩勾勒出陆地的轮廓。但是地球的配色方案逐渐变得不那么黯淡。今天，它也包括了颜色较浅的岩石，如优胜美地国家公园半圆顶的灰白色花岗岩。科学家们仍然不确定世界何时开始这种转变，但新的证据正在缩小时间范围。

最近的一项研究表明，这种转变在35亿年前就已经发生了。这一发现备受争议，但可能有助于科学家们了解构造板块——像拼图一样在我们脚下深处相互锁定的地壳板块——何时开始活跃并移动起来。这个想法的关键在于，浅色岩石实际上是深色岩石的“轮回”。简而言之，当深色岩石被推入地球深处时，浅色岩石就会形成——可能是在一个构造板块滑到另一个板块之下，即所谓的俯冲过程中。研究人员得出结论，鉴于数十亿年前浅色岩石很丰富，那么板块构造很可能在那时就已经开始了。

尼古拉斯·D·格雷伯（Nicolas D. Greber）是一位现在在瑞士日内瓦大学的地质学家，他和他的同事分析了来自世界各地的78个沉积层，以确定较浅色（或长英质）岩石与较深色（或镁铁质）岩石的比例。但这不像计算浅色石头与深色石头那样简单，因为两者早已侵蚀成微小的颗粒。相反，格雷伯的团队研究了钛。虽然这种金属元素存在于两种类型的岩石中，但随着岩石从镁铁质变为长英质，其同位素（化学性质相同的原子，质子数相同但中子数不同）的比例会发生变化。格雷伯解释说，假设你混合了一些东西，结果既咸又甜。像他的团队所做的分析会让你“了解你添加了多少盐和多少糖”。他原本预计，他样本中最早的沉积物（可以追溯到35亿年前）主要由镁铁质颗粒组成。令他惊讶的是，大约一半的颗粒是长英质的。他的小组在9月份的《科学》杂志上报告了这一发现。

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耶鲁大学地球物理学家 Jun Korenaga 说，这一结果与该领域的主流观点——早期地球在35亿年前仍然被深色镁铁质岩石覆盖——相悖。他没有参与这项研究。“很高兴看到一个团队朝着这个方向前进，”他说。“他们试图撼动[现状]，这是一个非常受欢迎的输入。”

长期以来，科学家们一直在争论这些地壳板块开始运动的时间，估计范围从10亿年到42亿年不等。渥太华大学地球化学家乔纳森·奥尼尔（Jonathan O'Neil）指出，最近的几项研究将板块构造的开始时间定在约30亿年前，他没有参与这项新工作。他指出，然而，目前还没有共识。如果科学家们想了解早期地球的演化，这是一个主要问题。板块的移动极大地重塑了地球，不仅塑造了海洋盆地和隆起了山脉，还改变了大气和海洋的组成。这将影响到我们年轻的星球上新生的生命可获得的营养供应。事实上，一些科学家认为板块构造对于生命的起源至关重要。

由于事关重大，很容易理解为什么科学家们对确定一个确定的起源日期持谨慎态度。例如，苏黎世联邦理工学院的地球物理学家保罗·塔克利（Paul Tackley）不同意格雷伯最新的解释。他坚持认为，长英质岩石可以在镁铁质岩石沉入地球深处的任何时候形成——而不仅仅是在俯冲带。例如，当火山爆发时，新释放的熔岩可以将镁铁质岩石向下推，直到它们被深深地埋藏起来，以至于在高地底压力和温度下融化，即使没有板块运动，也会转化为长英质岩石。

虽然格雷伯同意长英质岩石可以通过这种方式形成，但他认为，如此高的长英质与镁铁质的比例不能仅用塔克利的解释来解释。奥尼尔和科雷纳加同意格雷伯的观点，即俯冲是最可能的因素。但这并不一定意味着俯冲——以及因此的板块构造——正在全球范围内发生。相反，许多专家推测，早期的板块构造活动可能更具间歇性，在成为一个持续和全球性的过程之前，多次局部地开始和停止。唯一确定的方法是分析更多的沉积物——格雷伯希望在未来做到这一点。