科学家确定地球板块构造形成时间：推动复杂生命的演化

北京时间 5 月 25 日消息，新的数据表明，地球表面在 32 亿年前发生了破裂，而这一发现或许将有助于阐明板块构造如何推动复杂生命的演化。

2016 年，地球化学家乔纳斯・图什和卡斯滕・蒙克从澳大利亚内陆敲打、采集了 1000 磅的岩石，并将其空运回德国科隆。经过 5 年的切割、破碎、溶解和分析，他们从这些岩石中发现了一个隐藏了数十亿年的秘密：板块构造运动开始的年代。

（左起）形成于 34.3 亿、32.4 亿、31.8 亿、30.7 亿和 27.4 亿年前的火成岩，跨越了板块构造开始之前和之后的时期

地球表层坚硬的岩石圈并非整体一块，而是由紧密连接的板块拼合而成，这在太阳系中是独一无二的。近年来，科学家越来越多地将这些板块与地球的其他特征联系起来，如稳定的大气层、保护性的磁场和复杂的生命，等等。然而，长期以来，地质学家们一直在争论地壳何时分裂成板块的确切时间，提出了各种相互矛盾的假说，有人认为这场分裂发生在地球 45 亿年历史的最初 10 亿年间，也有人认为发生在最近 10 亿年中的某个时期。想要了解板块构造如何影响地球上其他一切事物，确切估计这一时间有着重要的意义。

构造板块的扩张、碰撞和俯冲不仅仅塑造了地球的地理特征。在地球表面，物质的循环有助于调节气候，而大陆和山脉的形成则为生态系统注入了重要的营养物质。事实上，如果板块构造开始的时间足够早的话，它可能会成为复杂生命演化的主要驱动力。或许我们可以更进一步，漂移的板块可能也是遥远的地外行星上高级生命存在的先决条件。

乔纳斯・图什（左）和卡斯滕・蒙克（右）在澳大利亚皮尔布拉用大锤敲打、采集太古宙的岩石样品

澳大利亚阿德莱德大学的地质学家艾伦・柯林斯表示，乔纳斯・图什和卡斯滕・蒙克等人在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表的澳大利亚内陆岩石研究结果，已经捕捉到了板块构造出现时的“快照”。研究小组对岩石中钨同位素的分析显示，地球大约在 32 亿年前正好处于向板块构造过渡的过程中。

牛津大学的岩石学家理查德・佩林认为，这些发现支持了过去十年来的其他间接证据，它们都指向了这一时期。他说：“这支持了地质学界不断取得的共识，即大约 30 亿年前，板块构造开始在全球范围内出现。”

艾伦・柯林斯也说道：“有许多人从非常不同的角度，殊途同归，都提出了 32 亿年到 30 亿年的估计值。”

地球的引擎

当德国地质学家阿尔弗雷德・魏格纳在 1912 年首次提出大陆漂移理论时，他的大多数同行都认为这是十分荒谬的。巨大的陆地是如何移动的？魏格纳本人也无法确定驱动大陆漂移的机制。事实上，直到 50 年之后，地质学家才弄清楚地幔 —— 地壳和地核之间厚厚的热岩层 —— 内部的对流会如何推动地球表层板块的移动。他们最终发现，这些板块 ——15 个主要板块和几十个较小的板块 —— 在大洋中脊分散开来，随着地幔流动而移动，在边缘相互摩擦，并在“俯冲带”处俯冲回地幔中。

地球板块由 15 个主要板块和几十个较小的板块组成，它们在大洋中脊分散开来，随着地幔流动而移动，在边缘相互摩擦，并在“俯冲带”处俯冲回地幔中

加州大学洛杉矶分校的地球物理学家卡罗莱娜・利斯戈 - 贝尔泰洛尼说：“板块构造给出了一种非常有条理的地表移动方式。通过板块构造理论，你就能明白为什么有些地方地震频发，为什么有些地方会有高大的山峰。”

在此后的几十年里，科学家们逐渐认识到，地球的大气层、磁场、稳定的气候和生物多样性都与板块构造有关。“（板块构造）使我们的星球以它自己的方式运转，”利斯戈 - 贝尔泰罗尼说道。

首先，板块构造帮助地球在数十亿年里保持了适宜居住的气候，尽管太阳在这段时间里逐渐变亮。地球的适宜气候主要是由空气中的二氧化碳与硅酸盐矿物之间的化学反应造就的，后者通过将二氧化碳埋在沉积物中，缓慢地降低了大气中温室气体的水平。大部分的硅酸盐 — 二氧化碳反应发生在板块碰撞所形成的山坡上。

地质学家在澳大利亚西北部的皮尔布拉克拉通进行实地考察，那里有一些保存最完好的地球早期岩石

此外，地幔、地壳、海洋和大气之间的物质循环确保了对生命必需元素的持续供应。板块构造使地幔更加精细，使得像磷这样的元素在大陆地壳的表面积累。当山脉风化并被冲进大海时，这些元素又为海水中的生命提供了养分。此外，大陆本身也为新物种提供了充满阳光的环境。

同样重要的是，地幔对流让热量从地核逸出，帮助地核产生磁场。地球磁场的范围可延伸至太空深处，保护大气层不受太阳风暴的侵蚀。

不过，在地球诞生初期，情况却是截然不同的。放射性衰变使早期地球内部的温度比现在高得多，因此当时的地壳呈松软状态。几十年来，科学家们一直在争论地核何时冷却至足够的温度，可以使地壳硬化成板块，然后开始移动、分裂、碰撞和俯冲。利斯戈 - 贝尔泰罗尼指出，了解这一决定性的转变何时发生，“将使我们更好地理解生命演化中的某些变化，地球是如何形成现在这样的系统的…… 我们的星球如今又是如何运作的”。

岩石内部的记录

破解地球的“成形期”是相当很困难的挑战。数十亿年前的岩石不仅罕见，而且在漫长的时间中不断受到板块运动的影响。这些岩石可能会给出杂乱而具有误导性的历史信息。

一些科学家认为，板块构造运动至少从 40 亿年前就开始了。他们的研究基于具有 40 亿年历史的微小晶体，这些晶体的化学性质类似于俯冲带中产生的现代岩石。但其他研究者反驳称，这些晶体也可能是以其他方式形成的。

澳大利亚皮尔布拉的科马提岩，年代为 32.7 亿年前。岩石中细长的晶体 —— 质地类似附近的鬟刺属植物 —— 是在超热岩浆喷发并迅速冷却时形成的。科马提岩只发现于 25 亿年前或更早时期，被认为是地幔温度显著升高的证据

还有研究者提出，从地质学的角度，板块构造是在最近历史中才出现的。他们指出，在现代板块碰撞区形成的已知岩石类型，其存在时间似乎从来没有超过 7 亿年。这种观点认为，如果这些岩石中找不到更加古老的样本，那么板块构造的历史也一定不会太久。

不过，这些岩石的外观可能反映的是板块构造开始后发生的变化，例如地球内部的缓慢冷却。研究者表示，在某种程度上，对时间的分歧说明了板块构造本身也会随着时间而逐渐发生变化。与其说板块构造经历了从“关闭”到“开启”的突然转变，不如说构造活动更可能是逐渐演变成了现代的形式。

无论如何，过去十年中收集的大量数据表明，这种演变的一个重要转折点发生在约 32 亿年前的太古宙中期。研究者找到了一些表明这种转变的证据。地球化学示踪研究表明，氧气、二氧化碳和水在那之后开始在大气和地幔之间移动。稳定的大陆地壳的体积也大幅增加。只有在那之后形成的钻石才含有榴辉岩杂质，这是一种由从地球表面矿物侵入地壳深部或地幔而形成的岩石。另一方面，一种被称为科马提岩的超镁铁质熔岩开始从岩石记录中消失。这种喷出岩在喷发时非常热，其消失进一步表明地幔已经开始循环。

2020 年，两篇由不同团队发表的长篇论文讨论了这些证据，并独立得出结论，认为板块构造运动始于约 32 亿年前。不过，地球的记录仍然模糊不清，在一些人看来，这场争论还在继续。柯林斯表示，越来越多的研究者在这一问题上取得了共识，而与钨有关的新研究又提供了一个支持该论点的“化学指纹”。

来自地球“婴儿期”的信号

2015 年，乔纳斯・图什和卡斯滕・蒙克在德国科隆大学设计了一种探索板块构造起源的新方法。他们集中研究钨 - 182，这是钨的 4 种稳定同位素之一（钨还有另一种半衰期特别长的放射性同位素钨 - 180），是由铪 - 182 在太阳系形成后 6000 万年内的放射性衰变形成的。“这是地球最初 6000 万年的遗留，”蒙克说。

在地球早期的岩石中，钨 - 182 同位素应该是相对丰富的。然而，一旦板块构造运动开始，地幔的对流搅动就会使钨 - 182 与其他 4 种钨同位素混合，使岩石中的钨 - 182 含量均匀降低。图什和蒙克开发了一种有效的新方法，可以从古代岩石中提取微量的钨。他们的下一步便是寻找可供分析的岩石。

为了分析古代岩石中的钨同位素比率，地质学家们用离子交换色谱法提取了岩石中的钨。溶解的岩石样品被加到酸性溶液中，导致不同元素的垂直分离

一开始，他们分析了在格陵兰岛西部 Isua 地区采集的太古宙岩石。图什花了 11 个月的时间分析这些样品，最终发现钨 - 182 数据是平稳的，样品之间没有显著的变化。研究人员推测，格陵兰岛的岩石在历史上发生过变形和加热，扰乱了其内部的地球化学信息。

他们需要找到更好的岩石，于是，他们来到了澳大利亚西澳大利亚州的皮尔布拉。“这里拥有全世界保存最完好的太古宙岩石，”蒙克说，“与那个时代的类似岩石相比，它们没有经历过多的加热过程。”

图什说：“我真的很想找到不会反复呈现相同数值的样品。”在新南威尔士大学的马丁・范克南登克的指导下，研究小组开着越野车在澳洲内陆地区穿行，看到了露出地面的铁锈红色古火山岩层，上面还长着鬟刺属植物。这些植物含有二氧化硅，质地刚硬，除了白蚁外，几乎没有其他动物能以之为食。研究人员从 27 亿到 35 亿年前形成的岩石和熔岩中采集了大约 5 吨的样品。

回到德国，乔纳斯・图什开始了工作。他用岩石锯取出每个样品内的新鲜岩石，将一些薄片抛光至人类头发的一半宽度，使它们在显微镜下呈半透明。然后，他将剩下的样品粉碎，浓缩，然后用质谱仪分析钨的同位素比率。

经过近两年的分析，结果逐渐浮出水面。这次的同位素比率出现了变化，令研究人员感到很惊喜。在 33 亿年前形成的岩石中，钨 - 182 的浓度开始时较高，表明地幔还没有混合；然后，在 2 亿多年的时间里，钨 - 182 数值逐渐下降，直到 31 亿年前达到今天的水平。这种下降反映了古老的钨 - 182 信号出现了稀释，因为皮尔布拉下面的地幔开始混合。这种混合表明板块构造已经开始。

很快，地球就将从一个像冰岛一样遍布火山岛的水世界，变成一个拥有山脉、河流、洪泛区、湖泊和浅海的大陆世界。

一个为生命创造的新世界

在大约 32 亿年前开始之后，板块构造又将如何影响地球上的生命？

早在 39 亿年前，地球上就出现了生命；34.8 亿年前，生命在皮尔布拉的沉积物中堆成了一个个小圆丘，称为叠层石。这一现象表明，在最基本的层面上，板块构造并不是生命存在的先决条件。然而，当板块构造运动开始时，生命也开始变得多样化，这很可能不是巧合。

随着板块构造的发展，阳光普照的浅海和充满大陆岩石风化养分的湖泊逐渐形成。细菌在这些环境中不断演化，通过光合作用获取太阳能，产生氧气。在接下来的 5 亿年里，这些氧气在天空中几乎只保留了一小部分，部分原因是氧气会立即与铁和其他化学物质发生反应。此外，光合作用中产生的每个氧分子都与一个碳原子相匹配，从而很容易重新组合成二氧化碳。换句话说，大气中的氧气并没有净增加，除非碳被埋藏起来。

渐渐地，板块构造运动提供的土地和沉积物埋藏了越来越多的碳，同时也提供了大量的磷，刺激了光合细菌的生长。地球大气最终在 24 亿年前充满了氧气。

化石记录显示，大约 5.4 亿年前，复杂多样的动物出现了大爆发。三叶虫是那个时代数量最多、最具代表性的生物类群之一。图中是一个三叶虫的化石，这类具有“盔甲”的动物繁盛了数千万年

氧气为地球上的植物、动物和几乎所有以氧为基础的新陈代谢提供了条件。比微生物更大、更复杂的生命需要更多的能量，而在有氧气的情况下，生物体可以制造出更多携带能量的分子 —— 三磷酸腺苷（ATP）。美国麻省理工学院的阿西娜・埃斯特说：“对于我们所知的复杂生命而言，氧气至关重要，”。

在所谓的“无聊十亿年”（boring billion）当中，生命复杂性的发展似乎停滞了。“无聊十亿年”是古生物学家马丁・布拉西尔提出的从 18 亿年前到 8 亿年前的地球历史时期，属于远古宙，表现为环境、生物演化和岩石圈异乎寻常的稳定。在这十亿年间，经历了哥伦比亚超大陆和罗迪尼亚超大陆的演进。北京大学的唐铭等研究者认为，随着洋陆的稳定，山脉被完全侵蚀，减少了流入海洋的营养物质，导致氧气水平下降。

最终，超级大陆分裂，促使新的山脉开始生长，并再次输出营养物质。直到那时 —— 大约 6 亿年前 —— 复杂的生物才开始多样化，其体型也随着地球第二次含氧量的上升而变得更大。5 亿 4000 万年前，复杂的动物生命在海洋中爆发，不久后也在陆地上爆发。此时干燥的陆地变得适合居住，因为平流层中的氧气形成了臭氧，可以保护陆地生物免受紫外线辐射。

“一种可能的情况是，许多其他行星都出现了类似地球太古宙的世界，可能在没有板块构造的情况下同样出现了生命，”阿西娜・埃斯特说，“但在一个没有板块构造运动的行星上，可能很难会有复杂的生命。”

以火星为例。在最初的十亿年里，火星和地球非常相似，但火星从未形成板块构造，可能是因为它比地球小，其内部压力不足以驱动地幔的大规模对流。相反，火星迅速形成了一层不利于形成活动板块的厚地壳。今天，火星呈现锈红色，几乎没有地表水，没有磁场，也没有大气。如果不是板块构造，这可能也是地球的命运。

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