地球之谜：板块构造始于何时？|《自然》长文

原文作者：Michael Marshall

2023年2月6日，土耳其南部的一条主断层突然开始活动，使地球外壳出现了严重破裂。安纳托利亚半岛相对阿拉伯半岛向西南方向滑动了11米之远。这是近现代历史上极具毁灭性的一场地震，有近6万人在灾难中丧生。

之所以会发生此类地震，是因为地壳分成了数个不断移动的构造板块。板块构造的驱动力几乎参与塑造了地球上从气候到生命演化的一切。

尽管如此重要，但板块构造仍然存在一些未解之谜。自21世纪初，地质学家就在收集数据，试图弄清板块构造是何时以及如何启动的。但这些研究得到了许多相互矛盾的结果。马里兰大学的岩石学家Michael Brown表示：“30个研究人员就有30种专长方向，结果可能得出30个不同的结论。”

“板块构造控制着现今的地球系统，并造就了地球这个宜居星球，该过程的起始时间存在巨大的不确定性。”澳大利亚蒙纳士大学的Peter Cawood说。他说不同研究人员得出的起始时间差异非常大——贯穿了地球45亿年历史的85%。

然而，共识正在慢慢形成。通过筛选多年的研究数据，研究人员正设法理解各种分析。尽管仍有许多不确定性，但板块构造的历史终于开始显现。

自上世纪60年代，地球科学家们就认识到地球的外壳——岩石圈并不是一整块，而是由一系列相互挤压、位置逐渐变化的岩石板块构成。数百万年来，海洋扩张又收缩，大陆不断移动，有时汇聚形成广阔的超大陆。板块的古老部分沉入地幔，参与物质循环。沉入的岩石与地幔的其他部分——地壳下方的半熔融层混合。

“地球是已知唯一一个存在板块构造的星球。”哈佛大学地质学家Nadja Drabon说。而地球也是已知唯一一个有生命居住的星球，这或许并非偶然：岩石和矿物的不断移动和再循环向海洋中释放营养成分，创造了生命的栖息地。“这对于地球的适居性十分重要。”

地球在45亿年前形成时比今天热得多：新生地球的表面很可能被岩浆海覆盖，或许和詹姆斯·韦伯空间望远镜观测的行星——巨蟹座55e（55 Cancri e）类似。最终，地壳冷却固化并破裂成多个板块，板块开始相互挤压，在地球表面迁移。重要的问题是：这一切是什么时候开始的？

来自这一时期的直接证据几乎不可能找到，因为早期形成的岩石大部分早已俯冲进入地球内部，被压碎并熔化了。从45亿多年前地球形成到40亿年前的地质历史时期被称为冥古宙，人们对这一时期的认识极为模糊。“冥古宙没有岩石记录。”Brown说。留下的只有一些微小的锆石晶体，这些锆石是冥古宙岩石的残余成分，在之后的成岩过程中进入了更年轻的岩石。

紧接着冥古宙的地质历史时期叫做太古宙，它一直持续到25亿年前。该时期的地质记录相较冥古宙更多，但依然不完整。“如今暴露于地表的岩石中大概只有5%形成于太古宙。”Drabon说。

尽管存在上述挑战，但地质学家根据为数不多的信息推断出太古宙的情况有所不同。“部分岩石记录完全不同。”Brown说。留存下来岩石的化学组成表明，太古宙的地幔温度更高[1]：比如今的地幔“可能至少高100°C，甚至高250°C”。这意味着当时的地壳温度也更高，因此更软、密度更低。

这种情况与现今地球上的板块构造不相符，因为后者需要足够致密的刚性板块在俯冲带沉入地幔。这意味着早期地球不具有如今这样的板块构造。至于当时地球上有什么，仍然很不清楚。研究人员提出了一种可能的模型——“停滞盖层”：地壳分成多个不太移动的板块。另一种可能是，早期板块不像如今这般横向移动，而是受到岩浆上涌的推动上下移动。

长期以来，地质学家试图通过寻找俯冲的痕迹来弄清典型的板块构造是何时开始的。麻烦的是现有的数据指向多个方向。“但都无法提供明确的证据。”Cawood说。

然而，过去十年间学界正在逐步形成共识。在大约30亿年前，地球似乎发生了一次关键转变：多条证据表明，构造体制在这一时期经历了深刻变化。例如，2016年的一项研究发现，地壳组成大约在30亿年前开始变化[2]。更古老的岩石是镁铁质的，镁元素和铁元素含量很高，密度大。然而到25亿年前，岩石更多为长英质，二氧化硅含量更高，密度较小。更低的密度意味着板块能够负载厚大陆而不下沉。关键的是，长英质岩石仅在水和热存在时才会形成。如今这类岩石形成于俯冲带，因此30–25亿年前长英质岩石的出现意味着俯冲正在发生。

“关于这一点的研究很充分。”赫尔辛基大学地球物理学家Johanna Salminen说。多条证据表明约30亿年前发生了重大转变，她说。例如，保存下来的岩石中的金属同位素指示现代陆壳在这一时期开始形成[3]。然而，其他研究提出转变发生得更早。2017年，一项研究发现了35亿年前的长英质岩石的证据，因此俯冲开始的时间可能要往前推[4]。与此一致，2022年一项古地磁研究提供的证据显示，32.5亿年前构造板块就在以接近现代的速度水平移动[5]。

同年，Drabon和同事进一步前推了板块构造的起始时间。他们研究了南非巴伯顿绿岩带中的锆石晶体。这些锆石的年龄超过38亿年，保存了一块数亿年未遭受熔融的地壳的痕迹，这表明当时很少或没有俯冲发生。然而，年龄小于38亿年的锆石所指示的年轻地壳已经受到了俯冲作用的改造[6]。

多项研究指出俯冲发生远早于30亿年前，甚至可能在38亿年前。但早期俯冲的分布范围究竟有多广，这一问题存在大量争议。“其本质在于，俯冲何时成为一种全球性现象。”Brown说。许多证据所反映的早期俯冲似乎是局部性或短期的过程，他说。

针对这类撞击的模拟显示，一些幕次的俯冲可能是由陨石撞击引起的[7]。2022年一项关于太古宙陆壳的研究认为，直到至少27亿年前，俯冲都只是一种局部现象[8]。

与此相反，真正的板块构造是全球性的、连续的。这方面的确凿证据仅在约22亿年前出现，Brown说。那时候，上古超大陆——Nuna超大陆（或称为哥伦比亚超大陆）正在形成，反映了一次全球性过程[9]。

但即便在这之后，地球系统仍在不断变化。蓝片岩一类的岩石只有在致密的冷板块俯冲进入地幔时才会形成。而蓝片岩记录出现在近8亿年前，部分研究人员据此认为现代板块构造直到这时才开始。

为解释新发现的证据，2022年Cawood与其同事阐述了一种可能的情景，其中他们将地球历史分成了七个阶段。各阶段的持续时间从1亿多年到10亿年不等。每个阶段具有独特的岩石类型组合，反映了地壳和地幔行为的变化。该团队认为，25–18亿年前至今所发生的一切都是在“板块构造框架”下进行的[10]（见“板块构造的起源故事”）。

“我读到这篇论文时兴奋极了。”Drabon说。尽管各个阶段的确切细节仍然“有些尘埃未定”，她说，“不过我认为思路是对的。”

Drabon的团队在5月份发表的一项研究中补充了新的见解。她和同事们发现了34–33亿年前变形岩石的证据，表明当时存在造山作用[11]。

Cawood和同事们在7月发表的一篇综述当中收集了更多证据，支持太古宙存在短暂、局部的“俯冲的原始形式”。28–26亿年前，这些孤立的俯冲带逐渐连接起来，形成一个全球网络[12]。

如今研究人员达成了新的共识，即板块构造的开始是在很长一段时间内发生的多阶段过程。“它不像电灯开关那样，”Brown说，“地球不是从非板块构造啪嗒切换到板块构造的。”