地質研究：板塊運動始於何時

圖片來源：Pixabay
研究人員測定了不同時期地殼中不同類型岩石所占的比例。盡管鎂鐵質岩石的比例恒定不變，但是長英質岩石的比例卻在約35億年前開始上升，同時，另一種稱作科馬提質岩石（komatiitic）的比例開始下降——這表明當時地質構造活動已經開始了。
地球在早期可能看起來像冰島，目力所及之處都是熔岩區，黝黑的山巒高聳入雲，黑色的沙灘勾勒出陸地的輪廓。不過漸漸地，地球上出現了一些較淺的顏色。如今，地球上還有顏色更淺的岩石，比如美國約塞米蒂國家公園（Yosemite National Park）半圓頂（Half Dome）的灰色花崗岩。雖然科學家目前還不確定這個變化是什麽時候開始的，不過新的證據縮小了可能的範圍。
一項最近的研究表明，這一變化可能在35億年前就已經開始了。盡管對該發現的爭論還很激烈，但是這有助於科學家理解地質板塊（即地麵以下很深處的、像拚圖一樣相互嵌合在一起的地殼板塊）什麽時候開始運動並向各個方向分散。這個觀點的核心在於，顏色淺的岩石本質上是顏色深的岩石“再生”而來的。簡而言之，當顏色深的岩石被擠壓進入地球深處時，比如，當一個構造板塊滑入另一個構造板塊下方，即發生“俯衝”（subduction）時，顏色淺的岩石就可能形成。由於地球在數十億年前就有大量的淺顏色岩石，因此研究人員推斷，當時板塊運動很可能已經開始了。


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為確定顏色淺的長英質岩石和顏色深的鎂鐵質岩石的比例，地質學家尼古拉斯·D·格雷貝爾（Nicolas D. Greber，目前就職於瑞士日內瓦大學）和同事分析了取自世界各地的共計78個沉積層的樣品。不過，這項工作並不是算算顏色深淺不同的石頭各有多少這麽簡單，因為這兩種岩石早已被侵蝕成了很細小的顆粒。格雷貝爾的研究團隊測定的是岩石中的鈦元素。盡管這兩種岩石中都含有鈦，但是當鎂鐵質岩石轉變成長英質岩石時，其中鈦同位素（同位素是指同種元素的不同原子，它們的質子數完全相同，僅中子數不同）的比例會發生變化。“這就好比我們把鹽和糖混在一起，”格雷貝爾解釋道，“分析後能告訴你，裏麵有多少糖、多少鹽”。之前他預想，迄今35億年的、最久遠的沉積層樣品，應當大部分都是鎂鐵質岩石顆粒。但讓他吃驚的是，大約有一半這類顆粒卻屬於長英質岩石。格雷貝爾團隊的這一發現已經發表在了《科學》雜誌上。
“主流觀點認為，35億年前的地球仍然被深色的鎂鐵質岩石所覆蓋，而該發現與這一觀點恰好相反”，美國耶魯大學地球物理學家是永純（Jun Korenaga，未參與此項研究）稱，“格雷貝爾團隊的研究方向讓人耳目一新，他們試圖顛覆這個領域，這樣的工作非常受歡迎”。


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長久以來，科學家一直在爭論板塊運動始於何時，預測時間從10億年至42億年前不等。加拿大渥太華大學的地球化學家喬納森·奧尼爾（Jonathan O’Neil，未參與此項研究）指出，雖然最近的一些研究把板塊構造開始的時間限製到了約30億年前，但科學界還沒就此達成共識。這對科學家了解地球早期的演化可是個大障礙。板塊移動會大幅重塑地球的形貌，不僅會形成海洋盆地和山脈，還會改變大氣和海洋的組成，從而影響當時地球上剛剛誕生的生命能夠獲得的養分。事實上，科學家認為板塊構造對於生命的形成起到決定性作用。
板塊運動是如此重要，因此科學家對於給出一個確切的起始時間慎之又慎，也就可以理解了。比如，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的地球物理學家保羅·塔克萊（Paul Tackley）並不讚同格雷貝爾提出的這一最新解釋。他認為，鎂鐵質岩石沉入地球深處後，任何時候都可能會形成長英質岩石，並不隻是在俯衝區才會形成。例如，火山噴發釋放的岩漿會把鎂鐵質岩石深深埋在地下，在極高的地下壓力和溫度下，這些鎂鐵質岩石會被熔化，進而轉變成長英質岩石，而這個過程並不需要板塊運動。
盡管格雷貝爾也同意長英質岩石可以這麽生成，但是他認為，塔克萊的說法沒法解釋為何長英質岩石在自然界中的占比會比鎂鐵質岩石高那麽多。奧尼爾和是永純也認為板塊俯衝是最可能的原因。但這並不意味著，在當時，板塊俯衝或板塊構造是個全球範圍的現象。相反，很多專家懷疑，早期的板塊構造活動很可能是時斷時續的，在某個局部斷斷續續多次後，才逐步變成連續的、全球範圍的。想要確認的唯一方法是分析更多的沉積樣本——而這正是格雷貝爾下一步打算去做的。
撰文：香農·霍爾（Shannon Hall）
翻譯：張哲
文章來源：環球科學


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