冥古宙的地球，也就是地球诞生之初的数亿年，于我们而言就像一个神秘黑箱。
由于地球表面本身就像一个巨大的循环回收系统，不断重复利用着自身的物质，如今已经很难找到年轻地球的地质记录。
早期地球艺术家畅想图。（图／NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image, CC BY）
但对地质学家来说幸运的是，一些罕见的岩石中带有来自年轻地球的“时间胶囊”，它们被称为锆石，这些微小的晶体仍有机会记录下年轻地球的故事。
根据近日发表在《美国地球物理学会进展》上的一项新研究，在南非发现的少量古老的锆石晶体，包含着一种被称为俯冲的地质过程的最古老证据，那正是板块构造的一个关键因素。这一发现为板块构造何时开始运动的辩论提供了一条新的线索。
板块构造运动的时间之谜
我们都知道，如果把地球剖开，它就像一个多层蛋糕，从最表面的地壳，再到熔融的地幔，最后是极端炽热的地核。地壳和它下面的地幔顶层被分成了刚性的板块，在黏稠但流动着的地幔之上缓缓移动。来自地核的热量驱动着这种缓慢但无法阻挡的运动。
板块构造示意图。（图／Pavel Bokr, Wikimedia Commons, CC BY）
在板块交界处，比如一个较薄的海洋板块，和一个较厚的大陆板块交汇的的地方，有可能出现一种“创造性的破坏”过程，也就是俯冲。海洋板块会插入陆地板块之下，不断熔化，并将海洋地壳回收到地球内部。这类地壳系统的动态过程正是火山、地震和山脉隆起背后的原因。无论是著名的安迪斯山脉，还是环太平洋火山带，它们都是现代俯冲作用的典型成果。
俯冲作用示意图。（图／Nikolas Midttun, CC BY）
但是，这种板块构造运动是从地球历史上的什么时间开始的，现代地壳形成的时间又在何时，各项研究给出的估计时间却大相径庭，从40多亿年前到仅仅8亿年前的说法层出不穷。这种不确定性正是来自早期地球地质记录的匮乏。
时间胶囊的秘密
在解开这个谜团的过程中，2018年，研究团队从南非巴伯顿绿岩带的一块罕见的古老地壳中，发掘出了33个微型锆石晶体。这些晶体就像一系列按时间排列的时间胶囊，分别于不同时间形成，跨越了41.5亿年前到33亿年前的关键时期。
南非古老的巴伯顿绿岩带发现了微小的锆石晶体。（图／Nadja Drabon, AGU）
锆石是地壳中相对常见的一种副矿物，这类微观晶体一般在地球内部的岩浆中形成，通过各种地质过程被带到了地球表面，由于它们本身坚硬的特性，往往能经受得住极端的考验，留存很长时间。因此它们可以作为地质学研究的绝佳材料。
但是，来自40至45.6亿年前冥古宙的古老代表仍旧非常罕见。绿岩带锆石中保存的铪同位素和微量元素，讲述了它们结晶时地球上的情况。38亿年前和更年轻一点儿的锆石，似乎是在一些不同寻常的岩石中形成的，这些岩石可能经历了类似现代俯冲区的压强和熔融过程。这表明，此时的地壳可能已经开始移动。
与之形成对比的是，较古老的锆石则保留了全球“原地壳”的证据，这些原地壳来自重熔的地幔岩，它们已经稳定了6亿年。
科学家还注意到，在世界其他地方的锆石中，也出现了过渡到类似于现代俯冲的条件，它们大多可以追溯到南非锆石形成前后的约2亿年内。
也就是说，在大约36到38亿年前，地球出现了一个戏剧性的转变，全球地壳变得不再稳定，多处地方出现了从稳定的原地壳到类似现代俯冲的压强和过程。新的岩石形成，地球化学特征变得越来越类似于我们在现代板块构造中看到的东西。
全球变化的迹象
虽然这些还不能算是决定性的证据，但这些结果已经暗示，在36亿到38亿年前，一种全球的重大变化可能已经开始，向板块构造的演化是一种明显的可能性。
板块构造改变了地球，它们塑造了地球的大气以及表面。火山气体的释放和新硅酸盐岩石的出现，消耗了大气中大量二氧化碳，极大缓和了因温室气体带来的大幅温度波动。它们很像一种气候的恒温器，如果没有所有的循环和新的地壳形成，我们这颗星球可能会在沸腾的高温和冰冷的低温之间不断波动。
更有意思的是，迄今为止，板块构造仅仅在地球上被观察到，因此它甚至可能是让地球变得宜居的一个关键因素。追溯板块构造运动的开端，了解这一过程的开始，也许有机会带来更多深远的发现。
#创作团队：
撰文：Gaviota
排版：雯雯
#参考来源：
https://news.agu.org/press-release/earliest-geochemical-evidence-of-plate-tectonics-found-in-3-8-billion-year-old-crystal
#图片来源：
封面图：piqsels
首图：Wayne Hsieh, Flickr, CC BY-NC-SA
发表于 2022-5-3 14:10
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