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去年2月6日，土耳其南部发生重大断层错动，地球外壳遭受了灾难性的破裂。安纳托利亚半岛突然向西南方向倾斜，相对于阿拉伯半岛倾斜了11米。近6万人死于现代最具破坏性的地震之一。 发生这样的地震是因为地壳被划分为不断移动的构造板块。板块构造背后的力量在决定地球的几乎所有方面都发挥了作用，从气候到生命的进化。 尽管板块构造很重要，但它仍然是一个谜。自21世纪初以来，地质学家一直在收集数据，寻找板块构造何时以及如何开始的答案。但这些研究产生了一系列往往相互矛盾的结果。马里兰大学帕克分校的岩石学学家迈克尔·布朗说：“就这个问题，你可以有30个人，有30个不同的专业，我们可能会得出30个不同答案。”。
澳大利亚墨尔本莫纳什大学的彼得·卡伍德说：“值得注意的是，今天控制地球系统并使我们的宜居星球成为可能的过程的开始时间存在不确定性。”。他说，这种不确定性是如此之大，以至于它涵盖了地球45亿年历史的85%。 然而，共识正慢慢开始形成。通过多年的数据筛选，研究人员正在寻找方法来理解各种分析。尽管仍存在许多不确定性，但板块构造的历史终于进入了人们的视野。 模糊的历史 自20世纪60年代以来，地球科学家已经认识到，地球的外壳——岩石圈——不是一个单一的固体块，而是一系列相互推挤并逐渐改变位置的岩石板块。数百万年来，海洋变宽变窄，大陆在世界各地移动，有时融合形成巨大的超级大陆。板块的旧部分沉入地球内部，在那里它们被回收利用。岩石与地球地幔的其他部分混合在一起，地幔是地壳下的半熔融层。
马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的地质学家大奔说：“地球是我们所知道的唯一具有板块构造的行星。”。地球也是唯一已知有生命存在的星球，这可能不是巧合：岩石和矿物的不断洗牌和回收将营养物质释放到海洋中，并为生命创造栖息地。“这对地球的宜居性非常重要。” 当地球在45亿年前形成时，它比今天热得多：新生的地球可能有一个岩浆海洋而不是一个固体表面，也许类似于詹姆斯·韦伯太空望远镜研究过的巨蟹座55号行星。最终，地壳冷却、固化，然后分裂成板块，这些板块开始相互推挤，并在地表周围迁移。最大的问题是：这一切是什么时候发生的？ 从这一时期找到直接证据的希望很小，因为早期形成的大多数岩石早已被俯冲到地球内部，在那里被熔化和压碎。从45亿多年前地球形成到40亿年前，冥古宙是所有地球历史中最模糊的一段时间。布朗说：“冥古宙没有岩石记录。”。剩下的只有被称为锆石的微小晶体，它们是冥古宙岩石的遗迹，后来被并入了较年轻的岩石中。 持续到25亿年前的太古宙地质记录更好，但仍然是零碎的。大奔说：“今天地表暴露的岩石中只有约5%是太古宙岩石。”。 尽管存在这一挑战，地质学家还是能够收集到太古宙的蛛丝马迹。布朗说：“岩石记录的部分内容完全不同。”。幸存岩石的化学成分表明，太古宙的地幔温度更高：“可能比现在至少高出100°C，也可能高达250°C”。这意味着地壳也更温暖，因此更柔软，密度更低。 这样的条件与当今地球上看到的板块构造不兼容，后者需要密度足够大的刚性板块在俯冲带沉入地幔。这意味着年轻的地球没有我们今天所理解的板块构造。相反，它拥有什么尚不清楚。一种可能性是“停滞的盖子”：地壳被分成板块，没有太大的移动。或者，板块可能已经上下移动，而不是像今天这样侧向移动，受到热岩涌升的冲击。 地质学家长期以来一直试图通过寻找俯冲的迹象来掌握一种更可识别的板块构造形式何时开始。问题在于，现有数据指向了许多方向。卡伍德说：“这些都没有提供明确的确凿证据。”。 从岩石中寻找答案 然而，在过去的十年里，人们已经达成了共识。一个关键的转变似乎发生在大约30亿年前：多条证据表明，此时构造体制发生了深刻的变化。例如，2016年的一项研究发现，地壳的成分在大约30亿年前开始发生变化。较老的岩石是镁铁质的：它们含有大量的镁和铁，而且很致密。然而，到25亿年前，岩石的长英质含量更高，这意味着它们含有更多的二氧化硅，密度更低。较低的密度意味着板块可以携带厚大陆而不会下沉。至关重要的是，长英质岩石只有在有水和热的情况下才能形成。今天，这些岩石是在俯冲带中形成的，因此30亿至25亿年前长英质岩石的出现意味着俯冲正在进行中。 赫尔辛基大学的地球物理学家赛密林说：“这已经得到了很好的研究。”。她说，几条证据表明，大约30亿年前发生了重大转变。例如，保存下来的岩石中的金属同位素表明，现代大陆地壳是在这个时候开始形成的。然而，其他研究甚至指出了更早的转变。2017年，一项研究发现，早在35亿年前就有长英质岩石的证据，这可能会推迟俯冲的开始。与此一致，2022年的一项古地磁研究发现，有证据表明构造板块在32.5亿年前以接近现代的速度水平移动。 同年，大奔和她的同事们进一步刷新了板块构造考试的时间。他们研究了南非Barberton绿岩带的锆石晶体。年龄超过38亿年的锆石保留了数亿年来没有融化的长寿命地壳的痕迹，这表明当时几乎没有或根本没有发生俯冲。然而，年龄小于38亿年的锆石似乎是一个较年轻地壳的一部分，这个地壳是通过俯冲作用重新形成的。 几项研究表明，俯冲早在30亿年前，甚至可能在38亿年前。但关于这种早期俯冲的广泛程度存在实质性的争论。布朗说：“我认为这是一个问题，你什么时候能第一次将其视为一种全球现象。”。他说，俯冲的许多早期证据似乎反映了局部或短暂的过程。 根据对此类撞击的模拟，一些俯冲事件可能是由陨石撞击引发的。2022年对太古宙大陆地壳的一项研究得出结论，俯冲至少在27亿年前是局部的。 相比之下，真正的板块构造是全球性的、连续的。布朗说，这方面的确凿证据大约在22亿年前才出现。当时，已知最古老的超级大陆，被称为努纳或哥伦比亚，正在形成，这反映了一个全球过程。 然而，即使在那之后，系统也在不断变化。蓝片岩等岩石只有在俯冲岩石既致密又寒冷时才能形成，因此会沉入地幔深处。它们仅在大约8亿年前出现在岩石记录中，这向一些研究人员表明，现代板块构造直到那时才开始。
为了理解新出现的证据，伍德和他的同事在2022年提出了一个可能的情景，他们描述了地球历史的七个阶段。这些阶段都有不同的持续时间，从1亿多年到10亿年不等。每种岩石类型都有特定的混合特征，反映了地壳和地幔行为的变化。
“当我读到那篇论文时，我真的很兴奋，”大奔说。尽管这些阶段的确切细节仍“有点悬而未决”，但她说，“我认为他们走在正确的轨道上。”
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