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科學家確定板塊構造形成時間:推動復雜生命的演化
發布時間:2021-09-23     作者:   來源:科普中國   分享到:

       新的數據表明,地球表面在32億年前發生了破裂,而這一發現或許將有助于闡明板塊構造如何推動復雜生命的演化。

  2016年,地球化學家喬納斯·圖什和卡斯滕·蒙克從澳大利亞內陸敲打、采集了1000磅的巖石,并將其空運回德國科隆。經過5年的切割、破碎、溶解和分析,他們從這些巖石中發現了一個隱藏了數十億年的秘密:板塊構造運動開始的年代。

  地球表層堅硬的巖石圈并非整體一塊,而是由緊密連接的板塊拼合而成,這在太陽系中是獨一無二的。近年來,科學家越來越多地將這些板塊與地球的其他特征聯系起來,如穩定的大氣層、保護性的磁場和復雜的生命,等等。然而,長期以來,地質學家們一直在爭論地殼何時分裂成板塊的確切時間,提出了各種相互矛盾的假說,有人認為這場分裂發生在地球45億年歷史的最初10億年間,也有人認為發生在最近10億年中的某個時期。想要了解板塊構造如何影響地球上其他一切事物,確切估計這一時間有著重要的意義。

  構造板塊的擴張、碰撞和俯沖不僅僅塑造了地球的地理特征。在地球表面,物質的循環有助于調節氣候,而大陸和山脈的形成則為生態系統注入了重要的營養物質。事實上,如果板塊構造開始的時間足夠早的話,它可能會成為復雜生命演化的主要驅動力。或許我們可以更進一步,漂移的板塊可能也是遙遠的地外行星上高級生命存在的先決條件。

  澳大利亞阿德萊德大學的地質學家艾倫·柯林斯表示,喬納斯·圖什和卡斯滕·蒙克等人在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上發表的澳大利亞內陸巖石研究結果,已經捕捉到了板塊構造出現時的“快照”。研究小組對巖石中鎢同位素的分析顯示,地球大約在32億年前正好處于向板塊構造過渡的過程中。

  牛津大學的巖石學家理查德·佩林認為,這些發現支持了過去十年來的其他間接證據,它們都指向了這一時期。他說:“這支持了地質學界不斷取得的共識,即大約30億年前,板塊構造開始在全球范圍內出現。”

  艾倫·柯林斯也說道:“有許多人從非常不同的角度,殊途同歸,都提出了32億年到30億年的估計值。”

  地球的引擎 

  當德國地質學家阿爾弗雷德·魏格納在1912年首次提出大陸漂移理論時,他的大多數同行都認為這是十分荒謬的。巨大的陸地是如何移動的?魏格納本人也無法確定驅動大陸漂移的機制。事實上,直到50年之后,地質學家才弄清楚地幔——地殼和地核之間厚厚的熱巖層——內部的對流會如何推動地球表層板塊的移動。他們最終發現,這些板塊——15個主要板塊和幾十個較小的板塊——在大洋中脊分散開來,隨著地幔流動而移動,在邊緣相互摩擦,并在“俯沖帶”處俯沖回地幔中。

  加州大學洛杉磯分校的地球物理學家卡羅萊娜·利斯戈-貝爾泰洛尼說:“板塊構造給出了一種非常有條理的地表移動方式。通過板塊構造理論,你就能明白為什么有些地方地震頻發,為什么有些地方會有高大的山峰。”

  在此后的幾十年里,科學家們逐漸認識到,地球的大氣層、磁場、穩定的氣候和生物多樣性都與板塊構造有關。“(板塊構造)使我們的星球以它自己的方式運轉,”利斯戈-貝爾泰羅尼說道。

  首先,板塊構造幫助地球在數十億年里保持了適宜居住的氣候,盡管太陽在這段時間里逐漸變亮。地球的適宜氣候主要是由空氣中的二氧化碳與硅酸鹽礦物之間的化學反應造就的,后者通過將二氧化碳埋在沉積物中,緩慢地降低了大氣中溫室氣體的水平。大部分的硅酸鹽—二氧化碳反應發生在板塊碰撞所形成的山坡上。

  此外,地幔、地殼、海洋和大氣之間的物質循環確保了對生命必需元素的持續供應。板塊構造使地幔更加精細,使得像磷這樣的元素在大陸地殼的表面積累。當山脈風化并被沖進大海時,這些元素又為海水中的生命提供了養分。此外,大陸本身也為新物種提供了充滿陽光的環境。

  同樣重要的是,地幔對流讓熱量從地核逸出,幫助地核產生磁場。地球磁場的范圍可延伸至太空深處,保護大氣層不受太陽風暴的侵蝕。

  不過,在地球誕生初期,情況卻是截然不同的。放射性衰變使早期地球內部的溫度比現在高得多,因此當時的地殼呈松軟狀態。幾十年來,科學家們一直在爭論地核何時冷卻至足夠的溫度,可以使地殼硬化成板塊,然后開始移動、分裂、碰撞和俯沖。利斯戈-貝爾泰羅尼指出,了解這一決定性的轉變何時發生,“將使我們更好地理解生命演化中的某些變化,地球是如何形成現在這樣的系統的……我們的星球如今又是如何運作的”。

  巖石內部的記錄 

  破解地球的“成形期”是相當很困難的挑戰。數十億年前的巖石不僅罕見,而且在漫長的時間中不斷受到板塊運動的影響。這些巖石可能會給出雜亂而具有誤導性的歷史信息。

  一些科學家認為,板塊構造運動至少從40億年前就開始了。他們的研究基于具有40億年歷史的微小晶體,這些晶體的化學性質類似于俯沖帶中產生的現代巖石。但其他研究者反駁稱,這些晶體也可能是以其他方式形成的。

  還有研究者提出,從地質學的角度,板塊構造是在最近歷史中才出現的。他們指出,在現代板塊碰撞區形成的已知巖石類型,其存在時間似乎從來沒有超過7億年。這種觀點認為,如果這些巖石中找不到更加古老的樣本,那么板塊構造的歷史也一定不會太久。

  不過,這些巖石的外觀可能反映的是板塊構造開始后發生的變化,例如地球內部的緩慢冷卻。研究者表示,在某種程度上,對時間的分歧說明了板塊構造本身也會隨著時間而逐漸發生變化。與其說板塊構造經歷了從“關閉”到“開啟”的突然轉變,不如說構造活動更可能是逐漸演變成了現代的形式。

  無論如何,過去十年中收集的大量數據表明,這種演變的一個重要轉折點發生在約32億年前的太古宙中期。研究者找到了一些表明這種轉變的證據。地球化學示蹤研究表明,氧氣、二氧化碳和水在那之后開始在大氣和地幔之間移動。穩定的大陸地殼的體積也大幅增加。只有在那之后形成的鉆石才含有榴輝巖雜質,這是一種由從地球表面礦物侵入地殼深部或地幔而形成的巖石。另一方面,一種被稱為科馬提巖的超鎂鐵質熔巖開始從巖石記錄中消失。這種噴出巖在噴發時非常熱,其消失進一步表明地幔已經開始循環。

  2020年,兩篇由不同團隊發表的長篇論文討論了這些證據,并獨立得出結論,認為板塊構造運動始于約32億年前。不過,地球的記錄仍然模糊不清,在一些人看來,這場爭論還在繼續。柯林斯表示,越來越多的研究者在這一問題上取得了共識,而與鎢有關的新研究又提供了一個支持該論點的“化學指紋”。

  來自地球“嬰兒期”的信號 

  2015年,喬納斯·圖什和卡斯滕·蒙克在德國科隆大學設計了一種探索板塊構造起源的新方法。他們集中研究鎢-182,這是鎢的4種穩定同位素之一(鎢還有另一種半衰期特別長的放射性同位素鎢-180),是由鉿-182在太陽系形成后6000萬年內的放射性衰變形成的。“這是地球最初6000萬年的遺留,”蒙克說。

  在地球早期的巖石中,鎢-182同位素應該是相對豐富的。然而,一旦板塊構造運動開始,地幔的對流攪動就會使鎢-182與其他4種鎢同位素混合,使巖石中的鎢-182含量均勻降低。圖什和蒙克開發了一種有效的新方法,可以從古代巖石中提取微量的鎢。他們的下一步便是尋找可供分析的巖石。

  一開始,他們分析了在格陵蘭島西部Isua地區采集的太古宙巖石。圖什花了11個月的時間分析這些樣品,最終發現鎢-182數據是平穩的,樣品之間沒有顯著的變化。研究人員推測,格陵蘭島的巖石在歷史上發生過變形和加熱,擾亂了其內部的地球化學信息。

  他們需要找到更好的巖石,于是,他們來到了澳大利亞西澳大利亞州的皮爾布拉。“這里擁有全世界保存最完好的太古宙巖石,”蒙克說,“與那個時代的類似巖石相比,它們沒有經歷過多的加熱過程。”

  圖什說:“我真的很想找到不會反復呈現相同數值的樣品。”在新南威爾士大學的馬丁·范克南登克的指導下,研究小組開著越野車在澳洲內陸地區穿行,看到了露出地面的鐵銹紅色古火山巖層,上面還長著鬟刺屬植物。這些植物含有二氧化硅,質地剛硬,除了白蟻外,幾乎沒有其他動物能以之為食。研究人員從27億到35億年前形成的巖石和熔巖中采集了大約5噸的樣品。

  回到德國,喬納斯·圖什開始了工作。他用巖石鋸取出每個樣品內的新鮮巖石,將一些薄片拋光至人類頭發的一半寬度,使它們在顯微鏡下呈半透明。然后,他將剩下的樣品粉碎,濃縮,然后用質譜儀分析鎢的同位素比率。

  經過近兩年的分析,結果逐漸浮出水面。這次的同位素比率出現了變化,令研究人員感到很驚喜。在33億年前形成的巖石中,鎢-182的濃度開始時較高,表明地幔還沒有混合;然后,在2億多年的時間里,鎢-182數值逐漸下降,直到31億年前達到今天的水平。這種下降反映了古老的鎢-182信號出現了稀釋,因為皮爾布拉下面的地幔開始混合。這種混合表明板塊構造已經開始。

  很快,地球就將從一個像冰島一樣遍布火山島的水世界,變成一個擁有山脈、河流、洪泛區、湖泊和淺海的大陸世界。

  一個為生命創造的新世界 

  在大約32億年前開始之后,板塊構造又將如何影響地球上的生命?

  早在39億年前,地球上就出現了生命;34.8億年前,生命在皮爾布拉的沉積物中堆成了一個個小圓丘,稱為疊層石。這一現象表明,在最基本的層面上,板塊構造并不是生命存在的先決條件。然而,當板塊構造運動開始時,生命也開始變得多樣化,這很可能不是巧合。

  隨著板塊構造的發展,陽光普照的淺海和充滿大陸巖石風化養分的湖泊逐漸形成。細菌在這些環境中不斷演化,通過光合作用獲取太陽能,產生氧氣。在接下來的5億年里,這些氧氣在天空中幾乎只保留了一小部分,部分原因是氧氣會立即與鐵和其他化學物質發生反應。此外,光合作用中產生的每個氧分子都與一個碳原子相匹配,從而很容易重新組合成二氧化碳。換句話說,大氣中的氧氣并沒有凈增加,除非碳被埋藏起來。

  漸漸地,板塊構造運動提供的土地和沉積物埋藏了越來越多的碳,同時也提供了大量的磷,刺激了光合細菌的生長。地球大氣最終在24億年前充滿了氧氣。

  氧氣為地球上的植物、動物和幾乎所有以氧為基礎的新陳代謝提供了條件。比微生物更大、更復雜的生命需要更多的能量,而在有氧氣的情況下,生物體可以制造出更多攜帶能量的分子——三磷酸腺苷(ATP)。美國麻省理工學院的阿西娜·埃斯特說:“對于我們所知的復雜生命而言,氧氣至關重要,”。

  在所謂的“無聊十億年”(boring billion)當中,生命復雜性的發展似乎停滯了。“無聊十億年”是古生物學家馬丁·布拉西爾提出的從18億年前到8億年前的地球歷史時期,屬于遠古宙,表現為環境、生物演化和巖石圈異乎尋常的穩定。在這十億年間,經歷了哥倫比亞超大陸和羅迪尼亞超大陸的演進。北京大學的唐銘等研究者認為,隨著洋陸的穩定,山脈被完全侵蝕,減少了流入海洋的營養物質,導致氧氣水平下降。

  最終,超級大陸分裂,促使新的山脈開始生長,并再次輸出營養物質。直到那時——大約6億年前——復雜的生物才開始多樣化,其體型也隨著地球第二次含氧量的上升而變得更大。5億4000萬年前,復雜的動物生命在海洋中爆發,不久后也在陸地上爆發。此時干燥的陸地變得適合居住,因為平流層中的氧氣形成了臭氧,可以保護陸地生物免受紫外線輻射。

  “一種可能的情況是,許多其他行星都出現了類似地球太古宙的世界,可能在沒有板塊構造的情況下同樣出現了生命,”阿西娜·埃斯特說,“但在一個沒有板塊構造運動的行星上,可能很難會有復雜的生命。”

  以火星為例。在最初的十億年里,火星和地球非常相似,但火星從未形成板塊構造,可能是因為它比地球小,其內部壓力不足以驅動地幔的大規模對流。相反,火星迅速形成了一層不利于形成活動板塊的厚地殼。今天,火星呈現銹紅色,幾乎沒有地表水,沒有磁場,也沒有大氣。如果不是板塊構造,這可能也是地球的命運。(任天)


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