“化學(xué)指紋”揭開地球板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之謎

馮偉民

進(jìn)化雜談

一百多年前，德國(guó)科學(xué)家阿爾弗雷德·魏格納提出了大陸漂移學(xué)說(shuō)，他認(rèn)為，全世界的大陸在中生代之前曾是一個(gè)統(tǒng)一的整體，名為盤古大陸，它的周圍是遼闊的海洋。這塊原始大陸在天體引潮力和地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力作用下，破裂成若干塊，逐漸形成今日世界上大洲和大洋的分布格局。

大陸漂移學(xué)說(shuō)一經(jīng)推出，震驚了學(xué)術(shù)界。人類第一次將疑惑的目光投向了腳底那片堅(jiān)硬的巖石。大陸真能移動(dòng)嗎？板塊是地球形成中與生俱來(lái)的，還是在地球演化到某個(gè)階段孕育而生的？

隨著古氣候、古生物、古礦物和其他地質(zhì)學(xué)證據(jù)的不斷積累，特別是海底擴(kuò)張理論的提出和全球板塊構(gòu)造的建立，一場(chǎng)地質(zhì)學(xué)的革命打開了人類對(duì)地球的認(rèn)知。長(zhǎng)期以來(lái)，深受科學(xué)家關(guān)注和探究的這一真相，正在逐漸被披露出來(lái)。

地殼最初并不剛硬

地球表層堅(jiān)硬的巖石圈并非一塊整體，而是由緊密連接的板塊拼合而成。整個(gè)巖石圈由太平洋板塊、歐亞板塊、印度洋板塊、非洲板塊、美洲板塊和南極洲板塊六大板塊組成，大板塊又由一系列中小板塊組成。

作為板塊誕生之地，當(dāng)大洋中脊噴涌而出的巖漿冷卻后，形成的板塊向兩側(cè)離散開，隨著上地幔軟流層流動(dòng)而移動(dòng)，并在大陸邊緣的“俯沖帶”處下沉，隱沒(méi)于地幔中。這在太陽(yáng)系的行星中是獨(dú)一無(wú)二的。

地球最初的地殼并不剛硬，只有地核冷卻至一定溫度，才能使地殼硬化成板塊，然后開始移動(dòng)、分裂、碰撞和俯沖。這一關(guān)鍵性轉(zhuǎn)變的發(fā)生時(shí)間，勢(shì)必將影響我們對(duì)地球如何演變成當(dāng)今模樣的理解。

科學(xué)家力圖找到表明這種轉(zhuǎn)變的證據(jù)。有關(guān)地球化學(xué)示蹤研究顯示，氧氣、二氧化碳和水在板塊出現(xiàn)后開始在大氣和地幔之間交換，穩(wěn)定的大陸地殼的體積也在大幅增加。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，板塊產(chǎn)生后鉆石才含有榴輝巖雜質(zhì)，這是一種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(zhì)熔巖開始從巖石記錄中消失，這種科馬提巖距今已有約32.7億年。

鎢同位素鎖定板塊起源時(shí)間

科馬提巖是一種古老的巖石，被認(rèn)作地幔溫度顯著升高的證據(jù)。巖石在噴發(fā)時(shí)非常灼熱，其中細(xì)長(zhǎng)的晶體就是在超熱巖漿噴發(fā)并迅速冷卻時(shí)形成的。它的消失進(jìn)一步表明，地幔物質(zhì)已經(jīng)開始循環(huán)移動(dòng)。

2020年，有研究表明，板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)始于約32億年前的太古宙中期，為佐證這個(gè)結(jié)論，科學(xué)家研究了被稱之為“化學(xué)指紋”的鎢同位素。鎢-182同位素在地球早期的巖石中含量相對(duì)豐富。然而，一旦板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)開始，地幔的對(duì)流攪動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致鎢-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。

德國(guó)科學(xué)家圖什和蒙克開發(fā)了一種有效的新方法，可從古代巖石中提取微量的鎢。經(jīng)過(guò)近兩年的分析，他們發(fā)現(xiàn)，所研究的同位素比率出現(xiàn)了令人驚喜的變化，鎢-182的濃度開始時(shí)較高，表明地幔還沒(méi)有混合。在2億多年時(shí)間里，鎢-182數(shù)值逐漸下降，直到31億年前達(dá)到今天的水平。這種下降表明鎢-182信號(hào)出現(xiàn)了稀釋，地幔物質(zhì)成分開始混合，板塊構(gòu)造開始。

板塊運(yùn)動(dòng)讓地球充滿生機(jī)

板塊的擴(kuò)張、碰撞和俯沖不僅塑造了地球的地理地貌特征，板塊運(yùn)動(dòng)還深刻影響了地球的大氣層、磁場(chǎng)和氣候等，使地球在數(shù)十億年里保持適宜的氣候。

適宜氣候主要由空氣中的二氧化碳與硅酸鹽礦物反應(yīng)形成，后者通過(guò)將二氧化碳埋在沉積物中，緩慢降低大氣中溫室氣體的水平。大部分硅酸鹽與二氧化碳的反應(yīng)發(fā)生在板塊碰撞所形成的山脈中。

在板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，地幔、地殼、海洋和大氣之間的物質(zhì)循環(huán)確保了對(duì)生命必需元素的持續(xù)供應(yīng)，為生態(tài)系統(tǒng)注入了重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。板塊運(yùn)動(dòng)不僅是地幔對(duì)流的結(jié)果，還促使地幔對(duì)流中將源自地核的熱量逸出，有利于地核磁場(chǎng)的產(chǎn)生。而地球磁場(chǎng)的范圍可延伸至太空深處，保護(hù)大氣層不受太陽(yáng)風(fēng)暴的侵蝕。

總之，板塊誕生揭開了地球歷史中的重要一頁(yè)，地球的物質(zhì)循環(huán)、海陸變遷、碳埋藏、氧氣增多，以及生物朝著多樣性和復(fù)雜生命體方向發(fā)展的過(guò)程，無(wú)不留下了板塊運(yùn)動(dòng)的深刻烙印。（據(jù)《科普時(shí)報(bào)》，作者系中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員、南京古生物博物館名譽(yù)館長(zhǎng)）