地球是目前已知唯一擁有板塊構(gòu)造的行星。這些巨大的巖石板塊在地幔上緩慢漂移，不僅塑造了大陸，還可能為生命的誕生提供了必要條件。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)揭示了地球最早期地殼的秘密，其歷史可以追溯至45億年前。借此，研究人員也提出了一種全新的方法，有望解答一個(gè)長期困擾科學(xué)界的重大謎題：板塊構(gòu)造究竟始于何時(shí)？

一個(gè)重大的科學(xué)謎團(tuán)：板塊構(gòu)造是何時(shí)開始的？（圖/Wikipedia）

與生命起源息息相關(guān)

地球已有約45億年的歷史。一些科學(xué)家認(rèn)為，地球在形成初期并不具備現(xiàn)代意義上的板塊構(gòu)造。部分研究認(rèn)為，早期地殼處于停滯狀態(tài)，與火星目前的狀態(tài)相似。

還有觀點(diǎn)提出，早期地球可能曾經(jīng)歷過間歇性的構(gòu)造活動(dòng)——一種不連續(xù)、時(shí)斷時(shí)續(xù)的板塊運(yùn)動(dòng)。這樣的活動(dòng)可能是由頻繁的巨大隕星撞擊所觸發(fā)，但隨著時(shí)間推移，撞擊事件的發(fā)生頻率逐漸減少，這種構(gòu)造活動(dòng)也逐漸趨于平息。

板塊構(gòu)造不僅關(guān)系到大陸的形成，也深刻影響著海洋與大氣的化學(xué)組成。因?yàn)榘鍓K的移動(dòng)過程會(huì)帶走碳和其他關(guān)鍵元素，并參與循環(huán)。此外，它還與地球內(nèi)部的熱量釋放機(jī)制緊密相連。

正因如此，板塊構(gòu)造也被認(rèn)為與地球上生命的出現(xiàn)和演化密切相關(guān)。

大陸地殼的“化學(xué)指紋”

構(gòu)造板塊的邊界是火山活動(dòng)頻發(fā)之地。而位于島弧上的火山（如著名的太平洋火圈）噴發(fā)出的熔巖，具有一種特殊的化學(xué)組成，與當(dāng)今平均大陸地殼的成分極為相似。例如，相對(duì)于稀土元素，鈮（Nb）的含量明顯偏低——科學(xué)家將這一現(xiàn)象稱為“負(fù)鈮異常”。

因此，科學(xué)界長期認(rèn)為，如果能在古老巖石中首次發(fā)現(xiàn)這種“大陸指紋”，就可能據(jù)此推斷板塊構(gòu)造的起點(diǎn)。然而，這種方法面臨極大挑戰(zhàn)。由于板塊構(gòu)造本身會(huì)壓縮、熔化、重塑地殼，導(dǎo)致真正古老的巖石極為稀缺，來自冥古宙（約45–40億年前）的原始巖石幾乎未能留存。

盡管過去幾十年中，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)嘗試借助這一“化學(xué)指紋法”推測(cè)板塊構(gòu)造的起始時(shí)間，但得出的時(shí)間跨度極不一致，從8億年到45億年不等。這種巨大的不確定性本身，凸顯了該方法的局限。

一種新的研究思路

為了突破這一難題，研究團(tuán)隊(duì)從2024年初就開始嘗試一種全新的方法。他們利用數(shù)學(xué)模型模擬了地球核心尚在形成時(shí)期的地球環(huán)境——當(dāng)時(shí)的地表仍是一片沸騰的熔巖海洋。他們特別關(guān)注了早期地幔的熔融程度，以及不同化學(xué)元素在這一過程中的分布與行為。

研究結(jié)果表明，形成于冥古宙的“原地殼”（地球最早的地殼），其化學(xué)組成已與現(xiàn)今的大陸地殼非常相似。例如，鈮在還原條件下，會(huì)表現(xiàn)出一定的“親鐵性”，傾向與金屬結(jié)合并沉入地核；而稀土元素則被保留在熔融巖漿中，上升到地表，并最終冷卻結(jié)晶后形成地殼。

這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了對(duì)地球早期歷史的理解。它表明，大陸地殼的獨(dú)特的“化學(xué)指紋”并非板塊構(gòu)造啟動(dòng)后才形成，而是在地球剛剛形成、最早的地殼誕生時(shí)就已存在，并自此被不斷重復(fù)、循環(huán)于島弧環(huán)境中。

換言之，盡管這一“化學(xué)指紋”在大陸地殼中普遍存在，但它的起源早于板塊構(gòu)造的出現(xiàn)，因此無法用于判定板塊構(gòu)造的真正起點(diǎn)，也解釋了此前眾多研究為何無法就這一問題達(dá)成共識(shí)。雖然早期的巨大隕星撞擊確實(shí)可能造成地殼的熔融與重塑，但這些過程只是“回收”已有的大陸成分，而非創(chuàng)造新的地殼化學(xué)特征。

部分早期的撞擊甚至可能誘發(fā)了周期性的俯沖作用，即板塊向下和橫向劃入地幔的過程。這種機(jī)制可能最終演變?yōu)槲覀兘裉焖^察到的持續(xù)的、自維持的板塊構(gòu)造模式。

然而，新的研究也提示，確切界定這種轉(zhuǎn)變發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)遠(yuǎn)比想象中復(fù)雜，亟需全新的研究方法和模型。

地殼形成的早期圖景

研究還指出，早期原地殼可能破碎為多個(gè)板塊，其中一些區(qū)域逐漸增厚，成為最初的大陸片段。它們之間的巖漿可能冷卻形成類似現(xiàn)代海洋地殼的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)原始的地殼網(wǎng)絡(luò)。

未來，研究人員將繼續(xù)借助模擬手段，探討早期地殼如何逐步失穩(wěn)并發(fā)展出俯沖機(jī)制。同時(shí)，也將重新審視這一過程在地球長期演化與生命起源中的潛在影響。

這項(xiàng)研究不僅改寫了我們對(duì)地球形成早期階段的認(rèn)知，也為探索其他巖石類行星上大陸構(gòu)造和生命潛力提供了全新的科學(xué)視角。

#參考來源：

https://theconversation.com/new-research-reveals-chemical-secrets-of-earths-crust-4-5-billion-years-ago-253543

https://www.eurekalert.org/news-releases/1078986

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08719-3

#圖片來源：

封面圖&首圖：u_pcr38y8yfb/ Pixabay