科学家确定板块构造形成时间:推动复杂生命的演化

来源: 新浪科技 日期:2021-06-21

  新的数据表明,地球表面在32亿年前发生了破裂,而这一发现或许将有助于阐明板块构造如何推动复杂生命的演化。

  2016年,地球化学家乔纳斯·图什和卡斯滕·蒙克从澳大利亚内陆敲打、采集了1000磅的岩石,并将其空运回德国科隆。经过5年的切割、破碎、溶解和分析,他们从这些岩石中发现了一个隐藏了数十亿年的秘密:板块构造运动开始的年代。

  地球表层坚硬的岩石圈并非整体一块,而是由紧密连接的板块拼合而成,这在太阳系中是独一无二的。近年来,科学家越来越多地将这些板块与地球的其他特征联系起来,如稳定的大气层、保护性的磁场和复杂的生命,等等。然而,长期以来,地质学家们一直在争论地壳何时分裂成板块的确切时间,提出了各种相互矛盾的假说,有人认为这场分裂发生在地球45亿年历史的最初10亿年间,也有人认为发生在最近10亿年中的某个时期。想要了解板块构造如何影响地球上其他一切事物,确切估计这一时间有着重要的意义。

  构造板块的扩张、碰撞和俯冲不仅仅塑造了地球的地理特征。在地球表面,物质的循环有助于调节气候,而大陆和山脉的形成则为生态系统注入了重要的营养物质。事实上,如果板块构造开始的时间足够早的话,它可能会成为复杂生命演化的主要驱动力。或许我们可以更进一步,漂移的板块可能也是遥远的地外行星上高级生命存在的先决条件。

  澳大利亚阿德莱德大学的地质学家艾伦·柯林斯表示,乔纳斯·图什和卡斯滕·蒙克等人在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的澳大利亚内陆岩石研究结果,已经捕捉到了板块构造出现时的“快照”。研究小组对岩石中钨同位素的分析显示,地球大约在32亿年前正好处于向板块构造过渡的过程中。

  牛津大学的岩石学家理查德·佩林认为,这些发现支持了过去十年来的其他间接证据,它们都指向了这一时期。他说:“这支持了地质学界不断取得的共识,即大约30亿年前,板块构造开始在全球范围内出现。”

  艾伦·柯林斯也说道:“有许多人从非常不同的角度,殊途同归,都提出了32亿年到30亿年的估计值。”

  地球的引擎 

  当德国地质学家阿尔弗雷德·魏格纳在1912年首次提出大陆漂移理论时,他的大多数同行都认为这是十分荒谬的。巨大的陆地是如何移动的?魏格纳本人也无法确定驱动大陆漂移的机制。事实上,直到50年之后,地质学家才弄清楚地幔——地壳和地核之间厚厚的热岩层——内部的对流会如何推动地球表层板块的移动。他们最终发现,这些板块——15个主要板块和几十个较小的板块——在大洋中脊分散开来,随着地幔流动而移动,在边缘相互摩擦,并在“俯冲带”处俯冲回地幔中。

  加州大学洛杉矶分校的地球物理学家卡罗莱娜·利斯戈-贝尔泰洛尼说:“板块构造给出了一种非常有条理的地表移动方式。通过板块构造理论,你就能明白为什么有些地方地震频发,为什么有些地方会有高大的山峰。”

  在此后的几十年里,科学家们逐渐认识到,地球的大气层、磁场、稳定的气候和生物多样性都与板块构造有关。“(板块构造)使我们的星球以它自己的方式运转,”利斯戈-贝尔泰罗尼说道。

  首先,板块构造帮助地球在数十亿年里保持了适宜居住的气候,尽管太阳在这段时间里逐渐变亮。地球的适宜气候主要是由空气中的二氧化碳与硅酸盐矿物之间的化学反应造就的,后者通过将二氧化碳埋在沉积物中,缓慢地降低了大气中温室气体的水平。大部分的硅酸盐—二氧化碳反应发生在板块碰撞所形成的山坡上。

  此外,地幔、地壳、海洋和大气之间的物质循环确保了对生命必需元素的持续供应。板块构造使地幔更加精细,使得像磷这样的元素在大陆地壳的表面积累。当山脉风化并被冲进大海时,这些元素又为海水中的生命提供了养分。此外,大陆本身也为新物种提供了充满阳光的环境。

  同样重要的是,地幔对流让热量从地核逸出,帮助地核产生磁场。地球磁场的范围可延伸至太空深处,保护大气层不受太阳风暴的侵蚀。

  不过,在地球诞生初期,情况却是截然不同的。放射性衰变使早期地球内部的温度比现在高得多,因此当时的地壳呈松软状态。几十年来,科学家们一直在争论地核何时冷却至足够的温度,可以使地壳硬化成板块,然后开始移动、分裂、碰撞和俯冲。利斯戈-贝尔泰罗尼指出,了解这一决定性的转变何时发生,“将使我们更好地理解生命演化中的某些变化,地球是如何形成现在这样的系统的……我们的星球如今又是如何运作的”。

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