冥古宙的地球，也就是地球誕生之初的數億年，于我們而言就像一個神秘黑箱。
由于地球表面本身就像一個巨大的循環回收系統，不斷重複利用着自身的物質，如今已經很難找到年輕地球的地質記錄。
早期地球藝術家暢想圖。（圖／NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image, CC BY）
但對地質學家來說幸運的是，一些罕見的岩石中帶有來自年輕地球的“時間膠囊”，它們被稱為锆石，這些微小的晶體仍有機會記錄下年輕地球的故事。
根據近日發表在《美國地球實體學會進展》上的一項新研究，在南非發現的少量古老的锆石晶體，包含着一種被稱為俯沖的地質過程的最古老證據，那正是闆塊構造的一個關鍵因素。這一發現為闆塊構造何時開始運動的辯論提供了一條新的線索。
闆塊構造運動的時間之謎
我們都知道，如果把地球剖開，它就像一個多層蛋糕，從最表面的地殼，再到熔融的地幔，最後是極端熾熱的地核。地殼和它下面的地幔頂層被分成了剛性的闆塊，在黏稠但流動着的地幔之上緩緩移動。來自地核的熱量驅動着這種緩慢但無法阻擋的運動。
闆塊構造示意圖。（圖／Pavel Bokr, Wikimedia Commons, CC BY）
在闆塊交界處，比如一個較薄的海洋闆塊，和一個較厚的大陸闆塊交彙的的地方，有可能出現一種“創造性的破壞”過程，也就是俯沖。海洋闆塊會插入陸地闆塊之下，不斷熔化，并将海洋地殼回收到地球内部。這類地殼系統的動态過程正是火山、地震和山脈隆起背後的原因。無論是著名的安迪斯山脈，還是環太平洋火山帶，它們都是現代俯沖作用的典型成果。
俯沖作用示意圖。（圖／Nikolas Midttun, CC BY）
但是，這種闆塊構造運動是從地球曆史上的什麼時間開始的，現代地殼形成的時間又在何時，各項研究給出的估計時間卻大相徑庭，從40多億年前到僅僅8億年前的說法層出不窮。這種不确定性正是來自早期地球地質記錄的匮乏。
時間膠囊的秘密
在解開這個謎團的過程中，2018年，研究團隊從南非巴伯頓綠岩帶的一塊罕見的古老地殼中，發掘出了33個微型锆石晶體。這些晶體就像一系列按時間排列的時間膠囊，分别于不同時間形成，跨越了41.5億年前到33億年前的關鍵時期。
南非古老的巴伯頓綠岩帶發現了微小的锆石晶體。（圖／Nadja Drabon, AGU）
锆石是地殼中相對常見的一種副礦物，這類微觀晶體一般在地球内部的岩漿中形成，通過各種地質過程被帶到了地球表面，由于它們本身堅硬的特性，往往能經受得住極端的考驗，留存很長時間。是以它們可以作為地質學研究的絕佳材料。
但是，來自40至45.6億年前冥古宙的古老代表仍舊非常罕見。綠岩帶锆石中儲存的铪同位素和微量元素，講述了它們結晶時地球上的情況。38億年前和更年輕一點兒的锆石，似乎是在一些不同尋常的岩石中形成的，這些岩石可能經曆了類似現代俯沖區的壓強和熔融過程。這表明，此時的地殼可能已經開始移動。
與之形成對比的是，較古老的锆石則保留了全球“原地殼”的證據，這些原地殼來自重熔的地幔岩，它們已經穩定了6億年。
科學家還注意到，在世界其他地方的锆石中，也出現了過渡到類似于現代俯沖的條件，它們大多可以追溯到南非锆石形成前後的約2億年内。
也就是說，在大約36到38億年前，地球出現了一個戲劇性的轉變，全球地殼變得不再穩定，多處地方出現了從穩定的原地殼到類似現代俯沖的壓強和過程。新的岩石形成，地球化學特征變得越來越類似于我們在現代闆塊構造中看到的東西。
全球變化的迹象
雖然這些還不能算是決定性的證據，但這些結果已經暗示，在36億到38億年前，一種全球的重大變化可能已經開始，向闆塊構造的演化是一種明顯的可能性。
闆塊構造改變了地球，它們塑造了地球的大氣以及表面。火山氣體的釋放和新矽酸鹽岩石的出現，消耗了大氣中大量二氧化碳，極大緩和了因溫室氣體帶來的大幅溫度波動。它們很像一種氣候的恒溫器，如果沒有所有的循環和新的地殼形成，我們這顆星球可能會在沸騰的高溫和冰冷的低溫之間不斷波動。
更有意思的是，迄今為止，闆塊構造僅僅在地球上被觀察到，是以它甚至可能是讓地球變得宜居的一個關鍵因素。追溯闆塊構造運動的開端，了解這一過程的開始，也許有機會帶來更多深遠的發現。
#創作團隊：
撰文：Gaviota
排版：雯雯
#參考來源：
https://news.agu.org/press-release/earliest-geochemical-evidence-of-plate-tectonics-found-in-3-8-billion-year-old-crystal
#圖檔來源：
封面圖：piqsels
首圖：Wayne Hsieh, Flickr, CC BY-NC-SA