“化學指紋”揭開地球板塊構造運動之謎

馮偉民

進化雜談

一百多年前，德國科學家阿爾弗雷德·魏格納提出了大陸漂移學說，他認為，全世界的大陸在中生代之前曾是一個統一的整體，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所產生的離心力作用下，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。

大陸漂移學說一經推出，震驚了學術界。人類第一次將疑惑的目光投向了腳底那片堅硬的巖石。大陸真能移動嗎？板塊是地球形成中與生俱來的，還是在地球演化到某個階段孕育而生的？

隨著古氣候、古生物、古礦物和其他地質學證據的不斷積累，特別是海底擴張理論的提出和全球板塊構造的建立，一場地質學的革命打開了人類對地球的認知。長期以來，深受科學家關注和探究的這一真相，正在逐漸被披露出來。

地殼最初并不剛硬

地球表層堅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，當大洋中脊噴涌而出的巖漿冷卻后，形成的板塊向兩側離散開，隨著上地幔軟流層流動而移動，并在大陸邊緣的“俯沖帶”處下沉，隱沒于地幔中。這在太陽系的行星中是獨一無二的。

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、分裂、碰撞和俯沖。這一關鍵性轉變的發生時間，勢必將影響我們對地球如何演變成當今模樣的理解。

科學家力圖找到表明這種轉變的證據。有關地球化學示蹤研究顯示，氧氣、二氧化碳和水在板塊出現后開始在大氣和地幔之間交換，穩定的大陸地殼的體積也在大幅增加。有關研究發現，板塊產生后鉆石才含有榴輝巖雜質，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間

科馬提巖是一種古老的巖石，被認作地幔溫度顯著升高的證據。巖石在噴發時非常灼熱，其中細長的晶體就是在超熱巖漿噴發并迅速冷卻時形成的。它的消失進一步表明，地幔物質已經開始循環移動。

2020年，有研究表明，板塊構造運動始于約32億年前的太古宙中期，為佐證這個結論，科學家研究了被稱之為“化學指紋”的鎢同位素。鎢-182同位素在地球早期的巖石中含量相對豐富。然而，一旦板塊構造運動開始，地幔的對流攪動就會導致鎢-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。

德國科學家圖什和蒙克開發了一種有效的新方法，可從古代巖石中提取微量的鎢。經過近兩年的分析，他們發現，所研究的同位素比率出現了令人驚喜的變化，鎢-182的濃度開始時較高，表明地幔還沒有混合。在2億多年時間里，鎢-182數值逐漸下降，直到31億年前達到今天的水平。這種下降表明鎢-182信號出現了稀釋，地幔物質成分開始混合，板塊構造開始。

板塊運動讓地球充滿生機

板塊的擴張、碰撞和俯沖不僅塑造了地球的地理地貌特征，板塊運動還深刻影響了地球的大氣層、磁場和氣候等，使地球在數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形成，后者通過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發生在板塊碰撞所形成的山脈中。

在板塊運動過程中，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，為生態系統注入了重要的營養物質。板塊運動不僅是地幔對流的結果，還促使地幔對流中將源自地核的熱量逸出，有利于地核磁場的產生。而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。

總之，板塊誕生揭開了地球歷史中的重要一頁，地球的物質循環、海陸變遷、碳埋藏、氧氣增多，以及生物朝著多樣性和復雜生命體方向發展的過程，無不留下了板塊運動的深刻烙印。（據《科普時報》，作者系中國科學院南京地質古生物研究所研究員、南京古生物博物館名譽館長）