“化學指紋”揭開地球板塊構(gòu)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·魏格納以穿越歷史的睿智眼光，大膽提出了大陸漂移學說。魏格納認為，全世界的大陸在中生代之前曾是一個統(tǒng)一的整體，叫盤古大陸，在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，逐漸形成了今日世界上大洲和大洋的分布格局。

大陸漂移學說一經(jīng)推出，震驚了學術(shù)界。人類第一次以疑惑的目光投向了腳底下這片堅硬的巖石。

地球上的陸地真能移動嗎？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(zhì)學證據(jù)的不斷積累，特別是海底擴張理論的提出和全球板塊構(gòu)造的建立，一場地質(zhì)學的革命，真正打開了人類對于地球的認知。

長期以來，深受科學家關(guān)注和探究的這一真相，正在逐漸披露出來。

地殼最初并不剛硬

地球表層堅硬的巖石圈并非整體一塊，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（或印度澳大利亞）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，大洋中脊噴涌而出的巖漿冷卻后，形成的板塊向兩側(cè)離散開來，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的溫度，才使地殼硬化成板塊，然后開始移動、分裂、碰撞和俯沖。那么，這一關(guān)鍵性的轉(zhuǎn)變何時發(fā)生的呢，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(zhuǎn)變的證據(jù)。有關(guān)地球化學示蹤研究顯示，氧氣、二氧化碳和水在板塊出現(xiàn)之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，這種在澳大利亞皮爾布拉發(fā)現(xiàn)的科馬提巖，其年代為距今32.7億年前。

鎢同位素鎖定板塊起源時間

科馬提巖是古老巖石，被認為是地幔溫度顯著升高的證據(jù)。這種噴出巖在噴發(fā)時非常灼熱，巖石中細長的晶體就是在超熱巖漿噴發(fā)并迅速冷卻時形成的。它的消失進一步表明地幔物質(zhì)已經(jīng)開始循環(huán)移動了。

2020年，有科研團隊研究表明，板塊構(gòu)造運動始于約32億年前。也就是說這種演變的一個重要轉(zhuǎn)折點發(fā)生在約32億年前的太古宙中期。地球表面正是在那時發(fā)生了破裂。為了佐證這個結(jié)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是相對豐富的。然而，一旦板塊構(gòu)造運動開始，地幔的對流攪動就會使鎢-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(fā)了一種有效的新方法，可以從古代巖石中提取微量的鎢。經(jīng)過近兩年的分析，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的濃度開始時較高，表明地幔還沒有混合。然后，在2億多年的時間里，鎢-182數(shù)值逐漸下降，直到31億年前達到今天的水平。這種下降反映了古老的鎢-182信號出現(xiàn)了稀釋，因為皮爾布拉下面的地幔物質(zhì)成分開始混合。這種混合表明板塊構(gòu)造已經(jīng)開始。

板塊運動讓地球充滿生機

板塊構(gòu)造使地球以其獨特的方式運轉(zhuǎn)，傲立于太陽系群星之中。板塊的擴張、碰撞和俯沖，塑造了地球的地理地貌特征，形成了許多大陸和島嶼，以及連綿不斷的山脈和各種各樣的地表生態(tài)系統(tǒng)，為生物多樣性演化提供了豐富多樣的環(huán)境。

同時，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(shù)十億年里保持適宜居住的氣候，盡管太陽在這段時間里在逐漸變亮。地球的適宜氣候主要是由空氣中的二氧化碳與硅酸鹽礦物之間的化學反應(yīng)造就的，后者通過將二氧化碳埋在沉積物中，緩慢地降低了大氣中溫室氣體的水平。大部分的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上。

在板塊運動過程中，地幔、地殼、海洋和大氣之間的物質(zhì)循環(huán)，確保了對生命必需元素的持續(xù)供應(yīng)，為生態(tài)系統(tǒng)注入了重要的營養(yǎng)物質(zhì)。此外，大陸本身也為新物種提供了充滿陽光的環(huán)境。

板塊運動不僅是地幔對流的結(jié)果，而且還促使了地幔對流中將源自地核的熱量逸出，有利于地核磁場的產(chǎn)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重要的一頁，板塊運動賦予了地球特有的活力。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雜生命體方向發(fā)展的過程，無不留下了板塊運動牽一發(fā)而動全身的深刻烙印。

（注：作者系中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所研究員、南京古生物博物館名譽館長）

（李恒克摘自《發(fā)明與創(chuàng)新·高中生》2021年第12期）