“化学指纹”揭开地球板块构造运动之谜

◆冯伟民

进化杂谈

一百多年前，德国科学家阿尔弗雷德·魏格纳提出了大陆漂移学说，他认为，全世界的大陆在中生代之前曾是一个统一的整体，名为盘古大陆，它的周围是辽阔的海洋。这块原始大陆在天体引潮力和地球自转所产生的离心力作用下，破裂成若干块，逐渐形成今日世界上大洲和大洋的分布格局。

大陆漂移学说一经推出，震惊了学术界。人类第一次将疑惑的目光投向了脚底那片坚硬的岩石。大陆真能移动吗？板块是地球形成中与生俱来的，还是在地球演化到某个阶段孕育而生的？

随着古气候、古生物、古矿物和其他地质学证据的不断积累，特别是海底扩张理论的提出和全球板块构造的建立，一场地质学的革命打开了人类对地球的认知。长期以来，深受科学家关注和探究的这一真相，正在逐渐被披露出来。

地壳最初并不刚硬

地球表层坚硬的岩石圈并非一块整体，而是由紧密连接的板块拼合而成。整个岩石圈由太平洋板块、欧亚板块、印度洋板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块六大板块组成，大板块又由一系列中小板块组成。

作为板块诞生之地，当大洋中脊喷涌而出的岩浆冷却后，形成的板块向两侧离散开，随着上地幔软流层流动而移动，并在大陆边缘的“俯冲带”处下沉，隐没于地幔中。这在太阳系的行星中是独一无二的。

地球最初的地壳并不刚硬，只有地核冷却至一定温度，才能使地壳硬化成板块，然后开始移动、分裂、碰撞和俯冲。这一关键性转变的发生时间，势必将影响我们对地球如何演变成当今模样的理解。

科学家力图找到表明这种转变的证据。有关地球化学示踪研究显示，氧气、二氧化碳和水在板块出现后开始在大气和地幔之间交换，稳定的大陆地壳的体积也在大幅增加。有关研究发现，板块产生后钻石才含有榴辉岩杂质，这是一种从地球表面矿物侵入地壳深部或地幔而形成的岩石。另一方面，一种被称为科马提岩的超镁铁质熔岩开始从岩石记录中消失，这种科马提岩距今已有约32.7亿年。

钨同位素锁定板块起源时间

科马提岩是一种古老的岩石，被认作地幔温度显著升高的证据。岩石在喷发时非常灼热，其中细长的晶体就是在超热岩浆喷发并迅速冷却时形成的。它的消失进一步表明，地幔物质已经开始循环移动。

2020年，有研究表明，板块构造运动始于约32亿年前的太古宙中期，为佐证这个结论，科学家研究了被称之为“化学指纹”的钨同位素。钨-182同位素在地球早期的岩石中含量相对丰富。然而，一旦板块构造运动开始，地幔的对流搅动就会导致钨-182与其他4种钨同位素混合，使岩石中的钨-182含量均匀降低。

德国科学家图什和蒙克开发了一种有效的新方法，可从古代岩石中提取微量的钨。经过近两年的分析，他们发现，所研究的同位素比率出现了令人惊喜的变化，钨-182的浓度开始时较高，表明地幔还没有混合。在2亿多年时间里，钨-182数值逐渐下降，直到31亿年前达到今天的水平。这种下降表明钨-182信号出现了稀释，地幔物质成分开始混合，板块构造开始。

板块运动让地球充满生机

板块的扩张、碰撞和俯冲不仅塑造了地球的地理地貌特征，板块运动还深刻影响了地球的大气层、磁场和气候等，使地球在数十亿年里保持适宜的气候。

适宜气候主要由空气中的二氧化碳与硅酸盐矿物反应形成，后者通过将二氧化碳埋在沉积物中，缓慢降低大气中温室气体的水平。大部分硅酸盐与二氧化碳的反应发生在板块碰撞所形成的山脉中。

在板块运动过程中，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，为生态系统注入了重要的营养物质。板块运动不仅是地幔对流的结果，还促使地幔对流中将源自地核的热量逸出，有利于地核磁场的产生。而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。

总之，板块诞生揭开了地球历史中的重要一页，地球的物质循环、海陆变迁、碳埋藏、氧气增多，以及生物朝着多样性和复杂生命体方向发展的过程，无不留下了板块运动的深刻烙印。