“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·魏格纳以穿越历史的睿智眼光，大胆提出了大陆漂移学说。魏格纳认为，全世界的大陆在中生代之前曾是一个统一的整体，叫盘古大陆，在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，逐渐形成了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。人类第一次以疑惑的目光投向了脚底下这片坚硬的岩石。

地球上的陆地真能移动吗？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，真正打开了人类对于地球的认知。

长期以来，深受科学家关注和探究的这一真相，正在逐渐披露出来。

地壳最初并不刚硬

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。整个岩石圈由太平洋板块、欧亚板块、印度洋（或印度澳大利亚）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，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来，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的温度，才使地壳硬化成板块，然后开始移动、分裂、碰撞和俯冲。那么，这一关键性的转变何时发生的呢，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之后开始在大气和地幔之间交换，穩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，这种在澳大利亚皮尔布拉发现的科马提岩，其年代为距今32.7亿年前。

钨同位素锁定板块起源时间

科马提岩是古老岩石，被认为是地幔温度显著升高的证据。这种喷出岩在喷发时非常灼热，岩石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了。

2020年，有科研团队研究表明，板块构造运动始于约32亿年前。也就是说这种演变的一个重要转折点发生在约32亿年前的太古宙中期。地球表面正是在那时发生了破裂。为了佐证这个结论，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是相对丰富的。然而，一旦板块构造运动开始，地幔的对流搅动就会使钨-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，可以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。然后，在2亿多年的时间里，钨-182数值逐渐下降，直到31亿年前达到今天的水平。这种下降反映了古老的钨-182信号出现了稀释，因为皮尔布拉下面的地幔物质成分开始混合。这种混合表明板块构造已经开始。

板块运动让地球充满生机

板块构造使地球以其独特的方式运转，傲立于太阳系群星之中。板块的扩张、碰撞和俯冲，塑造了地球的地理地貌特征，形成了许多大陆和岛屿，以及连绵不断的山脉和各种各样的地表生态系统，为生物多样性演化提供了丰富多样的环境。

同时，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居住的气候，尽管太阳在这段时间里在逐渐变亮。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。大部分的硅酸盐与二氧化碳的反应发生在板块碰撞所形成的山脉上。

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。此外，大陆本身也为新物种提供了充满阳光的环境。

板块运动不仅是地幔对流的结果，而且还促使了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重要的一页，板块运动赋予了地球特有的活力。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牵一发而动全身的深刻烙印。

（注：作者系中国科学院南京地质古生物研究所研究员、南京古生物博物馆名誉馆长）

（李恒克摘自《发明与创新·高中生》2021年第12期）