早期地球，或許沒(méi)那么“地獄”

我們的地球形成于45.5億年前。關(guān)于早期地球歷史，仍然有許多謎題等待被解開(kāi)。例如，早期的地球又是什么樣子的？板塊構(gòu)造何時(shí)開(kāi)始？地球地幔又是何時(shí)開(kāi)始以對(duì)流的過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)烈循環(huán)的？

由于構(gòu)造板塊的不斷移動(dòng)與重排抹去了許多地質(zhì)線索，科學(xué)家只能轉(zhuǎn)而研究一種名為鋯石的礦物——這是一種為數(shù)不多的證據(jù)線索，能夠長(zhǎng)期抵御物理與化學(xué)改造，在堅(jiān)固耐久的礦物結(jié)構(gòu)中保存著精確的化學(xué)信息。一些最古老的鋯石晶體已有44億年歷史。

多種古老的鋯石晶體。形成于地球歷史最早的時(shí)代，這些鋯石保存了當(dāng)時(shí)這顆行星狀態(tài)的記錄。（圖/Shane K. Houchin）

在一項(xiàng)新發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)學(xué)院院刊》的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析這些最古老的鋯石顆粒，發(fā)現(xiàn)了兩項(xiàng)關(guān)鍵結(jié)論的證據(jù)：第一，早期地球所含的氧氣可能比此前設(shè)想的更多，而且也可能有更多的水；第二，板塊構(gòu)造至少在33.5億年前就已開(kāi)始，這在地球45億年的歷史中，算是相對(duì)較早的時(shí)期。

記錄了早期地球秘密的鋯石

鋯石晶體是在地殼中的熔融巖漿里形成的，保存著關(guān)于巖漿如何與大氣相互作用的線索。它們是已知最古老的地球巖石碎片，其中一些可追溯到冥古宙：這一時(shí)期始于地球形成之時(shí)，在大約40億年前結(jié)束。

在某個(gè)時(shí)期，一些含有這些鋯石顆粒的巖石會(huì)經(jīng)歷變質(zhì)作用；在這一過(guò)程中，新一代鋯石在這些顆粒的邊緣結(jié)晶生長(zhǎng)，形成了清晰可辨的邊部（環(huán)帶）。盡管這些鋯石晶體只有1/4毫米長(zhǎng)，但先進(jìn)的分析技術(shù)仍能精確測(cè)量封存在鋯石核部與邊部中的微量元素（如鈾和鈦），從而為礦物形成時(shí)的環(huán)境提供線索。

在新的研究中，研究人員分析了來(lái)自西澳大利亞的杰克山崗地區(qū)的數(shù)十顆鋯石晶體。

高于預(yù)期的氧化程度

長(zhǎng)期以來(lái)，人們常把冥古宙想象成一個(gè)地獄般的環(huán)境：血紅色的大氣層中充滿(mǎn)活火山噴發(fā)產(chǎn)生的煙塵與火山灰，完全干燥且毫無(wú)氧氣。這一時(shí)代被稱(chēng)為冥古宙，并被認(rèn)為是一個(gè)高度“還原”的環(huán)境——與“氧化”相對(duì)。

“氧化”和“還原”是一對(duì)相反的概念，用來(lái)描述化學(xué)反應(yīng)中電子如何被轉(zhuǎn)移、以及在多大程度上能參與并推動(dòng)反應(yīng)。測(cè)量樣品的氧化還原狀態(tài)，可以用來(lái)推斷環(huán)境中的含氧量。在地質(zhì)學(xué)語(yǔ)境中，這通常與巖漿結(jié)晶時(shí)所含水量相關(guān)：高度還原的環(huán)境會(huì)非常干燥，而更強(qiáng)的氧化則可能意味著存在更多的水。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員使用多種技術(shù)對(duì)這些鋯石進(jìn)行探測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在那些可以追溯到41億年前的鋯石晶體中，其邊部中鈾的氧化程度遠(yuǎn)高于預(yù)期——也就是說(shuō)它失去了電子；而這可能是在有氧氣存在的情況下發(fā)生的。

這意味著，如果早期地球在一開(kāi)始是處于高度還原的條件中，那么在其形成后最多一兩億年的時(shí)間尺度內(nèi)，就必然發(fā)生過(guò)某種事件，使整顆行星迅速氧化。研究人員認(rèn)為，可能的解釋包括：彗星撞擊帶來(lái)水的輸送、除氣（de-gassing）過(guò)程，或是地球地幔高效對(duì)流的啟動(dòng)時(shí)間比預(yù)期更早；又或者，地球可能從一開(kāi)始就并非像此前設(shè)想的那般“還原”。

33.5億年前的板塊信號(hào)

這些鋯石還可能為地質(zhì)學(xué)中最具爭(zhēng)議的話(huà)題之一提供洞見(jiàn)，即地球的構(gòu)造板塊究竟在何時(shí)、以何種方式開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的。

研究結(jié)果表明，這些鋯石晶體在形成之后必定經(jīng)歷過(guò)一種“高壓且相對(duì)低溫”的環(huán)境。這種環(huán)境暗示了俯沖帶的存在，意味著一塊大型地殼碎片把這些鋯石從地表帶到了地球更深處，然后它們?cè)谀抢锝?jīng)歷了高壓。因此，這些發(fā)現(xiàn)表明，板塊構(gòu)造至少在33.5億年前就可能已經(jīng)活躍。

板塊構(gòu)造為生命進(jìn)化提供了必需的動(dòng)態(tài)能量環(huán)境，而科學(xué)界長(zhǎng)期以來(lái)一直在爭(zhēng)論這一過(guò)程究竟何時(shí)開(kāi)始。而這項(xiàng)新研究為早期地球提供了一個(gè)至關(guān)重要的新數(shù)據(jù)點(diǎn)。

拼湊起源故事

這些新數(shù)據(jù)有助于打破早期地球是一個(gè)高度還原、地獄般且干燥之地的圖景。相反，它表明地殼似乎在地球誕生后的3.5億年就已經(jīng)呈氧化狀態(tài)，這表明那時(shí)可能已經(jīng)存在大量的水。這意味著，早期地球可能并不像此前認(rèn)為的那樣，與今天的地球有那么大的不同。

研究人員表示，他們?cè)谧龅?，就是憑借這些零碎的證據(jù)，來(lái)拼湊出一個(gè)起源故事。接下來(lái)，他們希望能擴(kuò)大分析范圍，將更多的鋯石納入研究，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)更多與早期地球相關(guān)的信息。

#參考來(lái)源：

https://www.caltech.edu/about/news/ancient-zircon-crystals-provide-a-window-into-early-earth-history

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00628-3

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2525466123

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Wikipedia