锆石、板块构造和生命之谜 – 物理世界

我们脚下的地面可能看起来坚固且静止。 但纵观地球历史，覆盖地球的相对较薄的表层不断被构造力挤压、破裂和重塑。 当被压抑的能量突然释放时，板块构造可以移动大陆，建造山脉，并引发地震和火山。

尽管构造运动可以在局部范围内不加区别地摧毁生命，但它对于维持地球表面的宜居条件也至关重要。 这是因为富含碳的材料在“俯冲带”（一个板块被推向另一个板块的区域）被回收回到地球内部，这一过程有助于调节碳循环。 同时，火山活动释放的水蒸气和气体有助于稳定地球的气候和大气条件。

我们只需要观察金星的有毒大气——其中含有浓密的二氧化碳和硫酸云——就可以了解在没有板块构造的岩石行星上会发生什么。 这就是为什么许多地球科学家因此认为板块构造一定在生命出现时就已经存在，即地球历史的最初十亿年。 从本质上讲，板块构造被认为是生命存在的关键先决条件。

但是， 新发现 一个国际研究小组的研究表明，生命可能早于板块构造——而且生命可能在某种程度上先出现。 如果这项工作成立，我们年轻的星球可能在一种被称为“停滞盖”的更基本的构造形式下经历了很长一段没有可移动板块的时期。 如果这一假设得到证实，将改变我们对生命如何出现和生存的理解，并可能有助于寻找地球以外的生命。

摇摇欲坠

板块构造的概念今天可能已被广泛接受，但多年来一直存在争议。 故事开始于1912年，当时德国科学家 阿尔弗雷德韦格纳 提出了“大陆漂移”的观点。 他认为今天的大陆曾经是一个更大的超级大陆的一部分，但后来漂移到了地球表面的当前位置。 在他的书中 大陆和海洋的起源韦格纳著名地指出了南美洲和非洲的海岸线如何像拼图一样拼凑在一起，并描述了类似的化石如何在世界完全不同的地方出现。

韦格纳的想法最初遭到了怀疑，主要是因为研究人员不确定是什么使板块移动。 20世纪中叶，答案开始出现： 制作的地图 1953年由美国地质学家和制图师 玛丽·萨普 揭示了横跨整个大西洋并与大陆海岸线平行的洋中脊的存在。 萨普认为，其中心有一个巨大的山谷，这表明海底正在扩张。

海底扩张的完整理论 随后提出 由美国地质学家 哈里·赫斯，1962 年。 他认为，洋壳正在洋中脊不断形成，来自地球内部的熔融物质作为对流单元的一部分涌到地表，然后凝固成新的海底。 然后，随后上涌的岩浆将新鲜的地壳沿两个方向水平分流。

与此同时，在海洋板块与大陆接壤的地方，较旧的海洋地壳部分被推到海沟处密度较低的大陆地壳下方，并循环回到地球内部。 事实上，板块下沉的尖端也会在板块坠入深渊时将板块的其余部分拖到后面，从而导致海底扩张。

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1963 年，英国地质学家发现了海底扩张的证据 弗雷德里克·瓦恩 和 德拉蒙德·马修斯 研究了一艘穿越印度洋海脊的研究船对地球磁场的测量结果。 他们注意到场不均匀，但 条纹状的异常现象 与海脊平行，并且在其两侧几乎对称，横跨海底。 他们说，这些条纹的出现是因为当岩石凝固时，新形成的海底内的磁性矿物往往与地球磁场一致。 每当地球磁场翻转时，就会形成新的条纹——这种现象在地球历史上曾多次发生，即北极突然变成南极。

打个比方，移动的海底就像一盘老式的盒式磁带，记录着地磁场的每一次逆转。 每次逆转都可以通过化石研究和从海底钻探的玄武岩的辐射测试来确定年代，以绘制磁场的历史。 如今，板块构造的存在几乎已被普遍接受。

但对于板块构造何时开始，人们的共识要少得多。 部分问题在于，地球大约在 4.54 亿年前形成，而今天几乎所有超过 200 亿年的海洋地壳都被回收回地球。 换句话说，我们地球历史的长期档案包含在大陆隐藏的岩层中。

但即便如此，在最初的十亿年里留下的少数可接近的岩石也已经因热量、化学、物理风化和极端压力而发生了显着的改变。 这就是为什么没有人确定板块构造何时开始，估计范围从超过 4亿年前至仅700亿年前 几年前。 这是一个巨大且令人不满意的不确定性。

更令人好奇的是，无可争议的最早的生命化石证据可以追溯到 3.5 至 3.4 亿年前，沉积岩中的生命特征表明生命可能已经存在 3.95十亿 几年前。 那么生命是否可能在板块构造出现之前几亿年就已经出现了呢？ 由于这一时期幸存下来的原始岩石非常少，地质学家常常陷入猜测的境地。

锆石：来自地球火热起源的时间胶囊

幸运的是，地球科学家有一个秘密武器可以获取早期地球状况的快照。 打招呼 锆石 – 化学稳定的矿物碎片（ZrSiO₄）存在于各种颜色和地质环境中。 对于地球科学家来说，锆石的美妙之处在于它们基本上不受母岩变化的影响。 它们就像那个遥远时期的时间胶囊。

特别是，科学家们最近正在研究 古代锆石 是在地球最初 600 亿年形成的花岗岩中结晶的。 在此期间，被称为 冥界，我们的星球是一个地狱般的地方，可能笼罩在富含二氧化碳的大气中，并且经常受到地外天体的轰炸。 其中之一可能创造了月球。

然而，尽管没有地壳，但固体岩石似乎一定已经形成，因为今天幸存下来的数量有限。 此处存在长达 4 亿年的完整岩石 阿卡斯塔片麻岩杂岩 位于加拿大西北部，已知最古老的地球起源物质已有 4.4 亿年历史 在澳大利亚杰克山发现的锆石晶体 (自然地球科学 10 457）。 它们位于更新的“变沉积”岩石中。

在这项新研究中 (自然 618 531），研究人员研究了跨越 3.9 至 3.3 亿年前的杰克山锆石，以及在南非巴伯顿绿岩带发现的同一时期的锆石。 由...领着 约翰·塔杜诺 来自美国罗彻斯特大学的研究人员最初感兴趣的是锆石可能揭示该时期地球磁场状态的信息。 直到后来他们才意识到他们的发现具有更广泛的影响。

澳大利亚和南非遗址的锆石晶体被发现含有一种称为磁铁矿的富铁矿物内含物，这种矿物在形成时被地球磁场磁化。 尽管数十亿年过去了，有关地球古代磁场的信息一直被锁定在锆石晶体中。 事实上，由于地球磁场是偶极子，场强随纬度变化，因此测量锆石磁铁矿含量中的剩余磁化强度可以揭示其形成的纬度。

下一个挑战是确定锆石样品的年代。 方便的是，锆石的晶体结构还包含铀，铀以已知的速率逐渐衰变成铅。 因此，研究人员可以根据铀与铅的比例计算出锆石晶体的年龄，塔尔杜诺的团队使用铀与铅的比例进行了测量。 选择性高分辨率离子微探针，或虾。

如果板块构造在本研究涵盖的 600 亿年间就已经存在，那么你会期望随着板块的移动，锆石晶体会在不同的纬度形成。 这反过来意味着锆石晶体将具有一系列磁化强度，具体取决于它们的年龄。 然而，令他们惊讶的是，塔杜诺和团队发现了一些非常不同的东西。

在澳大利亚和南非遗址，磁化强度在 3.9 至 3.4 亿年前之间几乎保持不变。 这表明两组锆石都是在不变的纬度上形成的。 换句话说，板块构造尚未开始。 研究人员解释说，得出这一结论的部分原因是，在过去 600 亿年里，板块平均沿纬度移动了至少 8500 公里。 在最近一段时间里，从来没有两个板块同时保持在恒定纬度的例子。”

换句话说，板块构造尚未开始。 研究人员得出的结论是，地球可能具有更初级的构造，其中仍然包括地球表面固体岩石的一些化学循环和破裂。

当今的板块构造与此之间的关键区别 “停滞的盖子” 构造的形式是后者不包括在表面水平移动的板块，这使得热量能够有效地释放。 相反，地球将是一个溃烂的世界，没有大陆地壳，而是由厚厚的海洋地壳的孤立区域组成，这些区域被上涌的岩浆区域隔开（图 1）。 “也许停滞的盖​​子是一个不幸的名字，因为人们可能会认为什么都没有发生，”塔杜诺说。 “但你所拥有的是涌出的物质羽流，它们可以加热这个原始地壳和岩石圈的底部。”

在研究期结束时（3.4-3.3亿年前），在锆石晶体中观察到的磁化强度开始增强，塔尔杜诺认为这可能表明板块构造的开始。 原因是巨大的地壳板在俯冲带下降到地球内部导致地幔冷却得更快。 反过来，这个过程可以增强外核的对流效率，从而产生更强的地磁场。

早年生活的“金发姑娘的处境”？

如果正如这项研究所暗示的那样，基本生命在构造运动出现前近 XNUMX 亿年就已经存在，那么这就提出了一个有趣的问题：生命如何在没有板块构造的世界中生存。 静止盖相产生的较弱磁场会使地球表面更容易受到宇宙辐射的影响，而我们当前的强磁场则使我们免受宇宙辐射的影响。 然后，太阳风中的高能质子会与大气粒子相撞，给它们充电并赋予能量，以便它们能够逃入太空——原则上，会剥夺整个行星的水。

但塔尔杜诺表示，即使在这项新研究中观察到的相对较弱的磁场强度也会提供一些屏蔽。 事实上，他认为这种酝酿、停滞的构造形式可能创造了一种“金发姑娘的情况”，这种情况恰好适合原始生命，不受成熟的板块构造中可能发生的环境条件的巨大变化的影响。

这是一个诱人的想法，因为静止的盖子形式的构造被认为在整个太阳系中很常见，存在于金星、水星上，而在火星上则以不太动态的形式存在。

为了开展这项研究，塔杜诺的团队现在计划研究来自其他地点的类似年龄的锆石，以提供更广泛的数据点。 “我们的方法与之前的工作不同，因为我们有一个运动指示器，”他说。 “从地球历史上这个时期开始，所有关于板块构造的争论都是基于地球化学，而不是板块构造的主要指标。”

彼得·卡伍德澳大利亚莫纳什大学地球科学家，并未参与此事 自然 研究表明，对早期地球的进一步了解可能来自太阳系中那些表面尚未被板块构造反复回收的地方。 “火星、月球和陨石提供了更广泛的早期历史记录，”他说。 “来自这些天体的样本，特别是从火星样本返回任务的潜力，可能会为早期地球的作用过程提供重要的新见解。”

时代还是事件？ 定义人类世

这方面的巨大飞跃可能会通过 火星样本返回任务，计划于 2027 年发射。但卡伍德认为，对于初始生命的发展来说，也许一个更关键的问题是水——生命的先决条件——第一次出现在地球上。 “之前使用氧同位素对杰克山锆石进行的研究表明，至少从 4400 亿年前起就有水了，”他说。

对于卡伍德来说，这项研究可能有助于寻找太阳系内外的生命，甚至有助于我们了解生命的样子。 “如果地球上的生命是在这个停滞的盖子阶段发展起来的，那么也许这也发生在火星上。 如果地球仍处于停滞的盖子阶段并且生命继续进化，那么它肯定会与我们今天的生物圈有所不同。 所以，套用斯波克对柯克的话来说——“这就是生活，吉姆，但不是我们所知道的那样”。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/