地球上的第一塊大陸比我們想象的要早數(shù)億年

一項(xiàng)新的研究表明，地球上的第一塊大陸，被稱為cratons（克拉通），是在32億至32億年前從海洋中出現(xiàn)的。

這項(xiàng)研究推翻了之前對(duì)克拉通何時(shí)首次從水中升起的預(yù)估。因?yàn)楦鞣N研究表明，大規(guī)模的克拉通出現(xiàn)發(fā)生在大約25億年前。

沒有參與這項(xiàng)新研究的俄勒岡大學(xué)地質(zhì)學(xué)教授伊利亞·賓德曼 (Ilya Bindeman) 說：“早在34億年前，大陸就已經(jīng)部分脫離水，這一點(diǎn)是毫無疑問的。” 這是因?yàn)榭茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)了沉積巖——它是由其他經(jīng)過侵蝕和風(fēng)化的巖石碎塊形成的——這可以追溯到那個(gè)時(shí)代，因?yàn)檫@種沉積巖只有在陸地突破早期的地球海洋表面時(shí)才能形成。

但是賓德曼在一封電子郵件中告訴《生命科學(xué)》（Live Science），盡管地質(zhì)學(xué)家知道至少有部分克拉通一定是在 30 億多年前顯露出來的，但它們出現(xiàn)的確切時(shí)間和程度仍然存在一定爭(zhēng)議。該研究的作者認(rèn)為，整個(gè)克拉通，不僅僅是一小塊的陸地，在33億年前從海洋中便已出現(xiàn)，盡管當(dāng)時(shí)地球缺乏推動(dòng)這些漂浮的地殼向上移動(dòng)所需的“現(xiàn)代板塊構(gòu)造”。

對(duì)于11月8日發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS) 上的這項(xiàng)新研究，作者徒步前往位于印度東部的辛格布姆克拉通。第一作者、莫納什大學(xué)地球大氣及澳大利亞墨爾本環(huán)境學(xué)院的博士后研究員 Priyadarshi Chowdhury說，之前在克拉通發(fā)現(xiàn)了古代沉積巖的“口袋”，研究小組想要確定它們的確切年齡和形成方式的性質(zhì)。

在河流或海灘般的環(huán)境中，Chowdhury 告訴《生命科學(xué)》說：“當(dāng)我們將所有沉積袋聯(lián)系到一起時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它們都是同時(shí)形成的，”。這意味著大部分克拉通同時(shí)暴露在空氣和流動(dòng)的水中。 “這就像我們意識(shí)到，好吧，我們正在做某事的時(shí)候。

迄今為止，研究小組對(duì)這些巖石進(jìn)行了檢查，以尋找稱為鋯石的微小晶體，其中含有放射性元素鈾。 “我們從巖石中取出鋯石——這是一個(gè)非常乏味的過程，”喬杜里說。 “你可以想象，尋找鋯石就像大海撈針一樣，”因?yàn)殇喪w粒的直徑只有幾十微米，類似于非常細(xì)的沙子。

這張?zhí)貙懻掌@示了印度辛格布姆克拉通的古老沉積巖。（圖片來源：由 Priyadarshi Chowdhury 提供）

收集鋯石后，研究小組使用一種稱為質(zhì)譜的技術(shù)用激光照射晶體，以揭示它們的化學(xué)成分。由于鈾以固定的速率衰變?yōu)殂U，研究小組可以通過檢查每個(gè)樣品中鈾與鉛的比例確定巖石的年齡；據(jù)此，他們估計(jì)整個(gè)克拉通大約在32億至33億年前顯露在外。

但是，是什么力量首先將印度辛格布姆克拉通顯露出水面呢？為了弄清楚這一點(diǎn)，該文作者從克拉通取樣了火成巖，研究出巖石是通過熱巖漿的結(jié)晶形成的。這些火成巖位于克拉通沉積巖的正下方，形成了一種“基底”，喬杜里說。

他說，這些火成巖的化學(xué)成分編碼信息體現(xiàn)了有關(guān)它們最初形成時(shí)的壓力和溫度?？紤]到這些化學(xué)成分，該團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)模型來重建形成巖石的條件，然后迫使它們露出海洋表面。

該模型表明，大約35億至32億年前，地殼下的熾熱巖漿流淌導(dǎo)致部分克拉通變厚，并富含具有浮力的輕質(zhì)材料，如西西里和石英。Chowdhury 說，與周圍較致密的巖石相比，這個(gè)過程使克拉通“物理上厚而化學(xué)上輕”，從而使陸地塊浮出水面。

科學(xué)家從印度 Singhbhum 克拉通收集巖石的現(xiàn)場(chǎng)照片。（圖片來源：由Priyadarshi Chowdhury提供）

其他克拉通包含與印度辛格布姆克拉通年齡相似的沉積巖，包括南非的卡普瓦爾克拉通和澳大利亞的皮爾巴拉克拉通。研究作者在他們的報(bào)告中寫道，根據(jù)這項(xiàng)新研究，這些克拉通也有可能在超過 30 億年前全部出現(xiàn)。盡管大陸的這種大規(guī)模出現(xiàn)是可能的，但仍然存在有關(guān)這一地球歷史時(shí)期的幾個(gè)較大問題：一次究竟有多少土地暴露在外，這些陸地在水面上停留了多長(zhǎng)時(shí)間？喬杜里認(rèn)為在這一點(diǎn)上，這兩個(gè)問題的答案仍然是個(gè)謎。

賓德曼說：“許多本可以出現(xiàn)的巖石現(xiàn)在已經(jīng)向下傾斜了”，這意味著它們滑到了鄰近的地殼塊下，并被推入了下面的地幔中。Eos 報(bào)道說，一般而言，大陸地殼比海洋下方的地殼更不容易受到傾斜俯沖的影響，但它仍然會(huì)受到作用于地殼內(nèi)外的各種力的影響而變形和損壞。 “你會(huì)發(fā)現(xiàn)你進(jìn)入地質(zhì)記錄的時(shí)間越長(zhǎng)，巖石就越少……”

同時(shí)喬杜里指出，但即使一些克拉通在首次出現(xiàn)在水面后不久就沉入海中，它們也會(huì)引發(fā)地表世界的重大變化。

例如，地球上首次出現(xiàn)陸地的現(xiàn)象會(huì)引發(fā)風(fēng)化和侵蝕等過程，而這些過程又會(huì)將磷等元素帶入海洋，為地球上的第一批生命形成提供關(guān)鍵因素。喬杜里認(rèn)為，也就是說，被稱為藍(lán)藻或藍(lán)綠藻的生物最終會(huì)進(jìn)入海洋，并通過光合作用將氧氣引入大氣。

喬杜里還提出，在大約24.5億年前，氧氣成為地球大氣層的主要成分之前，有證據(jù)表明各處出現(xiàn)了所謂的氧氣氣味。他推測(cè)，這些氣味可能與克拉通的首次出現(xiàn)有關(guān)，因?yàn)殛懙馗浇赡艹霈F(xiàn)了少量的藍(lán)藻，并增加了局部范圍內(nèi)的氧氣含量。

與此同時(shí)，陸地上二氧化硅等物質(zhì)的風(fēng)化現(xiàn)象會(huì)從大氣中吸收二氧化碳，從而在區(qū)域范圍內(nèi)冷卻地球。風(fēng)化二氧化硅的這種副作用是眾所周知的。據(jù) Eos 報(bào)道，如今，硅酸鹽巖石的風(fēng)化每年從大氣中吸收約1.5億至3.3億噸（136-2.99 億公噸）的二氧化碳。

關(guān)于克拉通何時(shí)以及如何完全出現(xiàn)，“辯論可能會(huì)繼續(xù)，”賓德曼說。 他補(bǔ)充到，在理論上，新克拉通的發(fā)現(xiàn)將有助于一勞永逸地解決這個(gè)問題。

“每個(gè)人都在研究一些早已為人所知的地方”，但未被發(fā)現(xiàn)的顯露之處可能隱藏在南極洲或俄羅斯的未開發(fā)地區(qū)，找到它們可能有助于填補(bǔ)地球上第一塊大陸何時(shí)以及如何出現(xiàn)的全球空白，賓德曼告訴《生命科學(xué)》。

BY: Nicoletta Lanese

FY: 茗。

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