澳大利亞巖石中的磁性線索表明，板塊構(gòu)造開(kāi)始于30多億年前

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約30到40億年前地殼的模擬橫截面圖。圖源：亞歷克·布倫納，哈佛大學(xué)

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如果沒(méi)有板塊運(yùn)動(dòng)，地球上就不會(huì)有大陸、山脈，甚至生命本身。新的證據(jù)表明，這種地質(zhì)過(guò)程至少在32億年前就開(kāi)始了，這比我們預(yù)期的時(shí)間要早得多。

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發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)新研究表明，早在32億年前，地球表面深處的板塊就在移動(dòng)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)來(lái)自澳大利亞的古代巖石帶有磁性特征，這可能與太古宙(40億到25億年前)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

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這項(xiàng)研究的作者之一、來(lái)自哈佛大學(xué)古地磁實(shí)驗(yàn)室的地質(zhì)學(xué)家亞歷克布倫納在一份新聞稿中說(shuō)，基本上可以說(shuō)，這個(gè)地質(zhì)證據(jù)可以將地球板塊構(gòu)造的記錄往前追溯至地球歷史的更早時(shí)期。根據(jù)我們發(fā)現(xiàn)的證據(jù)，似乎板塊構(gòu)造更有可能發(fā)生在早期地球上，這就證明地球比很多人想象的更像今天的地球。

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板塊運(yùn)動(dòng)是地球的重要特征，它孕育了平整的陸地，塑造了崎嶇的山脈。重要的是，板塊運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)地表以下深處的巖石，將它們向上推，暴露在大氣中。長(zhǎng)此以往，它導(dǎo)致了一些重要的化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)了地球大氣的穩(wěn)定，最終創(chuàng)造了如今的宜居環(huán)境。

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澳大利亞西部皮爾巴拉克拉通的地質(zhì)圖，顯示了25到35億年前的巖石。綠色區(qū)域顯示的是32億年前的玄武巖。整個(gè)圖像的寬度超過(guò)420公里(260英里)。圖片:亞歷克·布倫納，哈佛大學(xué)，西澳大利亞地質(zhì)調(diào)查局的地圖數(shù)據(jù)。

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為了進(jìn)一步推進(jìn)研究，布倫納和他的同事們深入澳大利亞西部，在那里他們從皮爾巴拉克拉頓地區(qū)采集了巖石樣本。皮爾巴拉克拉頓地區(qū)地下是一片廣闊的古老而穩(wěn)定的地殼，長(zhǎng)度超過(guò)420公里(260英里)，地表層分布的一些巖石已經(jīng)有35億年的歷史，它們代表了地球上最古老的地殼。

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該團(tuán)隊(duì)在2017年從一段被稱為?蜜雀玄武巖的巖心中提取了235個(gè)樣本。這些火山巖的非凡之處在于它們具有磁性，這意味著它們保留了地球磁場(chǎng)在太古宙巖石冷卻和凝固時(shí)的記錄。

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科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中，將這些磁場(chǎng)信號(hào)結(jié)合已知玄武巖年齡，來(lái)推斷巖石的數(shù)百萬(wàn)年運(yùn)動(dòng)歷史。研究表明,巖石在33.5億至31.8億年前之間移動(dòng),轉(zhuǎn)移的水平方向的速度每年約2.5厘米(0.98英寸),“速度可與現(xiàn)代板塊運(yùn)動(dòng)相媲美,”作者在他們的論文中寫(xiě)道。

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以前探測(cè)板塊運(yùn)動(dòng)的技術(shù)包括測(cè)量巖石隨時(shí)間變化的位置和識(shí)別巖石中與運(yùn)動(dòng)一致的化學(xué)特征。這篇新論文采用了古地磁的方法，確定了地球板塊構(gòu)造的早期時(shí)間，大約在地球形成后的13億年左右。更重要的是，這篇新論文為“地球早期地殼的變化是由這些緩慢而穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)造成的”這一說(shuō)法增加了證據(jù)。

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波茨坦大學(xué)地球動(dòng)力學(xué)教授斯蒂芬·索博列夫表示，新的測(cè)量結(jié)果很有說(shuō)服力。他告訴天文在線，他很感激關(guān)于太古代地球的新數(shù)據(jù)，特別是關(guān)于地球早期古地磁歷史的數(shù)據(jù)，他說(shuō)，這是一項(xiàng)偉大的工作。但是他對(duì)”研究人員已經(jīng)證實(shí)今天所觀察到的現(xiàn)代板塊構(gòu)造的存在“持保留態(tài)度。

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沒(méi)有參與這項(xiàng)新研究的索博列夫在寫(xiě)給天文在線的一封電子郵件中寫(xiě)道，這是大規(guī)模板塊運(yùn)動(dòng)……的第一個(gè)跡象，它表明32億多年前地球地殼發(fā)生了位移。當(dāng)?shù)貧ぐ鍓K向兩側(cè)和向下移動(dòng)時(shí)，這樣的位移是一種板塊運(yùn)動(dòng)(但不一定是現(xiàn)代全球類型的板塊運(yùn)動(dòng))和大規(guī)模俯沖的跡象。

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索博列夫說(shuō)，論文作者可能檢測(cè)到的是一種特殊的區(qū)域類型的板塊構(gòu)造，它可能存在于地球上的不同地方，可能是由地幔柱或大氣沖擊造成的，正如索博列夫與人合著的一篇《自然》雜志的論文所述。

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但任何類型的板塊構(gòu)造都需要大規(guī)模俯沖，所以對(duì)我來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作提供了地球上已經(jīng)超過(guò)31億年前發(fā)生大規(guī)模俯沖的新證據(jù)，索博列夫補(bǔ)充說(shuō)，如果能在同一時(shí)期的其他克拉通收集到類似的數(shù)據(jù)，那就太好了。

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另一個(gè)重要的影響因素是一種被稱為真極移的現(xiàn)象，研究人員無(wú)法對(duì)這種現(xiàn)象是造成觀測(cè)到的位移的原因做出明確解釋。真正的極移描述了行星相對(duì)于其自轉(zhuǎn)軸的重新定向。這可能是由于板塊構(gòu)造造成的，但其他因素也可能導(dǎo)致地球表面的移動(dòng)，如超火山活動(dòng)、大塊冰蓋的融化，或任何其他可能改變行星質(zhì)量分布從而改變其繞地軸旋轉(zhuǎn)的方式的因素。

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索博列夫說(shuō):“對(duì)地球上過(guò)去一億年的典型真實(shí)極地漂移的估計(jì)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)速度比它們每年2.5厘米的速度要快，但我們不知道這在太古宙是如何發(fā)生的?！?/span>

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因此，作者說(shuō)真實(shí)的極移可以解釋他們的數(shù)據(jù)，但是考慮到觀測(cè)到的時(shí)間間隔，板塊構(gòu)造更適合他們。

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展望未來(lái)，研究人員想要研究更多來(lái)自皮爾巴拉克拉通和其他古代巖石沉積物的樣本。

作者: George Dvorsky

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