锆石揭示了地球早期的秘密：板块构造是什么时候开始的？
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地球有板块构造，它们之间有时会碰撞、分离或者滑动。这些运动会导致地震、火山、山脉和大洋等地貌的形成。板块构造也对地球的气候和生物有重要的影响，比如它可以调节大气中的二氧化碳浓度，从而影响温室效应。
但是，地球上一直有板块构造吗？如果没有，那么它是什么时候开始的呢？这是一个很有趣但也很难回答的问题，因为我们没有直接观察到地球早期的情况，只能通过一些间接的证据来推断。其中一个重要的证据就是古地磁学，也就是研究古老岩石中记录的地磁场信息。地磁场是由地球内部流动的电导性物质产生的，它会随着时间变化。如果我们能够测量出古老岩石中记录的地磁场强度和方向，我们就可以推断出当时地球内部的运动情况，从而判断是否存在板块构造。 但是，要做到这一点并不容易，因为古老岩石很少，而且经过了很多次变形和变质作用，可能会改变或者破坏原来记录的地磁场信息。所以我们需要找一种能够保存原始地磁场信息，并且能够准确测量出来的物质。幸运的是，我们找到了这样一种物质，那就是锆石。 锆石是一种含有锆、硅和氧的矿物，有时还含有其他元素，如铀或钍。它们非常耐风化和变质，可以在经受高温高压的岩石中存活。锆石还可以包含其他矿物的微小包裹体，如磁铁矿，这是一种磁性的氧化铁。
锆石对于地质学家来说很重要，因为它们可以提供关于它们所在岩石的年龄、来源和演化的线索。通过测量锆石中铀和钍的放射性衰变，我们可以高精度地确定它们的年龄。通过分析锆石的化学成分和同位素比例，我们可以推断它们结晶时的岩浆或沉积物的来源和性质。通过研究锆石的磁性，我们可以了解它们形成时地球磁场的强度和方向。 当锆石从熔融状态形成时，它们可以捕获其中包含小颗粒的磁铁矿。这些颗粒就像微小的磁铁，会与周围的磁场排列一致。当锆石冷却时，它们就锁定了这种取向，并将其保存了数十亿年，除非它们再次受到加热或变形。 那么怎么测量呢？我们使用了一种叫做古地磁强度仪的仪器，它可以对锆石进行加热和冷却的循环，同时测量它们的磁化强度。通过这种方法，我们可以得到锆石中铁氧化物颗粒的原始磁化强度，也就是当时地磁场强度的一个指标。我们还可以通过另一种叫做扫描电子显微镜的仪器，来观察锆石中铁氧化物颗粒的形状和分布，从而判断它们是否是原生的，也就是说是否是在锆石形成时就存在的，而不是后来被加入或者改变的。 研究人员从南非的巴伯顿绿岩带采集了一些含有锆石的沉积岩样品，这些岩石的年龄大约在39亿年到33亿年之间，也就是地球历史上最早的一段时间。他们对这些样品进行了上述的测量和分析，得到了一些有趣的结果。 首先，研究人员发现锆石中铁氧化物颗粒的原始磁化强度在这段时间内基本没有变化，都在10-20微特斯拉之间。这意味着当时地球表面的纬度也没有变化，因为地磁场强度和纬度有关系。如果地球上有板块构造，那么岩石应该会随着板块移动而改变纬度，从而导致地磁场强度的变化。但是他们没有观察到这种变化，所以推断当时地球上没有板块构造，而是处于一种静止岩石圈构造的状态。 什么是静止岩石圈构造呢？简单来说，就是地球表面只有一层厚而坚硬的岩石圈，它不会分裂或者移动，而是覆盖在下面流动的软流圈之上。这种情况下，地球内部的热量只能通过岩浆喷发或者导热来释放，而不会像板块构造那样通过对流循环来释放。这样就会导致地球内部温度较高，地幔粘度较低，地核对地幔的耦合较弱。这些因素都会影响地球内部产生地磁场的过程。 其次，他们发现锆石中铁氧化物颗粒的原始磁化强度和之前从澳大利杰克山采集的锆石中得到的结果非常相似 。这说明这两个地方的锆石都记录了同样的地球早期历史，并且证明了锆石作为古地磁学记录载体的可靠性。 最后，研究人员发现锆石中铁氧化物颗粒的原始磁化强度在33亿年左右开始出现明显的下降，并且在30亿年左右达到最低值。这可能意味着当时地球内部发生了一些重要的变化，比如温度下降、粘度上升、核幔耦合增强等。这些变化可能促进了地球表面岩石圈的破裂和移动，也就是板块构造的开始。这样，地球内部的热量就可以通过对流循环来释放，从而降低地幔温度，增强地核对地幔的耦合，进而增强地磁场强度。这一过程可能持续了几亿年，直到地球进入了现在的板块构造状态。 这就是最近发表在《自然》的研究结果，它给我们提供了一个新的视角来看待地球早期的构造运动和地磁场演化。研究人员还认为，如果生命是在39亿年前就出现了，并且在35亿年前就形成了史前细菌群落，那么它们是在一个没有板块构造的静止岩石圈构造的环境中诞生和发展的。这意味着当时地球上没有像现在那样的地质循环和化学循环，也没有像现在那样的气候调节和生物多样性。这对我们理解生命的起源和演化有很大的启示。 当然，他们的研究还有很多不足和不确定性，比如只采集了有限的样品，而且只测量了一种物质。他们还需要更多的证据和方法来验证和完善结论。我们希望能够找到更古老的岩石和锆石，来探索更早期的地球历史。这是一个非常有趣但也非常困难的领域，需要更多的人来参与和贡献。 |
