新證據表明,地殼板塊構造可能始於30多億年前

澳大利亞岩石中的磁性線索表明,板塊構造開始於30多億年前

       

     

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

 

如果沒有板塊運動,地球上就不會有大陸、山脈,甚至生命本身。新的證據表明,這種地質過程至少在32億年前就開始了,這比我們預期的時間要早得多。

       

     

發表在《科學進展》雜誌上的一項新研究表明,早在32億年前,地球表面深處的板塊就在移動。科學家發現來自澳大利亞的古代岩石帶有磁性特徵,這可能與太古宙(40億到25億年前)的側向運動有關。

 

這項研究的作者之一、來自哈佛大學古地磁實驗室的地質學家亞歷克布倫納在一份新聞稿中說,基本上可以說,這個地質證據可以將地球板塊構造的記錄往前追溯至地球歷史的更早時期。根據我們發現的證據,似乎板塊構造更有可能發生在早期地球上,這就證明地球比很多人想象的更像今天的地球。

       

     

板塊運動是地球的重要特徵,它孕育了平整的陸地,塑造了崎嶇的山脈。重要的是,板塊運動會帶動地表以下深處的岩石,將它們向上推,暴露在大氣中。長此以往,它導致了一些重要的化學反應,促進了地球大氣的穩定,最終創造了如今的宜居環境。

       

     

澳大利亞西部皮爾巴拉克拉通的地質圖,显示了25到35億年前的岩石。綠色區域显示的是32億年前的玄武岩。整個圖像的寬度超過420公里(260英里)。圖片:亞歷克·布倫納,哈佛大學,西澳大利亞地質調查局的地圖數據。

 

為了進一步推進研究,布倫納和他的同事們深入澳大利亞西部,在那裡他們從皮爾巴拉克拉頓地區採集了岩石樣本。皮爾巴拉克拉頓地區地下是一片廣闊的古老而穩定的地殼,長度超過420公里(260英里),地表層分佈的一些岩石已經有35億年的歷史,它們代表了地球上最古老的地殼。

       

     

該團隊在2017年從一段被稱為 蜜雀玄武岩的岩心中提取了235個樣本。這些火山岩的非凡之處在於它們具有磁性,這意味着它們保留了地球磁場在太古宙岩石冷卻和凝固時的記錄。

 

科學家在實驗室中,將這些磁場信號結合已知玄武岩年齡,來推斷岩石的數百萬年運動歷史。研究表明,岩石在33.5億至31.8億年前之間移動,轉移的水平方向的速度每年約2.5厘米(0.98英寸),“速度可與現代板塊運動相媲美,”作者在他們的論文中寫道。

       

     

以前探測板塊運動的技術包括測量岩石隨時間變化的位置和識別岩石中與運動一致的化學特徵。這篇新論文採用了古地磁的方法,確定了地球板塊構造的早期時間,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定的運動造成的”這一說法增加了證據。

       

     

波茨坦大學地球動力學教授斯蒂芬·索博列夫表示,新的測量結果很有說服力。他告訴天文在線,他很感激關於太古代地球的新數據,特別是關於地球早期古地磁歷史的數據,他說,這是一項偉大的工作。但是他對”研究人員已經證實今天所觀察到的現代板塊構造的存在“持保留態度。

 

沒有參与這項新研究的索博列夫在寫給天文在線的一封电子郵件中寫道,這是大規模板塊運動……的第一個跡象,它表明32億多年前地球地殼發生了位移。當地殼板塊向兩側和向下移動時,這樣的位移是一種板塊運動(但不一定是現代全球類型的板塊運動)和大規模俯衝的跡象。

 

索博列夫說,論文作者可能檢測到的是一種特殊的區域類型的板塊構造,它可能存在於地球上的不同地方,可能是由地幔柱或大氣衝擊造成的,正如索博列夫與人合著的一篇《自然》雜誌的論文所述。

       

     

但任何類型的板塊構造都需要大規模俯衝,所以對我來說,這項工作提供了地球上已經超過31億年前發生大規模俯衝的新證據,索博列夫補充說,如果能在同一時期的其他克拉通收集到類似的數據,那就太好了。

 

另一個重要的影響因素是一種被稱為真極移的現象,研究人員無法對這種現象是造成觀測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於其自轉軸的重新定向。這可能是由於板塊構造造成的,但其他因素也可能導致地球表面的移動,如超火山活動、大塊冰蓋的融化,或任何其他可能改變行星質量分佈從而改變其繞地軸旋轉的方式的因素。

 

索博列夫說:“對地球上過去一億年的典型真實極地漂移的估計產生的運動速度比它們每年2.5厘米的速度要快,但我們不知道這在太古宙是如何發生的。”

       

     

因此,作者說真實的極移可以解釋他們的數據,但是考慮到觀測到的時間間隔,板塊構造更適合他們。

 

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

作者: George Dvorsky

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