早期地球或许并不像科学家此前认为的那样，与如今的地球差异巨大。来自澳大利亚的古老岩石晶体表明，地球地壳早在33亿年前就已开始活动。

对冥古宙地球的科学复原图。图片来源：Southwest Research Institute/Simone Marchi

地球的早期历史笼罩在神秘之中，因为板块移动已抹去许多地质方面的线索。为数不多的证据之一来自锆石晶体，这些晶体坚固的矿物质结构中保存着化学信息。3月2日发表于美国《国家科学院院刊》的一项关于锆石的研究发现，远古地球的氧气含量可能比研究人员原先推测的更高，甚至可能含有更多水。研究还表明，板块运动至少在33亿年前就已开始，这在地球45亿年的历史中属于相当早期。

“该研究成果对我们理解地球最初的10亿年意义重大。”美国威斯康星大学麦迪逊分校的地球化学家John Valley表示。

这些古老岩石中氧气含量超出预期，意味着当时地球环境或许比此前认为的更适宜生命存在。而如果板块早已开始运动，则说明地球当时已存在塑造地表的地质过程，并且通过循环关键化学物质，为生命诞生提供条件。

这项研究只是科学家长期探索早期地球面貌的一环。“这就像在一幅由一万块碎片组成的拼图里，找到了其中三四块。”论文第一作者、美国加州理工学院的地质学家Shane Houchin说。

Houchin及其团队研究了澳大利亚西部杰克山的数十块锆石晶体。这些是已知最古老的地球岩石碎片，部分可追溯至冥古宙——这一时期从地球形成开始，到约40亿年前结束。

研究人员运用多种技术对锆石展开分析，包括借助美国阿贡国家实验室的先进光子源对晶体边缘的化学状态进行精密X射线分析。结果发现，这些晶体边缘铀元素的氧化程度高于预期，即失去了更多电子，这一过程通常需要氧气参与。

由于锆石由地壳中的岩浆形成，所以它们蕴含着岩浆与大气相互作用的线索。“火山喷发时排出的气体，取决于岩浆的氧化程度，而这会直接影响大气中的氧气含量。”Houchin说。

澳大利亚麦考瑞大学的地球化学家Simon Turner与蒙纳士大学的地球化学家Hugh O’Neill表示，这篇论文的研究方法颇具创新性，但要确定这些结论仍需展开更多工作。他们提出，锆石边缘的氧化铀也可能由其他因素导致，如原始岩浆中的气体行为。

这些锆石还可能揭示地质学最具争议的课题之一：地球板块运动究竟始于何时、如何启动。

原始地球的岩浆可能形成了最早的坚硬板块，随后的板块运动最终塑造了今天的地球格局，如海洋与山脉的位置。

Houchin团队分析了锆石形成时的温度与压力条件。来自冥古宙的锆石显示，它们在高温环境下形成，说明即便当时压力较低，岩石温度也极高。而在相同压力条件下，约33亿年前的晶体形成温度更低。这些较晚形成的岩石可能是当地壳板块被带到地球内部更深处时形成的，因为那里压力更大。如果这一推断成立，那么当时地壳板块就已在移动。

这项研究与此前的其他研究的结论相吻合，包括上个月发表在《自然》的一篇论文——Valley及其团队同样对杰克山锆石展开分析，以寻找板块构造启动的证据。该研究分析了铌等微量元素，试图找出与现代大陆岩石相似的化学特征。科学家发现，早在40多亿年前的冥古宙，地壳板块就已开始移动、相互俯冲。他们认为，当时可能同时存在多种板块运动形式——部分地壳冷却后密度变大，被动沉入海底深处；另一些形成密度较小、类似大陆的岩石，仍会因相互碰撞而被挤压下沉。

Houchin希望将研究范围扩大到数百颗甚至更多锆石，继续挖掘远古地球的秘密。“我们手握这些碎片化的证据，试图拼凑出地球的起源故事。”他说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2525466123