冥古宙时期的地球。图片来源：Simone Marchi

本报讯 早期的地球或许并不像科学家此前认为的那样与今天的地球有什么不同。来自澳大利亚的古老岩石晶体表明，这颗行星的地壳可能早在33亿年前就开始活动了。

地球的早期历史一直笼罩在神秘之中，因为构造板块的移动抹去了许多地质线索。为数不多的证据来自锆石晶体，它们在坚固的矿物质结构中保存着化学信息。一项3月2日发表于美国《国家科学院院刊》的锆石研究发现，远古地球可能含有比研究人员推测的更多的氧气，甚至可能还有更多的水。研究表明，板块运动至少在33亿年前就已发生，这是地球45亿年历史中相对较早的时期。

“这项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John Valley说。

这些古老岩石的氧气含量超出预期，意味着当时的地球环境或许比此前认为的更适宜生命的存在。而如果构造板块已经开始运动，则说明当时已存在能够塑造地球的地质过程，并且通过循环利用关键的化学物质，使生命诞生成为可能。

这项研究只是科学家长期探索早期地球面貌的一个环节。“这就像在一幅由1万块碎片组成的拼图里找到了其中的三四块。”论文第一作者、美国加州理工学院的Shane Houchin说。

Houchin团队研究了来自澳大利亚西部杰克山的数十块锆石晶体。它们是已知最古老的地球岩石碎片，有些可追溯至冥古宙——这一时期始于地球形成之时，到约40亿年前结束。

研究人员运用多种技术对锆石进行了分析，包括借助美国阿贡国家实验室先进的光子源，对晶体边缘的化学状态进行复杂的X射线分析。结果发现，这些晶体边缘的铀元素的氧化程度高于预期，这意味着它们失去了电子。这一过程通常在氧气存在的情况下才能发生。

由于锆石是由地壳中的岩浆形成的，所以它们为研究岩浆与大气的相互作用提供了线索。“火山喷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Simon Turner与蒙纳士大学的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是其他因素产生的结果，如原始岩浆中的气体行为。

这些锆石还可能揭示地质学中最具争议的话题之一，即地球板块运动究竟始于何时以及如何开始。

原始地球上的岩浆可能形成了最早的固体板块，随后的板块运动最终形成了塑造今天地球面貌的动力学机制，如海洋与山脉的位置等。

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，它们是在高温环境中形成的，说明即使当时压力较低，岩石温度仍极高。而在相同压力条件下，约33亿年前的晶体则显示出较低的形成温度。这些较晚形成的岩石可能是在地壳板块被带到地球内部更深处时形成的，那里的压力更高。如果这一推断成立，那么当时的地壳板块就已经在四处移动了。

这项研究与此前的其他结论相吻合，包括上个月发表于《自然》的一篇论文——Valley团队同样对杰克山的锆石进行了分析，以寻找构造板块启动的证据。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，可能被动下沉到很深的地方；另一些可能形成了密度较小、类似大陆的岩石，但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块甚至更多锆石，从而继续挖掘远古地球的秘密。“我们手握这些零碎的证据，正试图拼凑出一个起源故事。”（李木子）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1073/pnas.2525466123