科學家們進行了一次時間回溯之旅，以揭開地球早期歷史的神秘面紗，利用被稱為鋯石的微小礦物晶體來研究數十億年前的板塊構造學。這項研究揭示了早期地球存在的條件，揭示了地球的地殼、核心和生命出現之間複雜的相互作用。

板塊構造涉及地球表面大型板塊的水平運動和相互作用。新的研究表明，移動板塊構造–被認為是創造一個宜居星球的必要條件–在39億年前的地球上並沒有發生。資料來源：羅切斯特大學插圖/Michael Osadciw

板塊構造使地球內部的熱量逸出到地表，形成生命出現所需的大陸和其他地質特徵。因此，羅切斯特大學地球和環境科學系教授約翰-塔爾杜諾說：”一直有這樣的假設，即板塊構造對生命是必要的。但是新的研究對這個假設提出了質疑。”

塔爾杜諾是小威廉-R-凱南（William R. Kenan, Jr. 地球物理學教授Tarduno是發表在《自然》雜誌上的一篇論文的主要作者，該論文研究了39億年前的板塊構造，科學家認為在那時地球上出現了第一批生命的痕跡。研究人員發現，移動板塊構造在這個時期沒有發生。相反，他們發現，地球正在通過所謂的停滯蓋子製度釋放熱量。結果表明，儘管板塊構造是維持地球上生命的一個關鍵因素，但它並不是生命起源於類地行星的一個必要條件。

“我們發現在生命最初被認為是起源的時候並沒有板塊構造，而在之後的幾億年裡也沒有板塊構造，”Tarduno說。”我們的數據表明，當我們在尋找孕育生命的系外行星時，這些行星不一定需要有板塊構造。”

從鋯石研究中走出的一條意外的彎路

研究人員最初並不是為了研究板塊構造。”我們研究鋯石的磁化，因為我們正在研究地球的磁場，”Tarduno說。鋯石是含有磁性顆粒的微小晶體，可以鎖定鋯石形成時的地球磁化。通過測定鋯石的年代，研究人員可以構建一條追踪地球磁場發展的時間線。

地球磁場的強度和方向因緯度不同而變化。例如，目前的磁場在兩極最強，在赤道最弱。掌握了關於鋯石磁性的信息，科學家可以推斷出鋯石形成的相對緯度。也就是說，如果地球動力的效率–產生磁場的過程–是恆定的，而磁場的強度在一個時期內是變化的，那麼鋯石形成的緯度也一定在變化。

但是Tarduno和他的團隊發現了相反的情況：他們從南非研究的鋯石表明，在大約39億到34億年前的時期，磁場的強度沒有變化，這意味著緯度也沒有變化。因為板塊構造學包括各種陸地的緯度變化，”板塊構造運動很可能在這段時間沒有發生，地球一定有另一種方式在清除熱量”。

進一步加強他們的發現後，研究人員在他們研究的西澳大利亞的鋯石中發現了同樣的模式。”我們並不是說這些鋯石形成於同一個大陸，但看起來它們形成於同一個不變的緯度，這加強了我們的論點，即此時並沒有發生板塊構造運動，”Tarduno說。

停滯的蓋子構造：板塊構造的替代方案

地球是一個熱引擎，而板塊構造最終是地球熱量的釋放。但是，停滯不前的板塊構造–它導致了地球表面的裂縫–是另一種允許熱量從地球內部釋放以形成大陸和其他地質特徵的手段。

板塊構造涉及地球表面大型板塊的水平運動和互動。塔杜諾和他的同事報告說，平均而言，過去6億年來的板塊至少在緯度上移動了8500公里（5280英里）。相比之下，停滯蓋板構造學描述了地球最外層的行為就像一個停滯的蓋子，沒有積極的水平板塊運動。相反，外層保持原位，而地球的內部卻在冷卻。源自地球內部深處的大型熔融物質羽流可以導致外層開裂。在從地球地幔釋放熱量方面，停滯的蓋層構造不如板塊構造那麼有效，但它仍然可以導致大陸的形成。

“早期的地球並不是一個表面上一切都死氣沉沉的星球，”Tarduno說。”事情仍然在地球表面發生；我們的研究表明它們只是沒有通過板塊構造發生。我們至少有足夠的地球化學循環由停滯的蓋子過程提供，以產生適合生命起源的條件。”

維持一個適宜居住的星球

雖然地球是唯一已知的經歷板塊構造的行星，但其他行星，如金星，也經歷了滯留蓋板構造，Tarduno說。他說：”人們傾向於認為，由於金星上發生的事情，停滯的蓋層構造不會建造一個適合居住的星球。金星不是一個非常好的居住地：它有一個破碎的二氧化碳大氣層和硫酸雲。這是因為熱量沒有被有效地從行星的表面移除”。

如果沒有板塊構造，地球可能會遇到類似的命運。雖然研究人員暗示，板塊構造可能在34億年後不久就在地球上開始了，但地質學界對具體日期存在分歧。

“我們認為，從長遠來看，板塊構造對於消除熱量、產生磁場和保持我們星球上的可居住性非常重要，”Tarduno說。”但是，在一開始，以及十億年後，我們的數據表明，我們不需要板塊構造。”