地球早期的板塊構造運動

從地質學的角度來說，現代地球是動態的。巖石地幔中的對流會驅動著地球重塑表面的板塊構造；而金屬內核里的流動則產生了強大的行星磁場。

然而，科學家尚不明確的是，這些過程是否從地球的早期時代就已經開始塑造地球。因為尋找板塊構造運動是何時開始的證據非常困難，那些最古老的地殼碎片早已進入了地球的內部地幔中，再也沒有暴露出來。在地球表面，只有 5% 的巖石年齡超過了 25 億年，沒有巖石的年齡超過 40 億年。

最近，哈佛大學的地質學家與合作者在《美國國家科學院院刊》上發表了一項新的研究，他們通過測量32.5 億年前的古老巖石中的磁信號，為快速移動的地殼（板塊構造的標志）和極性偶爾交替互換的穩定古磁場提供了迄今為止最早的、最有力的定量證據。

這樣的結果也為科學家研究地質變化會如何導致地球上發展出更有利于生命發展的環境提供了新的線索，它意味著在地球的早期歷史中，從地球表面到內部深處的地質構造就已經非常成熟，有可能為早期生命的進化提供穩定的環境。

測量皮爾巴拉克拉通的古磁極

新研究所分析的古老巖石碎片取樣自西澳大利亞的皮爾巴拉克拉通。在地質學中，克拉通指的是大陸地殼上古老而穩定的組成部分，而澳大利亞的皮爾巴拉克拉通就是地殼中最古老、最穩定的部分之一。

論文的作者之一 Roger Fu 在皮爾巴拉克拉通的玄武巖露頭拍照。（圖／Alec Brenner / Harvard University）

2018 年，該項目的研究人員前往皮爾巴拉克拉通，在原始而厚重的地殼板上鉆孔取樣，然后將樣本帶回實驗室，對它們的磁史進行分析。

利用磁強計、退磁設備和量子鉆石顯微鏡（能對樣本的磁場成像，并精確識別磁化粒子的性質），研究人員創造了一套新的能夠確定樣本被磁化的時間和方式的技術和設備。他們利用這些新的技術和設備，測量了皮爾巴拉克拉通在 32.5 億年前的古地磁極。

古地磁極承載著地球的地球物理史信息，這些信息可以幫助地質學家確定地殼是如何、在何時、向哪個方向移動，并了解來自地球磁極的磁力影響，從而幫助科學家對最古老的板塊運動進行重建。

早期地球的地表漂移速度

在之前的研究中，同一組研究人員對 33.4-31.8 億年前的皮爾巴拉克拉通進行了測量，記錄了 1.6 億年間的緯向漂移和旋轉。2020 年 4 月，他們在《科學進展》發表了一篇論文報告稱，古代地殼大約以每年 2.5 厘米的速度緯向漂移。研究人員認為，能夠導致這種地表漂移的原因除了板塊構造運動之外，還可能是所謂的 " 真極移 "，以及 " 停滯蓋構造學 " 現象。

這次，研究人員通過將新的測量結果與之前的測量結果相結合，得出結論認為，地球上最古老的一些表面至少以每年6.1 厘米的速率移動，以每百萬年 0.55° 的角度旋轉。這表明古代地殼的移動速率要比之前認為的還要快。

這樣的數值結果與 " 真極移 " 和 " 停滯蓋構造學 " 過程中的一些結論不符，使構造學成為最合理、最有力的解釋，讓科學家能更有信心地排除那些與板塊構造無關的解釋。

早期地球的磁極倒轉

此外，在新論文中，研究人員還描述了被認為是地磁極性倒轉的最古老證據。根據 NASA 的一些研究，我們認為在地球的地質歷史上，南北磁極倒轉是種常見現象。在過去的 8300 萬年里，南北兩極已經反轉了 183 次；在過去的 1.6 億年里，翻轉次數可能高達數百次。

透過地磁的極性倒轉，研究人員可以了解到地球磁場在 32 億年前的許多情況。其中最重要的信息是，那時候的磁場很可能足夠穩定和強大，能夠防止太陽風侵蝕地球大氣。

通過將這一信息與板塊構造學的一些研究結果結合在一起，可以為科學家研究早期生命形式的發展提供新的線索。

早期地球的生命進化

這些結果所描繪的是一幅地球動力學已經非常成熟的早期地球畫像。它有很多可以導致地球的環境和表面條件變得更穩定，使生命進化和發展更可行的動態過程。

今天的地球外殼大約由 15 塊移動的地殼（即板塊）組成，它們承載著地球上的大陸和海洋。在漫長的時間里，這些漂移的板塊相遇又分離，形成新的大陸和山脈，并將新的巖石暴露在大氣中，導致一些能使地球的表面溫度在數十億年里都保持穩定的化學反應。

越來越多的研究認為，在地球 45 億年的歷史中，構造運動發生在相對較早的時期，而地球上的早期生命形式也出現在一個更溫和的環境中。總的來說，這項研究支持這樣的說法。

尋找更多的古老地殼

未來，研究人員計劃除了繼續將重點放在皮爾巴拉克拉通上之外，同時也將關注世界上其他地方的古老地殼。他們希望能夠找到類似現代板塊運動的更古老證據，以及確定地球磁極的翻轉時間。

論文的第一作者 Alec Brenner 在皮爾巴拉克拉通。（圖／Roger Fu / Harvard University）

地球的最早期歷史，是科學家們通常更多地只能通過理論而非實際數據來加以了解的時期。可靠地解讀這些非常古老的巖石，為觀察這一特殊時期提供了更多的可能性。利用這些巖石，科學家不僅有機會重建板塊構造運動開始的時間，還能重建它們的運動，以及了解驅動它們運動的深層地球內部過程是如何隨著時間而變化的。