卡罗尔·巴拿赫插图

去年2月6日，当土耳其南部的一个主要断层开始活动时，地球的外壳遭受了灾难性的破裂。相对于阿拉伯半岛，安纳托利亚半岛突然向西南方向倾斜了11米。近6万人死于现代最具破坏性的地震之一。

发生这样的地震是因为地壳被分成了不断移动的构造板块。板块构造背后的力量几乎决定了地球的一切，从气候到生命的进化。

尽管它很重要，但板块构造在某种程度上仍然是一个谜。自21世纪初以来，地质学家一直在收集数据，以寻找板块构造何时以及如何开始的答案。但是这些研究产生了一堆经常相互矛盾的结果。马里兰大学帕克分校(University of Maryland in College Park)的岩石学家迈克尔•布朗(Michael Brown)表示:“你可以有30个人，他们有30种不同的专业，我们可能会得出30种不同的数字。”

澳大利亚墨尔本莫纳什大学(Monash University)的彼得·卡伍德(Peter Cawood)说:“今天控制地球系统并使我们成为宜居星球的过程开始时间的不确定性程度令人瞩目。”他说，这种不确定性是如此之大，以至于它跨越了地球45亿年历史的85%。

然而，一种共识正在慢慢形成。通过多年的数据筛选，研究人员正在寻找方法来理解各种分析。尽管还有许多不确定因素，但板块构造学的历史终于浮出水面。

隐藏的历史

自20世纪60年代以来，地球科学家已经认识到地球的外壳——岩石圈——不是一个单一的固体，而是一系列相互挤压并逐渐改变位置的岩石板块。数百万年来，海洋变宽变窄，大陆在世界各地移动，有时融合形成巨大的超级大陆。板块的旧部分沉入地球内部，在那里它们被循环利用。岩石与地球地幔的其他部分——地壳下的半熔融层——混合在一起。

“地球是我们所知道的唯一一个有板块构造的星球，”马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的地质学家Nadja Drabon说。地球也是已知的唯一一个有生命的星球，这可能不是巧合:岩石和矿物质的不断变换和循环向海洋释放营养物质，为生命创造栖息地。“这对地球的宜居性非常重要。”

当地球在45亿年前形成时，它比今天热得多:新生的地球可能有岩浆海洋，而不是固体表面，也许类似于詹姆斯·韦伯太空望远镜研究过的巨蟹座55 e。最终，地壳冷却、凝固，然后分裂成板块，这些板块开始相互碰撞，并在地表周围迁移。最大的问题是:这一切是什么时候发生的?

找到这一时期的直接证据的希望渺茫，因为早期形成的大多数岩石早已俯冲到地球内部，在那里它们被融化和压碎。从45亿年前地球形成到40亿年前的冥古宙，是所有宙中最晦涩的。“没有冥古宙的岩石记录，”布朗说。剩下的只有被称为锆石的微小晶体，它们是冥古宙岩石的残余物，后来被合并到更年轻的岩石中。

随后的太古宙(一直持续到25亿年前)的地质记录要好一些，但仍然是碎片化的。德拉邦说:“今天暴露在地表的岩石中，只有大约5%是太古宙的。”

1980年圣海伦斯火山发生了灾难性的喷发。与背景中的胡德山一起，它是在俯冲板块上形成的一系列火山的一部分

尽管面临着这样的挑战，地质学家已经能够收集到太古宙的条件是不同的。“部分岩石记录是完全不同的，”布朗说。幸存岩石的化学成分表明，太古代的地幔比现在更热:“它可能至少比现在高100°C，可能高达250°C”。这意味着地壳也更温暖，因此更柔软，密度更低。

这样的条件与当今地球上的板块构造是不相容的，后者需要密度足够大的刚性板块在俯冲带下沉到地幔中。这意味着年轻的地球没有我们今天所理解的板块构造。目前还不清楚它到底有什么。一种可能是“停滞的盖子”:地壳分为板块，不怎么移动。另一种可能是，板块不像今天这样向侧面移动，而是受到热岩石上涌的冲击而上下移动。

长期以来，地质学家一直试图通过寻找俯冲的迹象，来弄清楚一种更容易辨认的板块构造是何时开始的。问题在于，现有的数据指向了许多方向。卡伍德说:“这些都不能提供明确的确凿证据。”

刻在石头上的

然而，在过去十年中，一种共识正在形成。一个关键的转变似乎发生在大约30亿年前:多条证据表明，当时的构造格局发生了深刻的变化。例如，2016年的一项研究发现，地壳的组成在大约30亿年前开始改变。更古老的岩石是镁铁质的:它们含有大量的镁和铁，而且密度很大。然而，到25亿年前，岩石的硅质含量更高，这意味着它们含有更多的二氧化硅，密度更低。较低的密度意味着板块可以携带厚厚的大陆而不会下沉。至关重要的是，长英质岩石只有在水和热的存在下才能形成。今天这些岩石形成于俯冲带，所以30亿到25亿年前长英质岩石的出现意味着俯冲正在进行。

赫尔辛基大学的地球物理学家Johanna Salminen说:“这已经得到了很好的研究。”她说，有几条线索表明，大约30亿年前发生了重大转变。例如，保存下来的岩石中的金属同位素表明，现代大陆地壳是在这个时期开始形成的。然而，其他研究指出了更早的转变。2017年，一项研究发现了早在35亿年前就存在长英岩的证据，这可能会推迟俯冲的开始。与此相一致的是，2022年的一项古地磁研究发现，构造板块在32.5亿年前以接近现代的速度水平移动。

同年，德拉邦和她的同事将时间框架进一步推后。他们研究了南非巴伯顿绿岩带的锆石晶体。超过38亿年历史的锆石上有一个极其长寿的地壳的痕迹，这个地壳在数亿年的时间里没有融化，这表明当时几乎没有发生俯冲作用。然而，年龄不到38亿年的锆石似乎是一个更年轻的地壳的一部分，这个地壳在俯冲作用中被重新塑造了。

几项研究指出，早在30亿年前，甚至可能是38亿年前，就存在俯冲作用。但是关于这种早期俯冲的范围有多广，存在着实质性的争论。布朗说:“我认为这是一个问题，你什么时候相信你可以第一次把它看作一个全球现象。”他说，大部分关于俯冲的早期证据似乎反映了局部或短暂的过程。

根据对这类撞击的模拟，有些俯冲期可能是由陨石撞击引发的。2022年对太古宙大陆地壳的一项研究得出结论，至少在27亿年前，俯冲作用是局部的。

相比之下，真正的板块构造是全球性的和连续的。布朗说，这方面的确凿证据大约在22亿年前才出现。当时，已知最古老的超大陆，被称为努纳或哥伦比亚，正在形成，这反映了一个全球性的过程。

然而，即使在那之后，系统仍在不断变化。像蓝片岩这样的岩石只有在俯冲的岩石密度大、温度低的情况下才能形成，从而下沉到地幔深处。它们出现在大约8亿年前的岩石记录中，对一些研究人员来说，这表明现代板块构造直到那时才开始。

一步的变化

为了理解新出现的证据，卡伍德和他的同事们在2022年设定了一个可能的场景，他们描述了地球历史的七个阶段。这些阶段的持续时间各不相同，从1亿年到10亿年不等。每一个都以岩石类型的特殊混合为特征，反映了地壳和地幔行为的变化。研究小组认为，25 - 18亿年前之后发生的一切都是在“板块构造框架”中发生的(见“板块构造的起源故事”)。

“当我读到那篇论文时，我真的很兴奋，”德拉邦说。尽管这些阶段的具体细节仍“有点不确定”，但她表示，“我认为他们走在正确的轨道上。”

德拉邦的研究小组在5月份发表的一项研究中增加了新的见解。她和她的同事们发现了34亿到33亿年前岩石变形的证据，这表明当时山脉正在形成。

在今年7月发表的一篇综述中，卡伍德和他的同事收集了更多的证据，证明在太古宙有一种“原始形式的俯冲”，这种俯冲是短暂的、局部的。在28亿到26亿年前，这些孤立的俯冲带逐渐连接起来，形成了一个全球性的网络。