地球有板塊構(gòu)造，它們之間有時(shí)會(huì)碰撞、分離或者滑動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地震、火山、山脈和大洋等地貌的形成。板塊構(gòu)造也對(duì)地球的氣候和生物有重要的影響，比如它可以調(diào)節(jié)大氣中的二氧化碳濃度，從而影響溫室效應(yīng)。

但是，地球上一直有板塊構(gòu)造嗎？如果沒(méi)有，那么它是什么時(shí)候開(kāi)始的呢？這是一個(gè)很有趣但也很難回答的問(wèn)題，因?yàn)槲覀儧](méi)有直接觀察到地球早期的情況，只能通過(guò)一些間接的證據(jù)來(lái)推斷。其中一個(gè)重要的證據(jù)就是古地磁學(xué)，也就是研究古老巖石中記錄的地磁場(chǎng)信息。地磁場(chǎng)是由地球內(nèi)部流動(dòng)的電導(dǎo)性物質(zhì)產(chǎn)生的，它會(huì)隨著時(shí)間變化。如果我們能夠測(cè)量出古老巖石中記錄的地磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，我們就可以推斷出當(dāng)時(shí)地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況，從而判斷是否存在板塊構(gòu)造。

但是，要做到這一點(diǎn)并不容易，因?yàn)楣爬蠋r石很少，而且經(jīng)過(guò)了很多次變形和變質(zhì)作用，可能會(huì)改變或者破壞原來(lái)記錄的地磁場(chǎng)信息。所以我們需要找一種能夠保存原始地磁場(chǎng)信息，并且能夠準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)的物質(zhì)。幸運(yùn)的是，我們找到了這樣一種物質(zhì)，那就是鋯石。

鋯石是一種含有鋯、硅和氧的礦物，有時(shí)還含有其他元素，如鈾或釷。它們非常耐風(fēng)化和變質(zhì)，可以在經(jīng)受高溫高壓的巖石中存活。鋯石還可以包含其他礦物的微小包裹體，如磁鐵礦，這是一種磁性的氧化鐵。

鋯石對(duì)于地質(zhì)學(xué)家來(lái)說(shuō)很重要，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁╆P(guān)于它們所在巖石的年齡、來(lái)源和演化的線索。通過(guò)測(cè)量鋯石中鈾和釷的放射性衰變，我們可以高精度地確定它們的年齡。通過(guò)分析鋯石的化學(xué)成分和同位素比例，我們可以推斷它們結(jié)晶時(shí)的巖漿或沉積物的來(lái)源和性質(zhì)。通過(guò)研究鋯石的磁性，我們可以了解它們形成時(shí)地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。

當(dāng)鋯石從熔融狀態(tài)形成時(shí)，它們可以捕獲其中包含小顆粒的磁鐵礦。這些顆粒就像微小的磁鐵，會(huì)與周?chē)拇艌?chǎng)排列一致。當(dāng)鋯石冷卻時(shí)，它們就鎖定了這種取向，并將其保存了數(shù)十億年，除非它們?cè)俅问艿郊訜峄蜃冃巍?/p>

那么怎么測(cè)量呢？我們使用了一種叫做古地磁強(qiáng)度儀的儀器，它可以對(duì)鋯石進(jìn)行加熱和冷卻的循環(huán)，同時(shí)測(cè)量它們的磁化強(qiáng)度。通過(guò)這種方法，我們可以得到鋯石中鐵氧化物顆粒的原始磁化強(qiáng)度，也就是當(dāng)時(shí)地磁場(chǎng)強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)。我們還可以通過(guò)另一種叫做掃描電子顯微鏡的儀器，來(lái)觀察鋯石中鐵氧化物顆粒的形狀和分布，從而判斷它們是否是原生的，也就是說(shuō)是否是在鋯石形成時(shí)就存在的，而不是后來(lái)被加入或者改變的。

研究人員從南非的巴伯頓綠巖帶采集了一些含有鋯石的沉積巖樣品，這些巖石的年齡大約在39億年到33億年之間，也就是地球歷史上最早的一段時(shí)間。他們對(duì)這些樣品進(jìn)行了上述的測(cè)量和分析，得到了一些有趣的結(jié)果。

首先，研究人員發(fā)現(xiàn)鋯石中鐵氧化物顆粒的原始磁化強(qiáng)度在這段時(shí)間內(nèi)基本沒(méi)有變化，都在10-20微特斯拉之間。這意味著當(dāng)時(shí)地球表面的緯度也沒(méi)有變化，因?yàn)榈卮艌?chǎng)強(qiáng)度和緯度有關(guān)系。如果地球上有板塊構(gòu)造，那么巖石應(yīng)該會(huì)隨著板塊移動(dòng)而改變緯度，從而導(dǎo)致地磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。但是他們沒(méi)有觀察到這種變化，所以推斷當(dāng)時(shí)地球上沒(méi)有板塊構(gòu)造，而是處于一種靜止巖石圈構(gòu)造的狀態(tài)。

什么是靜止巖石圈構(gòu)造呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是地球表面只有一層厚而堅(jiān)硬的巖石圈，它不會(huì)分裂或者移動(dòng)，而是覆蓋在下面流動(dòng)的軟流圈之上。這種情況下，地球內(nèi)部的熱量只能通過(guò)巖漿噴發(fā)或者導(dǎo)熱來(lái)釋放，而不會(huì)像板塊構(gòu)造那樣通過(guò)對(duì)流循環(huán)來(lái)釋放。這樣就會(huì)導(dǎo)致地球內(nèi)部溫度較高，地幔粘度較低，地核對(duì)地幔的耦合較弱。這些因素都會(huì)影響地球內(nèi)部產(chǎn)生地磁場(chǎng)的過(guò)程。

其次，他們發(fā)現(xiàn)鋯石中鐵氧化物顆粒的原始磁化強(qiáng)度和之前從澳大利杰克山采集的鋯石中得到的結(jié)果非常相似 。這說(shuō)明這兩個(gè)地方的鋯石都記錄了同樣的地球早期歷史，并且證明了鋯石作為古地磁學(xué)記錄載體的可靠性。

最后，研究人員發(fā)現(xiàn)鋯石中鐵氧化物顆粒的原始磁化強(qiáng)度在33億年左右開(kāi)始出現(xiàn)明顯的下降，并且在30億年左右達(dá)到最低值。這可能意味著當(dāng)時(shí)地球內(nèi)部發(fā)生了一些重要的變化，比如溫度下降、粘度上升、核幔耦合增強(qiáng)等。這些變化可能促進(jìn)了地球表面巖石圈的破裂和移動(dòng)，也就是板塊構(gòu)造的開(kāi)始。這樣，地球內(nèi)部的熱量就可以通過(guò)對(duì)流循環(huán)來(lái)釋放，從而降低地幔溫度，增強(qiáng)地核對(duì)地幔的耦合，進(jìn)而增強(qiáng)地磁場(chǎng)強(qiáng)度。這一過(guò)程可能持續(xù)了幾億年，直到地球進(jìn)入了現(xiàn)在的板塊構(gòu)造狀態(tài)。

這就是最近發(fā)表在《自然》的研究結(jié)果，它給我們提供了一個(gè)新的視角來(lái)看待地球早期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地磁場(chǎng)演化。研究人員還認(rèn)為，如果生命是在39億年前就出現(xiàn)了，并且在35億年前就形成了史前細(xì)菌群落，那么它們是在一個(gè)沒(méi)有板塊構(gòu)造的靜止巖石圈構(gòu)造的環(huán)境中誕生和發(fā)展的。這意味著當(dāng)時(shí)地球上沒(méi)有像現(xiàn)在那樣的地質(zhì)循環(huán)和化學(xué)循環(huán)，也沒(méi)有像現(xiàn)在那樣的氣候調(diào)節(jié)和生物多樣性。這對(duì)我們理解生命的起源和演化有很大的啟示。(www.wS46.com)

當(dāng)然，他們的研究還有很多不足和不確定性，比如只采集了有限的樣品，而且只測(cè)量了一種物質(zhì)。他們還需要更多的證據(jù)和方法來(lái)驗(yàn)證和完善結(jié)論。我們希望能夠找到更古老的巖石和鋯石，來(lái)探索更早期的地球歷史。這是一個(gè)非常有趣但也非常困難的領(lǐng)域，需要更多的人來(lái)參與和貢獻(xiàn)。