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地球最早期岩石来源猜想 元素迁移已非原始星球

http://www.kexue.com 2013-11-13 09:18:44 凤凰科技  发表评论


地球最早期岩石从何而来

石英闪长岩

  最新的证据或可能提供形成地球最古老岩石和矿物记录过程的新见解,这一过程影响了生命的早期进化。在过去的30年间,我们对地球历史最早的永世——(45.6-36亿年前)冥古宙和太古代——的知识一直与日剧增,然而在那个时期发生的地质过程却一直难以捉摸。现在存在的岩石到底从何而来?

  现在保存的该时期的岩石记录主要是火山岩石,无非是绿岩(火山岩的流出物)或者由石英闪长岩、奥长花岗岩和花岗闪长岩(统称为TTGs)的一系列岩石。然而,这两类岩石的起源却一直备受质疑。

  有人认为我们目前观察到的过程——从相对温和的夏威夷式火山活动到更为复杂的弧型火山活动,后者常发生在例如日本等地——能够解释这些岩石的形成。他们认为唯一的差别在于更高的温度。

  而具有反差的另一种观点认为这些岩石是完全不同的另一种过程产生的结果,与目前观察到的截然不同。这一阵营的人们表示证据来自于板块活动的长期停滞状态:也即地壳板块运动停止时。他们认同早期地球的“停滞-限制”模型,虽然存在限制性的表面活动,但地球存在持续进行的火山活动——这与现代暴力的板块运动形成了鲜明的对比。

  令人沮丧的是,问题之一在于现在的地壳只有极少部分是属于那个时期的——只有一小块存在于加拿大的岩石突出物属于地球历史里最早的5亿年内。虽然这种岩石非常稀少,但我们还有矿物记录。对古代锆石颗粒的分析起着至关重要的作用,这些锆石存在于更加年轻的沉积岩内。

  2001年由科廷大学西蒙-王尔德(Simon Wilde)带领的研究小组发表了第一篇对西澳大利亚杰克希尔地区发现的古代锆石的氧同位素分析。其中有些锆石追溯到44亿年前,几乎相当于地球的年龄。它们代表了地球最初地壳的最后残余碎片。

  锆石的氧同位素分析所揭示的结果完全出人意料。尽管那时候存在巨大的撞击和广泛盛行的火山活动,早期地球表面还是存在液态水的。这篇关键的文章发表后,相继有其它研究学者继续调查,研究表明这些同位素的化学机制暗示着它们来源于花岗岩——据称形成现在花岗岩的板块运动早在地球历史早期就已经存在。

  这一推断其实非常精细,尤其是对于“停滞-限制”阵营的研究人员而言,王尔德和同事对锆石记录进行的仔细的重新审查描绘了完全不同的情景。完好保存的锆石,也就是受随后的地质事件影响最小的锆石,暗示了完全不同的地球。当水大量存在时,地壳几乎都是玄武岩,后者是现代海底的主要组成物。此外,锆石似乎来自于4亿年前相同的玄武岩堆——这暗示着地壳基本上是“停滞”的。

  近期发表在期刊《地球和行星科学快报》上的文章中,澳大利亚麦考瑞大学的克雷格-奥尼尔(Craig O'Neill)和同事再次研究了停滞的早期地球谜题。虽然现在存在的(46-40亿年前)冥古宙的岩石非常稀少,但冥古宙过程的特征信号被记录在更年轻的化石的地质化学过程里。

  奥尼尔和同事主要研究的特殊系统——一种名为钕的元素的同位素,它常被用于强大的磁铁——暗示着冥古宙时期地球内部的化学混合比板块运动模型里所预测的要慢得多。相反,它与停滞-限制板块理论所预测的更一致。

  其它的元素系统也支持了这一理论。例如,在行星形成过程中铂和钯一般会与其它金属混合形成核心,而地球的地壳应该没有太多铂的存在,然而它却存在且被开采了。这可能是因为陨石导致地球形成晚期添加了铂和钯。

  然而,这些元素需要极其漫长的时间相互充分的混合在地幔里。直到29亿年前它们才达到现在的混合浓度——也就是它们被添加后的16亿年。这一结果与早期板块运动理论非常难调和,但却符合早期停滞-限制模型的预测。

  这一争论远未结束,地球早期记录的模糊性将继续存在,这其中至少存在两个原因。澳大利亚最重要的经济矿藏,从伊尔冈的金和镍到皮尔巴拉的条带状含铁建造,都形成于较早的时期,当时地球还是一个完全不同的行星。理解这些矿藏,以及它们形成于的世界,是理解未来发现的关键所在。

  此外,化石证据表明生命至少有35亿年老,碳同位素表明它可能更老——也许是38亿年历史。在生命最初在地球上进化的时期,地球本身可能并没有板块。可以肯定的时它肯定没有大量的氧气,或者我们能够呼吸的大气,形成的岩石也与现在的大不相同。

  在我们搜寻外星生命时,我们假设类似地球的可居住行星同样也存在板块运动。但是即使在地球上,这也并非是个先决条件,在地球发展的早期历史里,至少对我们来说,地球曾是一个完全不同的世界。

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