去年2月6日，土耳其南部發生重大斷層錯動，地球外殼遭受了災難性的破裂。安納托利亞半島突然向西南方向傾斜，相對于阿拉伯半島傾斜了11米。近6萬人死于現代最具破壞性的地震之一。

發生這樣的地震是因為地殼被劃分為不斷移動的構造板塊。板塊構造背后的力量在決定地球的幾乎所有方面都發揮了作用，從氣候到生命的進化。

盡管板塊構造很重要，但它仍然是一個謎。自21世紀初以來，地質學家一直在收集數據，尋找板塊構造何時以及如何開始的答案。但這些研究產生了一系列往往相互矛盾的結果。馬里蘭大學帕克分校的巖石學學家邁克爾·布朗說：“就這個問題，你可以有30個人，有30個不同的專業，我們可能會得出30個不同答案。”。

澳大利亞墨爾本莫納什大學的彼得·卡伍德說：“值得注意的是，今天控制地球系統并使我們的宜居星球成為可能的過程的開始時間存在不確定性。”。他說，這種不確定性是如此之大，以至于它涵蓋了地球45億年歷史的85%。

然而，共識正慢慢開始形成。通過多年的數據篩選，研究人員正在尋找方法來理解各種分析。盡管仍存在許多不確定性，但板塊構造的歷史終于進入了人們的視野。

模糊的歷史

自20世紀60年代以來，地球科學家已經認識到，地球的外殼——巖石圈——不是一個單一的固體塊，而是一系列相互推擠并逐漸改變位置的巖石板塊。數百萬年來，海洋變寬變窄，大陸在世界各地移動，有時融合形成巨大的超級大陸。板塊的舊部分沉入地球內部，在那里它們被回收利用。巖石與地球地幔的其他部分混合在一起，地幔是地殼下的半熔融層。

馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的地質學家大奔說：“地球是我們所知道的唯一具有板塊構造的行星?！?。地球也是唯一已知有生命存在的星球，這可能不是巧合：巖石和礦物的不斷洗牌和回收將營養物質釋放到海洋中，并為生命創造棲息地?！斑@對地球的宜居性非常重要?！?/span>

當地球在45億年前形成時，它比今天熱得多：新生的地球可能有一個巖漿海洋而不是一個固體表面，也許類似于詹姆斯·韋伯太空望遠鏡研究過的巨蟹座55號行星。最終，地殼冷卻、固化，然后分裂成板塊，這些板塊開始相互推擠，并在地表周圍遷移。最大的問題是：這一切是什么時候發生的？

從這一時期找到直接證據的希望很小，因為早期形成的大多數巖石早已被俯沖到地球內部，在那里被熔化和壓碎。從45億多年前地球形成到40億年前，冥古宙是所有地球歷史中最模糊的一段時間。布朗說：“冥古宙沒有巖石記錄?！?。剩下的只有被稱為鋯石的微小晶體，它們是冥古宙巖石的遺跡，后來被并入了較年輕的巖石中。

持續到25億年前的太古宙地質記錄更好，但仍然是零碎的。大奔說：“今天地表暴露的巖石中只有約5%是太古宙巖石?！薄?/span>

盡管存在這一挑戰，地質學家還是能夠收集到太古宙的蛛絲馬跡。布朗說：“巖石記錄的部分內容完全不同?！薄Ｐ掖鎺r石的化學成分表明，太古宙的地幔溫度更高：“可能比現在至少高出100°C，也可能高達250°C”。這意味著地殼也更溫暖，因此更柔軟，密度更低。

這樣的條件與當今地球上看到的板塊構造不兼容，后者需要密度足夠大的剛性板塊在俯沖帶沉入地幔。這意味著年輕的地球沒有我們今天所理解的板塊構造。相反，它擁有什么尚不清楚。一種可能性是“停滯的蓋子”：地殼被分成板塊，沒有太大的移動?；蛘?，板塊可能已經上下移動，而不是像今天這樣側向移動，受到熱巖涌升的沖擊。

地質學家長期以來一直試圖通過尋找俯沖的跡象來掌握一種更可識別的板塊構造形式何時開始。問題在于，現有數據指向了許多方向?？ㄎ榈抡f：“這些都沒有提供明確的確鑿證據。”。

從巖石中尋找答案

然而，在過去的十年里，人們已經達成了共識。一個關鍵的轉變似乎發生在大約30億年前：多條證據表明，此時構造體制發生了深刻的變化。例如，2016年的一項研究發現，地殼的成分在大約30億年前開始發生變化。較老的巖石是鎂鐵質的：它們含有大量的鎂和鐵，而且很致密。然而，到25億年前，巖石的長英質含量更高，這意味著它們含有更多的二氧化硅，密度更低。較低的密度意味著板塊可以攜帶厚大陸而不會下沉。至關重要的是，長英質巖石只有在有水和熱的情況下才能形成。今天，這些巖石是在俯沖帶中形成的，因此30億至25億年前長英質巖石的出現意味著俯沖正在進行中。

赫爾辛基大學的地球物理學家賽密林說：“這已經得到了很好的研究?！?。她說，幾條證據表明，大約30億年前發生了重大轉變。例如，保存下來的巖石中的金屬同位素表明，現代大陸地殼是在這個時候開始形成的。然而，其他研究甚至指出了更早的轉變。2017年，一項研究發現，早在35億年前就有長英質巖石的證據，這可能會推遲俯沖的開始。與此一致，2022年的一項古地磁研究發現，有證據表明構造板塊在32.5億年前以接近現代的速度水平移動。

同年，大奔和她的同事們進一步刷新了板塊構造考試的時間。他們研究了南非Barberton綠巖帶的鋯石晶體。年齡超過38億年的鋯石保留了數億年來沒有融化的長壽命地殼的痕跡，這表明當時幾乎沒有或根本沒有發生俯沖。然而，年齡小于38億年的鋯石似乎是一個較年輕地殼的一部分，這個地殼是通過俯沖作用重新形成的。

幾項研究表明，俯沖早在30億年前，甚至可能在38億年前。但關于這種早期俯沖的廣泛程度存在實質性的爭論。布朗說：“我認為這是一個問題，你什么時候能第一次將其視為一種全球現象。”。他說，俯沖的許多早期證據似乎反映了局部或短暫的過程。

根據對此類撞擊的模擬，一些俯沖事件可能是由隕石撞擊引發的。2022年對太古宙大陸地殼的一項研究得出結論，俯沖至少在27億年前是局部的。

相比之下，真正的板塊構造是全球性的、連續的。布朗說，這方面的確鑿證據大約在22億年前才出現。當時，已知最古老的超級大陸，被稱為努納或哥倫比亞，正在形成，這反映了一個全球過程。

然而，即使在那之后，系統也在不斷變化。藍片巖等巖石只有在俯沖巖石既致密又寒冷時才能形成，因此會沉入地幔深處。它們僅在大約8億年前出現在巖石記錄中，這向一些研究人員表明，現代板塊構造直到那時才開始。

為了理解新出現的證據，伍德和他的同事在2022年提出了一個可能的情景，他們描述了地球歷史的七個階段。這些階段都有不同的持續時間，從1億多年到10億年不等。每種巖石類型都有特定的混合特征，反映了地殼和地幔行為的變化。

“當我讀到那篇論文時，我真的很興奮，”大奔說。盡管這些階段的確切細節仍“有點懸而未決”，但她說，“我認為他們走在正確的軌道上。”