2016年，地球化学家Jonas Tusch和Carsten Münker从澳大利亚内陆锤出了1000磅的岩石，并将其空运到德国科隆。
经过五年的锯、压、溶和分析，他们从这些岩石中发掘出了一个隐藏了亿万年的秘密:板块构造开始的时代。
地球断裂的外壳由坚硬的、相互连接的板块构成，这在太阳系中是独一无二的。科学家们越来越多地将其与地球的其他特殊特征联系起来，比如稳定的大气层、保护性的磁场以及丰富多彩的复杂生命。但地质学家们一直在争论地壳到底是何时裂成板块的，从地球45亿年历史的最初10亿年到最后10亿年的某个时间，都存在相互竞争的假设。这些估计对于板块构造如何影响地球上的其他一切有着截然不同的含义。
地壳板块的扩张、粉碎和俯冲，不仅塑造了地理环境。地球表面的循环有助于调节气候，而大陆和山脉的形成则为生态系统注入了重要的营养物质。事实上，如果板块构造运动开始得足够早的话，它可能是复杂生命进化的主要驱动力。推而广之，板块移动也可能是遥远星球上高级生命的先决条件。
澳大利亚阿德莱德大学(University of Adelaide)的地质学家艾伦·柯林斯(Alan Collins)说，图施(Tusch, Münker)和他们的合著者在《澳大利亚内陆》(Australian Outback)上发表了一项关于这些岩石的研究，该研究为板块构造学说的出现提供了“快照”。研究小组对岩石中钨同位素的分析表明，地球在大约32亿年前正在向板块构造过渡。
乔nas Tusch(左)和Carsten Münker在澳大利亚皮尔巴拉用大锤敲打太古宙的岩石。由Chris S. Marien提供
牛津大学(University of Oxford)的岩石学家理查德·佩林(Richard Palin)说，这些发现支持了过去十年积累的其他间接证据，这些证据指向那个日期。他说，它“支持了地质学界越来越多的共识，即大约30亿年前，板块构造在全球范围内形成了。”
“有很多不同的人，从非常不同的角度，提出了32到30亿年的汇聚，”柯林斯说。
地球的引擎当地质学家阿尔弗雷德·魏格纳在1912年首次提出大陆漂移理论时，他的大多数同事都认为这是荒谬的。巨大的大陆是如何移动的?韦格纳无法识别驱动漂移大陆的机械装置。事实上，地质学家又花了50年的时间来弄清楚地幔(地壳和地核之间的厚层热岩石)内的对流是如何推动板块表面的。他们最终发现，这些板块——15个主要板块和几十个较小的板块——在洋中脊上分散开来，随着地幔的流动而移动，在边缘相互摩擦，然后在“俯冲带”回落到地幔中。
“板块构造理论提供了一种非常有组织的地表移动方式，”加州大学洛杉矶分校的地球物理学家Carolina Lithgow-Bertelloni说。“这样你就能明白为什么有地震的地方会有地震，为什么有山的地方会有山。”
插图:Samuel Velasco/Quanta杂志;美国地质调查局
在此后的几十年里，科学家们逐渐认识到，地球的大气层、磁场、稳定的气候和生物多样性都与板块构造有关。利思高-贝尔泰洛尼说:“它让我们的星球按照它的方式运转。”
首先，尽管太阳逐渐变亮，但板块构造帮助地球维持了数十亿年的宜居气候。我们的金发气候很大程度上是由空气中的二氧化碳和硅酸盐矿物之间的化学反应造成的，这种化学反应通过将大气中的温室气体埋藏在沉积物中，慢慢地降低了大气中的温室气体水平。大部分的硅酸盐-二氧化碳反应发生在板块碰撞形成的山坡上。
此外，地幔、地壳、海洋和大气之间的物质循环，确保了对生命至关重要的元素的持续供应。板块构造细化了地幔，导致像磷这样的元素积聚在地表，形成大陆地壳。当山脉风化并被冲入大海时，这些元素滋养了海水中的生命。而大陆本身也为新物种提供了阳光下的生存空间。
同样重要的是，地幔对流让热量逃离地核，帮助地核产生磁场。这个磁场一直延伸到太空，保护大气层不被太阳风暴侵蚀。
但地球的婴儿期是不同的。
放射性衰变使得早期地球内部比现在热得多，所以地壳很松软。几十年来，科学家们一直在争论地核何时冷却到足以使地壳硬化成板块，然后板块开始移动、分裂、碰撞和俯冲。利特高-贝尔特罗尼说，知道这一决定性的转变发生的时间，“将让我们更好地理解是什么导致了生命进化中的某些变化，我们是如何形成现在的系统的……我们的星球今天是如何运行的。”
岩石记录破译我们星球的形成年代是很困难的。数十亿年前的岩石不仅稀有，而且还受到时间和构造的折磨。它们给了人们对过去脱节的、有可能产生误导的一瞥。
一些科学家认为，板块构造至少在40亿年前就开始了。他们基于40亿年历史的微小晶体，这种晶体的化学性质类似于现代俯冲带岩石。但其他研究人员反驳说，这些晶体可能是通过其他方式形成的。
其他人则假设，从地质学上讲，板块构造是最近才开始的。他们指出，在现代板块碰撞带中形成的岩石类型似乎从未超过7亿年。这种观点认为，如果这些岩石没有任何古老的例子，那么板块构造学说也一定很年轻。
地质学家有限公司在澳大利亚西北部的皮尔巴拉克拉顿(Pilbara Craton)这片贫瘠的土地上，有一些地球早期保存最完好的岩石。由乔nas Tusch
这些岩石的出现可能反映了板块构造开始后发生的变化，比如地球内部的缓慢冷却。
研究人员说，在某种程度上，对时间的分歧说明了板块构造本身是如何随着时间而变化的。构造活动可能是逐渐向现代形式发展的，而不是经历一个从关闭到打开的突然转换。
然而，过去十年收集的重要数据表明，这种进化的一个主要拐点发生在32亿年前，也就是太古代的中期。这种变化体现在几行证据中。
地球化学示踪剂表明，在那个时期之后，氧气、二氧化碳和水开始在大气和地幔之间移动。稳定大陆地壳的体积也随之上升。只有在那个日期之后形成的钻石含有榴辉岩的斑点，榴辉岩是一种从地球表面拖下来的物质锻造而成的岩石。火山喷发时温度极高的科马提岩开始从岩石记录中消失，进一步表明地幔开始循环。
由不同团队在2020年发表的两篇大型论文审查了证据，并各自得出结论，板块构造始于大约32亿年前。地球的记录仍然模糊不清，对一些人来说，争论仍在继续。但柯林斯说，钨的新发现提供了“化学指纹”，支持正在形成的共识。
来自地球婴儿期的信号2015年，在科隆大学，塔什和Münker设计了一种新的方法来探测板块构造的开始。他们把重点放在钨-182上，这是一种钨的同位素，是在太阳系形成的6000万年中铪-182的放射性衰变形成的。“这是地球最早6000万年的遗迹，”Münker说。
在地球早期的岩石中，钨-182应该相对丰富。然而，一旦板块构造开始，地幔的对流搅动就会将钨-182与钨的其他四种同位素混合在一起，形成钨-182值均匀较低的岩石。
来自澳大利亚皮尔巴拉的有32.7亿年历史的科马提岩熔岩。值得信赖的岩石中的锯齿状晶体，类似于附近的棘突草的纹理，是在超热的岩浆喷发和迅速冷却时形成的。科马提质岩石被认为是地球青春期地幔温度显著升高的证据。由乔nas Tusch
图施和Münker开发了一种强大的新方法，可以从古代岩石中提取微量的钨。然后他们就去找石头了。
首先，他们分析了在格陵兰岛西部的Isua地区收集的太古代岩石。Tusch花了11个月的时间分析这些样品，但最终他的钨-182数据是平坦的，样品之间没有显著的差异。研究人员推测，格陵兰岛的岩石在其历史中已经变形和加热，打乱了它们的地球化学信息。
他们需要更好的石头，所以他们前往西澳大利亚的皮尔巴拉。“它拥有地球上保存最完好的一些太古宙岩石，”Münker说。“与那个时代的类似岩石相比，它们没有看到太多的加热。”
Tusch说:“我真的很想找到那些一次又一次显示出不同价值的样品。”
在合著者新南威尔士大学的Martin Van Kranendonk的指导下，研究小组开着越野车在澳大利亚内陆地区穿行，参观了锈蚀红色的露头，在那里，古老的火山岩和植被相互模仿:露头处的棘毛灌木部分是二氧化硅，使它们长着尖刺，除了白蚁以外，其他生物都不能食用。他们敲掉了半吨的岩石和熔岩，这些岩石和熔岩形成于27亿到35亿年前。
为了分析古代岩石中钨的同位素比率，地质学家们利用一种叫做离子交换色谱法的方法提取和纯化了其中的钨。将溶解的岩石样品放入酸性溶液中，导致不同元素的垂直分离。由乔nas Tusch
回到德国，塔什开始工作。他用岩石锯取出每个样本内的新鲜岩石，然后将一些切片抛光至头发宽度的一半，使其在显微镜下呈半透明。他将剩下的钨粉碎并浓缩，然后用质谱仪分析钨的同位素比例。
在将近两年的时间里，结果逐渐浮出水面。这一次，同位素比率并不平坦。“真高兴见到你，”塔什说。
在33亿年前形成的岩石中，钨-182的浓度很高，这表明地幔还没有混合。2亿多年后，这一数值下降，直到31亿年前达到现代水平。这种下降反映了古老的钨-182信号的稀释，因为皮尔巴拉地幔开始混合。这种混合表明板块构造已经开始。
地球将迅速从一个布满冰岛式火山岛的水世界变成一个由山脉、河流、泛滥平原、湖泊和浅海组成的大陆世界。
一个为生命创造的新世界大约32亿年前的起始日期有助于阐明板块构造如何影响地球上的生命。
早在39亿年前，生命就开始了，在34.8亿年前，在皮尔巴拉的沉积物中形成了丘状的小堆栈，称为叠层石。这表明，在最基本的层面上，板块构造并不是生命存在的先决条件。然而，就在板块构造形成的时候，生命的多样化可能不是巧合。
随着板块构造的形成，阳光普照的浅海和湖泊被大陆岩石风化的养分施肥。细菌在这些环境中进化，通过光合作用获取阳光，产生氧气。
化石记录显示，复杂多样的动物生命的爆发可以追溯到大约5.4亿年前。其中最丰富的ico那个时代的生物是三叶虫，一种全副武装的动物，已经繁荣了数千万年。上图是三叶虫的化石，由Micha L. Rieser提供
在接下来的5亿年里，这些氧气在天空中几乎没有任何变化，部分原因是氧气会立即与铁和其他化学物质发生反应。此外，光合作用产生的每个氧分子都有一个碳原子匹配，这些氧分子很容易重新组合成二氧化碳，除非碳被掩埋，否则不会在大气中获得氧气。
然而，板块构造逐渐提供了土地和沉积物，埋下了越来越多的碳(同时也提供了大量的磷来刺激光合细菌)。大气最终在24亿年前氧化了。
氧气为地球上的植物、动物和几乎所有以氧为基础的新陈代谢提供了条件。比微生物更大、更复杂的生命需要更多的能量，生物体在有氧的情况下可以比没有氧的情况下制造更多重要的、携带能量的ATP分子。“氧气对于我们认为的复杂生命来说是非常重要的，”麻省理工学院的雅典娜·艾斯特(Athena Eyster)说。
在“无聊的十亿”时期，也就是超大陆努纳-罗迪尼亚(Nuna-Rodinia)统治了大约10亿年的时期，向复杂性的发展停滞了。北京大学的唐明和他的同事认为，由于大陆被堵塞，山脉被完全侵蚀，减少了流入海洋的营养物质，降低了氧气水平。
最终超大陆分裂，新的山脉生长并再次输出营养物质。直到大约6亿年前，复杂的生物体才开始多样化并变得更大，这是地球上氧气含量第二次上升。
5.4亿年前，海洋中出现了复杂的动物生命，不久之后，陆地上也出现了复杂的动物生命。干燥的陆地现在是宜居的，因为平流层中的氧气形成了臭氧，保护陆地生物免受紫外线辐射。
“有可能，有很多与太古代世界相似的行星，也许没有板块构造，可能有生命，”Eyster说，但“在没有板块构造的行星上有复杂的生命可能要困难得多。”
考虑火星。火星和地球在最初的十亿年里非常相似。但火星从来没有形成过板块构造，可能是因为它比地球小，所以它的内部压力不足以驱动大规模的地幔对流。相反，它迅速形成了一层厚的地壳，不利于移动板块的形成。如今，火星是铁锈红色的，几乎没有地表水，没有磁场，稀薄的大气层。
但对于板块构造学来说，这也可能是地球的命运。
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