早期地球，或許沒那么“地獄”

我們的地球形成于45.5億年前。關于早期地球歷史，仍然有許多謎題等待被解開。例如，早期的地球又是什么樣子的？板塊構造何時開始？地球地幔又是何時開始以對流的過程進行強烈循環的？

由于構造板塊的不斷移動與重排抹去了許多地質線索，科學家只能轉而研究一種名為鋯石的礦物——這是一種為數不多的證據線索，能夠長期抵御物理與化學改造，在堅固耐久的礦物結構中保存著精確的化學信息。一些最古老的鋯石晶體已有44億年歷史。

多種古老的鋯石晶體。形成于地球歷史最早的時代，這些鋯石保存了當時這顆行星狀態的記錄。（圖/Shane K. Houchin）

在一項新發表于《美國國家科學學院院刊》的研究中，一個研究團隊通過分析這些最古老的鋯石顆粒，發現了兩項關鍵結論的證據：第一，早期地球所含的氧氣可能比此前設想的更多，而且也可能有更多的水；第二，板塊構造至少在33.5億年前就已開始，這在地球45億年的歷史中，算是相對較早的時期。

記錄了早期地球秘密的鋯石

鋯石晶體是在地殼中的熔融巖漿里形成的，保存著關于巖漿如何與大氣相互作用的線索。它們是已知最古老的地球巖石碎片，其中一些可追溯到冥古宙：這一時期始于地球形成之時，在大約40億年前結束。

在某個時期，一些含有這些鋯石顆粒的巖石會經歷變質作用；在這一過程中，新一代鋯石在這些顆粒的邊緣結晶生長，形成了清晰可辨的邊部（環帶）。盡管這些鋯石晶體只有1/4毫米長，但先進的分析技術仍能精確測量封存在鋯石核部與邊部中的微量元素（如鈾和鈦），從而為礦物形成時的環境提供線索。

在新的研究中，研究人員分析了來自西澳大利亞的杰克山崗地區的數十顆鋯石晶體。

高于預期的氧化程度

長期以來，人們常把冥古宙想象成一個地獄般的環境：血紅色的大氣層中充滿活火山噴發產生的煙塵與火山灰，完全干燥且毫無氧氣。這一時代被稱為冥古宙，并被認為是一個高度“還原”的環境——與“氧化”相對。

“氧化”和“還原”是一對相反的概念，用來描述化學反應中電子如何被轉移、以及在多大程度上能參與并推動反應。測量樣品的氧化還原狀態，可以用來推斷環境中的含氧量。在地質學語境中，這通常與巖漿結晶時所含水量相關：高度還原的環境會非常干燥，而更強的氧化則可能意味著存在更多的水。

在這項新研究中，研究人員使用多種技術對這些鋯石進行探測。結果發現，在那些可以追溯到41億年前的鋯石晶體中，其邊部中鈾的氧化程度遠高于預期——也就是說它失去了電子；而這可能是在有氧氣存在的情況下發生的。

這意味著，如果早期地球在一開始是處于高度還原的條件中，那么在其形成后最多一兩億年的時間尺度內，就必然發生過某種事件，使整顆行星迅速氧化。研究人員認為，可能的解釋包括：彗星撞擊帶來水的輸送、除氣（de-gassing）過程，或是地球地幔高效對流的啟動時間比預期更早；又或者，地球可能從一開始就并非像此前設想的那般“還原”。

33.5億年前的板塊信號

這些鋯石還可能為地質學中最具爭議的話題之一提供洞見，即地球的構造板塊究竟在何時、以何種方式開始運動的。

研究結果表明，這些鋯石晶體在形成之后必定經歷過一種“高壓且相對低溫”的環境。這種環境暗示了俯沖帶的存在，意味著一塊大型地殼碎片把這些鋯石從地表帶到了地球更深處，然后它們在那里經歷了高壓。因此，這些發現表明，板塊構造至少在33.5億年前就可能已經活躍。

板塊構造為生命進化提供了必需的動態能量環境，而科學界長期以來一直在爭論這一過程究竟何時開始。而這項新研究為早期地球提供了一個至關重要的新數據點。

拼湊起源故事

這些新數據有助于打破早期地球是一個高度還原、地獄般且干燥之地的圖景。相反，它表明地殼似乎在地球誕生后的3.5億年就已經呈氧化狀態，這表明那時可能已經存在大量的水。這意味著，早期地球可能并不像此前認為的那樣，與今天的地球有那么大的不同。

研究人員表示，他們在做的，就是憑借這些零碎的證據，來拼湊出一個起源故事。接下來，他們希望能擴大分析范圍，將更多的鋯石納入研究，進而發現更多與早期地球相關的信息。

#參考來源：

https://www.caltech.edu/about/news/ancient-zircon-crystals-provide-a-window-into-early-earth-history

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00628-3

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2525466123

#圖片來源：

封面圖&首圖：Wikipedia