我們的地球形成于45.5億年前。關(guān)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(gòu)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(huán)的？

由于構(gòu)造板塊的不斷移動與重排抹去了許多地質(zhì)線索，科學(xué)家只能轉(zhuǎn)而研究一種名為鋯石的礦物——這是一種為數(shù)不多的證據(jù)線索，能夠長期抵御物理與化學(xué)改造，在堅固耐久的礦物結(jié)構(gòu)中保存著精確的化學(xué)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(dāng)時這顆行星狀態(tài)的記錄。（圖/Shane K. Houchin）

在一項新發(fā)表于《美國國家科學(xué)學(xué)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(fā)現(xiàn)了兩項關(guān)鍵結(jié)論的證據(jù)：第一，早期地球所含的氧氣可能比此前設(shè)想的更多，而且也可能有更多的水；第二，板塊構(gòu)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(guān)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(jié)束。

在某個時期，一些含有這些鋯石顆粒的巖石會經(jīng)歷變質(zhì)作用；在這一過程中，新一代鋯石在這些顆粒的邊緣結(jié)晶生長，形成了清晰可辨的邊部（環(huán)帶）。盡管這些鋯石晶體只有1/4毫米長，但先進的分析技術(shù)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(huán)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(qū)的數(shù)十顆鋯石晶體。

高于預(yù)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(huán)境：血紅色的大氣層中充滿活火山噴發(fā)產(chǎn)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(huán)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(xué)反應(yīng)中電子如何被轉(zhuǎn)移、以及在多大程度上能參與并推動反應(yīng)。測量樣品的氧化還原狀態(tài)，可以用來推斷環(huán)境中的含氧量。在地質(zhì)學(xué)語境中，這通常與巖漿結(jié)晶時所含水量相關(guān)：高度還原的環(huán)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(shù)對這些鋯石進行探測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(yù)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(fā)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(nèi)，就必然發(fā)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(yù)期更早；又或者，地球可能從一開始就并非像此前設(shè)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(zhì)學(xué)中最具爭議的話題之一提供洞見，即地球的構(gòu)造板塊究竟在何時、以何種方式開始運動的。

研究結(jié)果表明，這些鋯石晶體在形成之后必定經(jīng)歷過一種“高壓且相對低溫”的環(huán)境。這種環(huán)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(jīng)歷了高壓。因此，這些發(fā)現(xiàn)表明，板塊構(gòu)造至少在33.5億年前就可能已經(jīng)活躍。

板塊構(gòu)造為生命進化提供了必需的動態(tài)能量環(huán)境，而科學(xué)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(guān)重要的新數(shù)據(jù)點。

拼湊起源故事

這些新數(shù)據(jù)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(jīng)呈氧化狀態(tài)，這表明那時可能已經(jīng)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(jù)，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(fā)現(xiàn)更多與早期地球相關(guān)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