地球科學

地球板塊何時開始運動?

最近的沉積層研究結果,引發板塊運動起始年代的熱烈爭論。

撰文/霍爾(Shannon Hall)

地球科學

地球板塊何時開始運動?

最近的沉積層研究結果,引發板塊運動起始年代的熱烈爭論。

撰文/霍爾(Shannon Hall)


早期地球表面可能很像冰島,舉目所及皆是火山岩地,漆黑的山形高聳入雲,烏黑沙灘則勾勒出陸地的輪廓。但地球的色彩漸漸變得不再單調,到了今日已有較淺色的岩石,就像美國優勝美地國家公園裡構成半圓丘(Half Dome)的淡灰色花崗岩那般。科學家始終不能確定這種轉變從何時開始,不過新證據縮短了時間範圍。


最近一項研究顯示,35億年前這種轉變就已顯露端倪。雖然這項發現尚未成定論,但有助於科學家了解板塊(我們腳下深處如拼圖般緊密相連的地殼)開始活躍運動的時間。推測出這個時間點的關鍵,就是淺色岩石正從深色岩石轉變而來。簡單來講,當深色岩石被推入地球深處,可能是隨著某板塊的隱沒過程而滑入另一板塊下方,就會轉變成淺色岩石。這項研究的學者推論,假設數十億年前淺色岩石的數量豐富,板塊運動可能在那時便已展開。


瑞士日內瓦大學的地質學家葛瑞伯(Nicolas D. Greber)等人分析78件來自各地的沉積層樣本,標定出淺色(長英質)和深色(鎂鐵質)岩石的比例。但這兩種岩石因年代久遠早已化成微粒,計數兩者的比例並不容易。葛瑞伯的團隊檢視了兩種岩石的鈦含量,雖然兩者都含鈦,但從鎂鐵質轉變為長英質時其同位素(化學性質相同的原子,其質子數相同但中子數相異)的比例會隨之改變。葛瑞伯解釋,假設你混合出一個又甜又鹹的東西,他的團隊所做的這類分析工作,能讓你對「其中加入了多少糖和多少鹽有所了解」。他原本以為定年35億年前的最古老樣本,其組成應該以鎂鐵質微粒為主,但意外發現長英質微粒大約佔了一半。他的團隊把這項結果發表在2017年9月的《科學》期刊。


美國耶魯大學的地球物理學家是永淳(Jun Korenaga)沒有參與這項研究,他表示這項結果與該領域的主流觀點不一致,亦即35億年前地球仍然覆蓋大量深色的鎂鐵質岩石。他評論:「這個團隊異於主流的研究方向,令人耳目一新,他們試圖撼動這個領域,而這種投入值得欣喜。」


科學家長期爭論地殼板塊究竟何時開始運動,時間範圍估計在42億~10億年前之間。加拿大渥太華大學的地球化學家歐尼爾(Jonathan O’Neil)未參與這項研究,他指出近來有幾項研究都把板塊運動的起始年代標定為約30億年前,不過一切仍未有定論。然而,倘若科學家想了解早期地球的演化,知道板塊開始運動的時間相當重要。板塊運動會劇烈重塑地貌,不僅分割海洋盆地、推擠山脈,還改變大氣與海洋的組成,這會影響早期地球上新生命可取得的養份來源。事實上,有些科學家聲稱板塊運動是生命起源的關鍵因素。


正因為事關重大,不難理解科學家為何對板塊運動起始年代的證據如此謹慎。蘇黎士瑞士聯邦理工學院的地球物理學家塔克利(Paul Tackley)就不認同葛瑞伯最新的解釋,他主張任何時刻鎂鐵質岩石沉入地球深處就能形成長英質岩石,而且不限於隱沒帶。當火山爆發時,剛噴發出來的岩漿會把鎂鐵質岩石往地底推擠、直到埋入深處,那裡極高的壓力與溫度使其熔化並轉變為長英質岩石,整個過程都不涉及板塊運動。


雖然葛瑞伯同意長英質岩石可由這種途徑形成,不過他認為單憑塔克利的說法無法解釋長英質岩石相較於鎂鐵質岩石有如此高的比率。歐尼爾與是永淳都同意葛瑞伯所言:隱沒作用是最有可能的因素,但這不代表隱沒作用(包括板塊運動)遍及全球。許多專家推測,早期的板塊可能在局部地區間歇反覆運動數次,然後才變成全球性的連續過程。唯有分析更多的沉積物才能平息爭議,而這正是葛瑞伯接下來要做的事。(蔡雅鈴 譯)


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