尋找板塊運動開始的時間

Storyteller/Ruei

地球樣貌比較,左圖為早太古元時,右圖為現今。橘色區域是富含鎂的原始大陸,位置與形狀的正確性很低都是推測,綠色是充滿二價鐵離子的大海。下面的長條時間軸顯示上部大陸地殼組成(UCC composition),從鐵鎂質(Mafic)過渡到長英質(Felsic)。(圖片來源:GeologyIN,引用自Ming Tang/UMD)

太陽系中的行星分成類地行星與類木行星,而地球又是類地行星中最獨特的星球。它有一些與其它兄弟不同的地方,包括充滿液態水的大洋、有能讓生命存活的大氣組成、會活動的外層構造,我們稱最後一個為板塊構造運動。由於不同板塊的相對運動,使得山脈隆升、火山噴發、地震活動和產生廣大的大陸。地質學家已經為板塊運動甚麼時候開始爭執很長一段時間了,一些科學家認為這個過程開始於四十五億年前,大約在地球形成過後沒多久接著發生,另外一些則認為應該要晚得多,約是發生在八億年前。而最近馬里蘭大學一篇研究中有新的地球化學證據,證據指出板塊運動開始時間應該介於兩者之間,大約在三十億年前。研究團隊成員有Ming Tang(主要作者)、Roberta Rudnick(前馬里蘭大學教授,現任加州大學聖塔芭芭拉分校的地球科學教授)跟Kang Chen(來馬里蘭大學進行一年半研究參訪的中國地質大學學生),此研究成果於2016年1月22日刊登在科學(Science)期刊上。

「板塊運動何時開始?這是地球科學中基本的問題。我們提供了地球化學證據從地殼成分的角度去看板塊構造。」Tang說:「而板塊運動和大陸的形成有一定的關係,所以這個研究工作也可以進一步去了解地球的大陸地殼甚麼時候形成,以及如何形成。」此研究聚焦在地殼的一個關鍵特性:地球與其他太陽系類地行星的地殼組成在地球化學上有很大的不同。我們比較了火星、水星、金星,甚至是我們的月球,地球大陸地殼中的鎂含量很少,然而在過去的歷史上,地球的鎂含量其實與它的兄弟差不多。就某方面來說,地球地殼在漫長的時間中演化出少鎂、花崗岩質的岩石。許多地質學家都同意板塊運動開始於高鐵鎂轉變成花崗岩質的過程,而這個過程有個必要步驟是把地表水拖到地殼之下。

「身為一個大陸地殼,不能沒有花崗岩,而花崗岩的產生不能沒有水進入地球深部這件事發生。」Roberta Rudnick表示:「板塊要開始運動時,也會攜帶大量的水進入地函(mantle)中。所以這一切是甚麼時候發生的呢?」合乎邏輯的研究方法應該是去看古老岩石的鎂含量,一個一個時間點去找出鎂含量的變化,我們就能確定甚麼時候開始出現低鎂岩石,那也是板塊運動開始的時間。這個證據雖然最直接卻無法使用,因為鎂有一種很討厭的壞習慣,當它暴露之後就會溶解於水被帶走,最後聚積在海洋,我們無法確定每一塊石頭的鎂被帶走多少,因此無法使用。研究團隊卻另闢道路,找到了新辦法:微量元素,他們去研究岩石中不溶於水的微量元素與鎂這個主要元素之間的關係。這些元素包含:鎳、鈷、鉻、鋅,即使鎂都被溶解了,它們依然會堅守到最後。原岩中鎳/鈷、鉻/鋅的比值高,鎂的含量也高,因此可以從微量元素比值去推測鎂的含量。

「就我們所知,我們應該是第一個發現這樣的關聯並且使用它,微量元素就像是鎂的指紋一樣,即使本體被溶解不存在了,依然可以透過指紋去判斷指紋的主人是誰。」Tang說。Tang跟他的共同作者們分析了許多不同年代的古老岩石,使用上述的方法來得知岩石剛形成時鎂的含量多寡。這些岩石形成於太古元(Archean eon),時間從距今40億年前到25億年前。他們用得到的數據建立一套在太古元期間地殼中鎂(其實應該是氧化鎂)含量的演變模型。

結果顯示在30億年前的地殼中大約有11%(重量百分比)的氧化鎂,過了五億年後剩下4%,與現今大陸地殼中2~3%的氧化鎂含量相當接近。此時原始地殼開始製造出現代大陸地殼。這樣的結果支持板塊運動應該開始於距今30億年前附近,然後開始逐漸建造出現在的地貌。「這是一種很激進的想法,」Rudnick指出Ming Tang是第一個完成微量元素含量比值與鎂含量的關係:「Ming的發現未來非常有發展性,因為使用這些不易溶解的微量元素對比主要元素的做法,可以使我們解決一些一直以來都存在的地球科學問題。」Tang表示:「在未來一些研究中,可以利用這個研究方法做為基礎去研究地球歷史。例如高鎂含量地殼的風化會影響到海洋的化學成分變化,而海洋是生命開始出現的地方,這裡就有很多故事可以從新方法去挖掘。也許這個研究無法得到大部分的認同,但這還是提供了另外一個新的討論空間。」

 

對原文文章有興趣的朋友請參考:

Study zeros in on plate tectonics’ start date, GeologyIN, 2016.01.22

 

延伸閱讀:

用鑽石一窺地球的過去》─ 蓋瑞王