每年，地震都会震动大地，火山会在地壳板块边缘喷发。地壳板块是地球上巨大的板块，在地球上缓慢滑动，创造并摧毁了无数年的山脉和海洋。但是，板块俯冲到底何时开始的问题一直是地球科学中争论激烈的话题。
加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所和芝加哥大学的科学家们进行的一项新研究揭示了这个迫切的问题。根据12月9日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的研究结果，这个过程可能在37.5亿年前就开始了，重塑了地球表面，为一个适合生命生存的星球创造了条件。
对于这项研究的第一作者、斯克里普斯学院的莎拉·阿伦斯教授来说，地球最早的宜居性线索存在于由古代岩石组成的元素中——特别是钛。
Aarons分析了地球上已知最古老的岩石样本，这些岩石来自加拿大苔原的阿卡斯塔片麻岩群——一块距今40.2亿年的片麻岩。这些岩石的年代可以追溯到地球形成之初，当时的环境和景观如同地狱一般，在我们现代人的眼中，这些都是陌生的。
板块构造和俯冲带决定了地球的样子，推动了大陆板块和盆地的形成，这些盆地将会填充成海洋。它们还主要控制着地球表面的化学特征，并可能对地球维持生命的能力负责。这些俯冲带是大陆形成的原因，并通过调节大气中的温室气体二氧化碳含量，对气候起到了重要的控制作用。
但是，研究古代俯冲带的历史和开始是出了名的困难。随着地壳向内挤压到地幔，岩石不断遭到破坏，几乎没有留下可以追溯到地球早期历史的样品。长期以来，科学家们一直在争论板块构造和俯冲何时开始的问题，据估计，大约在8.5亿年到42亿年之间——超过地球历史的三分之二。
亚伦斯的研究主要集中在同位素上，这是一种基于中子数量的相同元素的变体。她将片麻岩碎成粉末，然后加热、冷却并溶解在酸中，以从化学上分离钛同位素和其他元素。随后，在芝加哥大学的起源实验室，由Aarons的合作者Nicolas Dauphas领导的质谱仪中，Aarons能够确定样品中钛同位素的变化。
地球物理科学系的路易斯布洛克教授道巴斯说:“这些岩石在形成后的40亿年里就穿过了岩石。”“钛同位素对于弄清这些过程以及找出当时岩浆生成的地质背景非常有价值。”
Aarons将这些样本与在俯冲带中形成的较新的现代岩石进行了比较。在40亿年前的岩石样本中，她发现了与现代岩石的相似之处，这些岩石是在夏威夷和冰岛的羽状环境中形成的，在那里大陆漂移到一个热点上。然而，在37.5亿年前的岩石中，她注意到形成于现代俯冲带的岩石的趋势发生了转变，这表明在地球历史的那个时期，这些区域开始形成。
“虽然钛同位素数据的趋势不能提供板块构造正在全球发生的证据，但它确实表明了湿岩浆作用的存在，这支持了当时的俯冲，”Aarons说。
她补充说:“我们对这些岩石进行了大量的研究，仔细地确定了它们的年代，并提供了地球化学和岩石学背景。”“我们很幸运有机会测量这些样品中的钛同位素组成，一个新兴的同位素系统。”
作者说，这项研究中使用的技术可以应用到世界各地的其他古代岩层中，以获得更多关于地球上出现的土地的组成和演化的信息。
阿卡斯塔片麻岩的样品是由宾夕法尼亚州立大学的助理教授杰西·雷明克提供的。伯尔尼大学(瑞士)的Nicolas Greber也参与了这项研究。
引文:“在阿卡斯塔片麻岩复合体的hadean -太古界，钛同位素限制了岩浆的转变。Aarons等人，《科学进展》，2020年12月9日。DOI: 10.1126 / sciadv.abc9959
资助:美国国家科学基金会、美国国家航空航天局、福特基金会博士后奖学金、瑞士国家科学基金会。
改编自加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所首次发表的一篇文章，作者是蔡斯·马丁。