地球是太陽(yáng)系中已知唯一的現今仍存在板塊構造運動(dòng)的行星，這一獨特的屬性被認為與生命的孕育與演化息息相關(guān)。然而，板塊構造啟動(dòng)的具體時(shí)間目前仍不清楚，不同學(xué)者提出的可能的時(shí)間跨度可從冥古宙持續到元古宙。如果可以獲得不同年代的板塊位置信息并進(jìn)一步推斷它們的運動(dòng)學(xué)特征，我們就可以嘗試解決這一問(wèn)題。
地磁場(chǎng)被認為是由地核的發(fā)電機過(guò)程產(chǎn)生，而古地磁場(chǎng)信息可以記錄在各類(lèi)巖石中。從巖石中提取出的磁場(chǎng)方向信息可以幫助我們得到巖石形成時(shí)的古緯度，進(jìn)而恢復不同板塊的位置。科學(xué)家們憑借這一手段，獲得了許多板塊的古地理位置，并在一系列問(wèn)題上取得了突破性認識（如超大陸旋回等）。但是這一方法應用于古老巖石時(shí)，尤其是顯生宙之前的巖石，往往會(huì )遇到阻礙。由于各類(lèi)地質(zhì)事件的改造作用，古老巖石中記錄的原生剩磁時(shí)常被后期磁場(chǎng)信號疊加甚至重置，這就導致我們很難得到地球早期的磁場(chǎng)方向以及板塊位置信息。恢復古老巖石的古地磁場(chǎng)強度也存在相似的問(wèn)題：理想情況下，當巖石中的鐵磁性礦物從居里溫度逐步冷卻時(shí)會(huì )獲得一個(gè)與當時(shí)磁場(chǎng)強度成正比的剩磁。通過(guò)在實(shí)驗室再次加熱樣品，并使之在已知的磁場(chǎng)中冷卻并獲得剩磁后，通過(guò)計算天然剩磁與實(shí)驗室獲得剩磁的比例系數并乘以實(shí)驗時(shí)的磁場(chǎng)強度，我們就可以得到古地磁場(chǎng)的強度。但是古老巖石的后期改造作用也同樣使得恢復地球早期的古磁場(chǎng)強度非常困難。
為此美國羅切斯特大學(xué)的John Tarduno教授團隊開(kāi)發(fā)出了一套針對單顆粒礦物的古強度實(shí)驗方法（Tarduno et al., 2015; Tarduno et al., 2010）。這種方法通過(guò)將巖石中的單顆粒礦物（如鋯石和斜長(cháng)石）進(jìn)行分選，從而得到一些包裹有鐵磁性顆粒（如圖1）的單晶，而這些鐵磁性顆粒具有良好的載磁能力，并且在單晶的保護下能夠保存穩定的原始磁信號。用這些單礦物開(kāi)展古強度實(shí)驗，可以恢復出古老巖石的古磁場(chǎng)強度信息。Tarduno教授團隊利用這種方法對南非Kaapvaal克拉通的太古代Barberton Green Sandstone（BGS）進(jìn)行了采樣工作，并挑選出其中的碎屑鋯石進(jìn)行了單顆粒古強度實(shí)驗、微觀(guān)結構和成分分析以及鋯石U-Pb年代學(xué)工作。他們的研究結果顯示，這些形成于～3.9-3.3 Ga的碎屑鋯石中的細顆粒磁鐵礦（圖1）可以記錄穩定的剩磁，并保留了鋯石形成時(shí)的原始磁信號（圖2）。研究樣品所恢復的古地磁場(chǎng)強度的平均值在該時(shí)期基本保持穩定，都在10 μT左右。結合該團隊之前對澳大利亞Jack Hills（JH）鋯石的古強度研究結果，該團隊發(fā)現在～3.9-3.4 Ga的時(shí)段內，這兩個(gè)不同板塊得到的古地磁場(chǎng)強度均較為穩定且非常一致（圖3）。古地磁的一個(gè)基本假設是地磁場(chǎng)分布符合地心軸向偶極模型，在該模型下地磁場(chǎng)強度隨緯度分布呈現赤道弱，向兩極逐漸增強的特征。數值模擬結果顯示內核結晶之前的地球磁場(chǎng)也以偶極子場(chǎng)為主導（Driscoll, 2016），那么不同古緯度的磁場(chǎng)強度就會(huì )有所差別。因此，如果不考慮地磁場(chǎng)本身長(cháng)期變的影響，某板塊如果存在緯向運動(dòng)，其巖石記錄的地磁場(chǎng)強度也會(huì )發(fā)生變化，反之如果在很長(cháng)一段時(shí)間內某板塊的磁場(chǎng)強度沒(méi)有明顯變化，就意味著(zhù)該板塊的古緯度也相對保持穩定。因此Tarduno教授團隊獲得的～3.9-3.4 Ga南非和澳大利亞兩個(gè)板塊一致且穩定的古地磁場(chǎng)強度結果，不僅意味著(zhù)二者均記錄到了全球性的發(fā)電機磁場(chǎng)，還表明它們很可能長(cháng)期處于相同的古緯度。
圖1 BGS中分選出的碎屑鋯石以及其中的含鐵包裹體。（a）野外照片，比例尺為5cm；（b-c）300μm厚的BGS薄片，比例尺為1mm，箭頭指示的是一顆碎屑鋯石；（d-e）反光鏡下碎屑鋯石照片；（f）白框標記位置的能譜；（g-m）SEM照片及標記位置的能譜（Tarduno et al., 2023）
圖2 BGS中單顆粒鋯石的熱退磁結果、古強度結果以及SHRIMP定年結果。（a）逐步熱退磁的Z氏圖，指示剩磁方向；（b）熱退磁譜；（c-k）鋯石定年結果以及古強度結果（Tarduno et al., 2023）
圖3 古磁場(chǎng)強度隨時(shí)間演化圖。粉紅色線(xiàn)及藍色框為對近800 ka以來(lái)的古強度數據通過(guò)拔靴法（bootstrap）獲得的在BGS緯度的平均磁場(chǎng)強度及其標準差；黑色虛線(xiàn)為新太古代的古強度數據平均值；紫色實(shí)線(xiàn)標注的“LHB”代表晚期重轟炸事件（Late Heavy Bombardment）可能的持續時(shí)間。黃色、綠色以及灰色的數據點(diǎn)表示JH、BGS以及其它地區的單礦物古強度數據；黃色及綠色虛線(xiàn)為100百萬(wàn)年滑動(dòng)平均的結果（Tarduno et al., 2023）
作者進(jìn)一步通過(guò)獲得的古磁場(chǎng)強度結果討論地球早期板塊運動(dòng)，認為在古太古代之前地球整體處于“停滯蓋（stagnant-lid）”階段，沒(méi)有類(lèi)似現今的板塊運動(dòng)。為了驗證這一觀(guān)點(diǎn)，該團隊利用600 Ma以來(lái)的板塊重建信息，通過(guò)模擬計算判斷現代的板塊構造運動(dòng)形式是否能產(chǎn)生與BGS和JH相似的古強度變化特征。在考慮了古強度結果誤差以及不同緯向運動(dòng)方向的情況下，他們發(fā)現600 Ma以來(lái)的板塊運動(dòng)規律不能解釋BGS與JH長(cháng)期穩定的強度結果（圖4）。已有研究結果顯示，地質(zhì)歷史上所有板塊運動(dòng)基本都伴隨有大幅度的緯向運動(dòng)，以經(jīng)向運動(dòng)為主的情況非常少見(jiàn)，因此，作者認為BGS與JH的一致且長(cháng)期穩定的古強度數據說(shuō)明這兩個(gè)板塊在長(cháng)達~5億年的時(shí)間內處于相同緯度，并據此推測當時(shí)不存在類(lèi)似現代的全球性的板塊構造運動(dòng)。如果此時(shí)地球已經(jīng)存有生命，那么它們在“停滯蓋”階段已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展演化，說(shuō)明現代模式的板塊運動(dòng)在生命起源的早期可能并不是必要條件。地球早期不存在大幅度的快速板塊運動(dòng)導致的全球氣候劇烈變化，這為早期生命的存續和演化提供了相對穩定的生存環(huán)境。
圖4 使用近600 Ma以來(lái)的板塊數據模擬的板塊運動(dòng)結果。模擬的兩個(gè)板塊均位于BGS形成時(shí)的古緯度。（a）藍色板塊向北移動(dòng)，藍色正方形表示最大緯向運動(dòng)的中位數；（b）紅色板塊向南移動(dòng)，紅色正方形表示最大緯向運動(dòng)的中位數；（c）古強度與緯度的關(guān)系；（d）古強度與時(shí)間的關(guān)系，紫色區域為BGS與JH得到的古強度標準差范圍，紅色與藍色圓圈表示兩個(gè)模擬板塊的“古強度”與BGS與JH數據產(chǎn)生明顯差異時(shí)的緯度；（e-f）兩個(gè)模擬板塊的相對緯度差異及最大緯向運動(dòng)的關(guān)系，f為e的放大圖，虛線(xiàn)為JH與BGS數據限定的最大相對距離及緯向運動(dòng)，這表明現代板塊構造幾乎無(wú)法形成符合當時(shí)古強度數據的結果（Tarduno et al., 2023）
主要參考文獻
Tarduno J A, Cottrell R D, Bono R K, et al. Hadaean to Palaeoarchaean stagnant-lid tectonics revealed by zircon magnetism[J]. Nature, 2023, 618(7965): 531-536.（原文鏈接）
Driscoll P E. Simulating 2 Ga of geodynamo history[J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43(11): 5680-5687..
Tarduno J A, Cottrell R D, Davis W J, et al. A Hadean to Paleoarchean geodynamo recorded by single zircon crystals[J]. Science, 2015, 349(6247): 521-524.
Tarduno J A, Cottrell R D, Watkeys M K, et al. Geodynamo, solar wind, and magnetopause 3.4 to 3.45 billion years ago[J]. Science, 2010, 327(5970): 1238-1240.
（供稿：祁鍇賢，蔡書(shū)慧/巖石圈室）
