地球是太陽系中已知唯一的現(xiàn)今仍存在板塊構(gòu)造運(yùn)動的行星，這一獨(dú)特的屬性被認(rèn)為與生命的孕育與演化息息相關(guān)。然而，板塊構(gòu)造啟動的具體時(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(xù)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(yùn)動學(xué)特征，我們就可以嘗試解決這一問題。
地磁場被認(rèn)為是由地核的發(fā)電機(jī)過程產(chǎn)生，而古地磁場信息可以記錄在各類巖石中。從巖石中提取出的磁場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(fù)不同板塊的位置?？茖W(xué)家們憑借這一手段，獲得了許多板塊的古地理位置，并在一系列問題上取得了突破性認(rèn)識（如超大陸旋回等）。但是這一方法應(yīng)用于古老巖石時(shí)，尤其是顯生宙之前的巖石，往往會遇到阻礙。由于各類地質(zhì)事件的改造作用，古老巖石中記錄的原生剩磁時(shí)常被后期磁場信號疊加甚至重置，這就導(dǎo)致我們很難得到地球早期的磁場方向以及板塊位置信息。恢復(fù)古老巖石的古地磁場強(qiáng)度也存在相似的問題：理想情況下，當(dāng)巖石中的鐵磁性礦物從居里溫度逐步冷卻時(shí)會獲得一個(gè)與當(dāng)時(shí)磁場強(qiáng)度成正比的剩磁。通過在實(shí)驗(yàn)室再次加熱樣品，并使之在已知的磁場中冷卻并獲得剩磁后，通過計(jì)算天然剩磁與實(shí)驗(yàn)室獲得剩磁的比例系數(shù)并乘以實(shí)驗(yàn)時(shí)的磁場強(qiáng)度，我們就可以得到古地磁場的強(qiáng)度。但是古老巖石的后期改造作用也同樣使得恢復(fù)地球早期的古磁場強(qiáng)度非常困難。
為此美國羅切斯特大學(xué)的John Tarduno教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一套針對單顆粒礦物的古強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法（Tarduno et al., 2015; Tarduno et al., 2010）。這種方法通過將巖石中的單顆粒礦物（如鋯石和斜長石）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(hù)下能夠保存穩(wěn)定的原始磁信號。用這些單礦物開展古強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，可以恢復(fù)出古老巖石的古磁場強(qiáng)度信息。Tarduno教授團(tuán)隊(duì)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(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、微觀結(jié)構(gòu)和成分分析以及鋯石U-Pb年代學(xué)工作。他們的研究結(jié)果顯示，這些形成于～3.9-3.3Ga的碎屑鋯石中的細(xì)顆粒磁鐵礦（圖1）可以記錄穩(wěn)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(fù)的古地磁場強(qiáng)度的平均值在該時(shí)期基本保持穩(wěn)定，都在10μT左右。結(jié)合該團(tuán)隊(duì)之前對澳大利亞Jack Hills（JH）鋯石的古強(qiáng)度研究結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在～3.9-3.4Ga的時(shí)段內(nèi)，這兩個(gè)不同板塊得到的古地磁場強(qiáng)度均較為穩(wěn)定且非常一致（圖3）。古地磁的一個(gè)基本假設(shè)是地磁場分布符合地心軸向偶極模型，在該模型下地磁場強(qiáng)度隨緯度分布呈現(xiàn)赤道弱，向兩極逐漸增強(qiáng)的特征。數(shù)值模擬結(jié)果顯示內(nèi)核結(jié)晶之前的地球磁場也以偶極子場為主導(dǎo)（Driscoll, 2016），那么不同古緯度的磁場強(qiáng)度就會有所差別。因此，如果不考慮地磁場本身長期變的影響，某板塊如果存在緯向運(yùn)動，其巖石記錄的地磁場強(qiáng)度也會發(fā)生變化，反之如果在很長一段時(shí)間內(nèi)某板塊的磁場強(qiáng)度沒有明顯變化，就意味著該板塊的古緯度也相對保持穩(wěn)定。因此Tarduno教授團(tuán)隊(duì)獲得的～3.9-3.4Ga南非和澳大利亞兩個(gè)板塊一致且穩(wěn)定的古地磁場強(qiáng)度結(jié)果，不僅意味著二者均記錄到了全球性的發(fā)電機(jī)磁場，還表明它們很可能長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(biāo)記位置的能譜；（g-m）SEM照片及標(biāo)記位置的能譜（Tarduno et al., 2023）
圖2 BGS中單顆粒鋯石的熱退磁結(jié)果、古強(qiáng)度結(jié)果以及SHRIMP定年結(jié)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(jié)果以及古強(qiáng)度結(jié)果（Tarduno et al., 2023）
圖3 古磁場強(qiáng)度隨時(shí)間演化圖。粉紅色線及藍(lán)色框?yàn)閷?00 ka以來的古強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過拔靴法（bootstrap）獲得的在BGS緯度的平均磁場強(qiáng)度及其標(biāo)準(zhǔn)差；黑色虛線為新太古代的古強(qiáng)度數(shù)據(jù)平均值；紫色實(shí)線標(biāo)注的“LHB”代表晚期重轟炸事件（Late Heavy Bombardment）可能的持續(xù)時(shí)間。黃色、綠色以及灰色的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示JH、BGS以及其它地區(qū)的單礦物古強(qiáng)度數(shù)據(jù)；黃色及綠色虛線為100百萬年滑動平均的結(jié)果（Tarduno et al., 2023）
作者進(jìn)一步通過獲得的古磁場強(qiáng)度結(jié)果討論地球早期板塊運(yùn)動，認(rèn)為在古太古代之前地球整體處于“停滯蓋（stagnant-lid）”階段，沒有類似現(xiàn)今的板塊運(yùn)動。為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)利用600 Ma以來的板塊重建信息，通過模擬計(jì)算判斷現(xiàn)代的板塊構(gòu)造運(yùn)動形式是否能產(chǎn)生與BGS和JH相似的古強(qiáng)度變化特征。在考慮了古強(qiáng)度結(jié)果誤差以及不同緯向運(yùn)動方向的情況下，他們發(fā)現(xiàn)600 Ma以來的板塊運(yùn)動規(guī)律不能解釋BGS與JH長期穩(wěn)定的強(qiáng)度結(jié)果（圖4）。已有研究結(jié)果顯示，地質(zhì)歷史上所有板塊運(yùn)動基本都伴隨有大幅度的緯向運(yùn)動，以經(jīng)向運(yùn)動為主的情況非常少見，因此，作者認(rèn)為BGS與JH的一致且長期穩(wěn)定的古強(qiáng)度數(shù)據(jù)說明這兩個(gè)板塊在長達(dá)~5億年的時(shí)間內(nèi)處于相同緯度，并據(jù)此推測當(dāng)時(shí)不存在類似現(xiàn)代的全球性的板塊構(gòu)造運(yùn)動。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)開始發(fā)展演化，說明現(xiàn)代模式的板塊運(yùn)動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(yùn)動導(dǎo)致的全球氣候劇烈變化，這為早期生命的存續(xù)和演化提供了相對穩(wěn)定的生存環(huán)境。
圖4 使用近600 Ma以來的板塊數(shù)據(jù)模擬的板塊運(yùn)動結(jié)果。模擬的兩個(gè)板塊均位于BGS形成時(shí)的古緯度。（a）藍(lán)色板塊向北移動，藍(lán)色正方形表示最大緯向運(yùn)動的中位數(shù)；（b）紅色板塊向南移動，紅色正方形表示最大緯向運(yùn)動的中位數(shù)；（c）古強(qiáng)度與緯度的關(guān)系；（d）古強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系，紫色區(qū)域?yàn)锽GS與JH得到的古強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差范圍，紅色與藍(lán)色圓圈表示兩個(gè)模擬板塊的“古強(qiáng)度”與BGS與JH數(shù)據(jù)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(yùn)動的關(guān)系，f為e的放大圖，虛線為JH與BGS數(shù)據(jù)限定的最大相對距離及緯向運(yùn)動，這表明現(xiàn)代板塊構(gòu)造幾乎無法形成符合當(dāng)時(shí)古強(qiáng)度數(shù)據(jù)的結(jié)果（Tarduno et al., 2023）
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