億萬年前，地球曾是一個(gè)被汪洋大海包圍的“水球”。隨著時(shí)間推移，陸地和淡水出現(xiàn)，為陸地生命演化提供了必要條件。
對于這一歷史性轉(zhuǎn)變，科學(xué)界的普遍認(rèn)識(shí)是，陸地和淡水最早出現(xiàn)在32億至26億年前。
近期一項(xiàng)研究挑戰(zhàn)了這個(gè)觀點(diǎn)。今年6月，發(fā)表于英國《自然·地球科學(xué)》月刊的一篇論文提出，可能在約40億年前，地球上就已出現(xiàn)干燥的陸地和淡水。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員王相力認(rèn)為，該研究對于研究地球地質(zhì)演變、尋找宜居星球具有重要意義。
跨越億萬年的“信物”揭開奧秘
想研究40億年前發(fā)生了什么，需要尋找一個(gè)能夠跨越億萬年的“信物”。
科學(xué)家將目光投向了鋯石。它是一種堅(jiān)硬耐磨的礦物，能經(jīng)受地球深處高溫高壓的考驗(yàn)，在漫長的地質(zhì)歷史中保存重要化學(xué)信息，是研究地球早期歷史的理想材料。王相力介紹，借助鋯石，科學(xué)家可以追溯地球演化史，解讀地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)和氣候變化等重大事件。
哪里能找到來自40億年前的鋯石？澳大利亞西部的杰克山有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。這里有已知最古老的地球物質(zhì)，形成于約44億年前，幾乎與地球同時(shí)誕生。其中的鋯石樣本，是研究早期地球的關(guān)鍵線索。
來自澳大利亞科廷大學(xué)和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的科研人員分析了一批來自杰克山的鋯石樣本。這些鋯石樣本中，大約10%超過40億歲。
為探尋這些鋯石是否含有淡水記錄，研究人員采用氧同位素法。氧同位素法是一種通過測量礦物或巖石中的氧同位素組成，特別是氧-18與氧-16的比值，來推斷物質(zhì)來源和形成環(huán)境的方法。研究人員發(fā)現(xiàn)，一小部分古老鋯石中存在的氧同位素組成與淡水環(huán)境中形成物質(zhì)的氧同位素組成相似，進(jìn)而推斷出地球在40億年前就已具備淡水循環(huán)系統(tǒng)。
分析結(jié)果顯示，部分鋯石樣品中氧-18與氧-16的比值明顯低于地幔平均值。而這正好符合內(nèi)陸地區(qū)降水中氧-18與氧-16比值較低的特征。淡水是由降雨帶來的，水在蒸發(fā)過程中，較輕的氧同位素（氧-16）比較重的氧同位素（氧-18）更容易進(jìn)入大氣，所以內(nèi)陸地區(qū)降水中氧-18與氧-16的比值較低。
研究人員通過蒙特卡羅法模擬了這些鋯石形成的過程。他們發(fā)現(xiàn)，僅靠海水和地幔巖漿作用，鋯石的氧-18和氧-16比值幾乎不可能低于3‰，只有當(dāng)陸地降水帶來的淡水參與到鋯石的形成過程中才有可能實(shí)現(xiàn)。并且，這片陸地必須足夠大，才能匯集足夠淡水。
王相力進(jìn)一步解釋，在地球的水循環(huán)中，海水通過蒸發(fā)進(jìn)入大氣，隨后以淡水形式降落陸地。在此過程中，輕的氧同位素富集在淡水，而重的氧同位素富集在海水。淡水參與地表生物地球化學(xué)反應(yīng)，形成的水生物質(zhì)隨后埋藏于海洋沉積物，最終因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)返回地球深部熔融成巖漿并形成鋯石礦物。
為尋找宜居星球提供新尺度
淡水的出現(xiàn)意味著當(dāng)時(shí)地球上已經(jīng)有了大片陸地。陸地生命的演化需要陸地作為棲息地，并需要淡水合成蛋白質(zhì)。雖然陸地和淡水的存在并不意味著陸地生命必然出現(xiàn)，但至少已滿足兩個(gè)關(guān)鍵條件。
王相力認(rèn)為，地球淡水循環(huán)在40億年前有序運(yùn)行這一發(fā)現(xiàn)，對研究早期地球生命與環(huán)境的協(xié)同演化、尋找宜居星球有重要意義。
王相力分析，地球在45.6億年前形成，僅僅過了大約6億年，就具備了陸地生命的重要宜居要素，這為科學(xué)家提供了一個(gè)新的時(shí)間尺度，用于評估其他星球的宜居性演化?？茖W(xué)家可以通過對比地球早期的環(huán)境條件，推測其他類地行星上可能存在的生命起源條件，從而更有效地探索宜居星球。
同時(shí)，王相力也認(rèn)為，這個(gè)結(jié)論仍存在許多需進(jìn)一步厘清的問題。例如，攜帶淡水特征氧同位素的物質(zhì)是如何返回地球深部的？一般觀點(diǎn)認(rèn)為，地球表層系統(tǒng)產(chǎn)生的物質(zhì)需經(jīng)過板塊俯沖才能進(jìn)入地球深部。因此，該研究暗示板塊俯沖可能在40億年前就已經(jīng)發(fā)生，而這明顯早于許多已知的板塊俯沖地質(zhì)證據(jù)。因此，40億年前板塊俯沖的具體模式及背后的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，仍有待更多研究來揭示。
