Nature：地球早期地壳研究取得颠覆

地刊速览 · 科技创业科技自媒体 · 6 天前

主要观点总结

本文报道了一项关于地球早期演化的研究，该研究揭示了冥古宙时期原始地壳的化学成分与现代大陆地壳的微量元素特征高度相似。通过数值模型模拟了岩浆海的冷却与分异过程，对地球早期演化进行了深入探讨。该研究不仅挑战了传统地质学中的某些理论，也有助于理解地球及其他类地行星的地壳演化。

关键观点总结

关键观点1: 研究揭示冥古宙时期原始地壳与现代大陆地壳的微量元素特征相似

研究团队通过数值模型模拟了地球早期岩浆海的冷却与分异过程，发现冥古宙时期的原始地壳在化学成分上与现代大陆地壳存在惊人的相似性。

关键观点2: 研究挑战了传统地质学中的板块构造理论

传统地质学中认为板块构造是大陆地壳特征形成的必要条件，而这项新研究提出，某些大陆地壳的特征可能早在冥古宙原壳中就已存在，因此板块构造的必要性可能需要重新评估。

关键观点3: 数值模型揭示地球早期演化的关键过程

通过数值模型模拟岩浆海的冷却与金属硅酸盐的分离过程，研究人员得以了解冥古宙时期的地球演化情况，包括原壳的形成以及其与现代地壳的关联。

关键观点4: 研究的发现有助于理解其他类地行星的地壳演化

该研究不仅有助于理解地球的早期演化历史，也为理解火星、金星等类地行星的地壳演化提供了新的视角和思路。

正文

【导读】2025年4月2日《自然》期刊发表的一项研究，揭示了地球早期演化的重要线索。研究团队通过数值模型，模拟了地球早期岩浆海的冷却与分异过程。研究发现，约45亿年前冥古宙时期形成的原始地壳，其化学成分竟与现代大陆地壳的微量元素特征高度相似。这一发现挑战了传统地质学中“板块构造是大陆地壳形成必要条件”的理论，有助于理解地球早期演化。

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地球与其他类地行星（terrestrial planets）在形成初期曾经历剧烈熔融过程。通过小行星体吸积和熔融，地球表面形成广阔的“岩浆海”（magma ocean）。随着金属下沉形成地核（core），硅酸盐熔体上升冷却后形成原始地壳。然而，由于冥古宙时期频繁的陨石撞击和地质活动，早期地壳被反复改造甚至摧毁，其化学成分长期成谜。传统观点认为，大陆地壳的典型特征（如负铌异常、轻稀土富集等）必须通过板块俯冲（subduction）作用产生，但最新研究表明，这些特征可能早在冥古宙原壳中就已存在。

研究团队通过数值模型，模拟了岩浆海的冷却与分异过程。他们以CI球粒陨石（CI chondrite）成分为基础，结合实验测定的元素分配系数（partition coefficients），计算了岩浆海在低熔融比例（约3%）下萃取出的熔体成分。模型特别关注了金属与硅酸盐的分离过程，尤其是铌（Nb）等弱亲铁元素向地核的分配。

结果显示，冥古宙原始地壳的不相容元素（incompatible elements）特征与现代大陆地壳惊人相似：负铌异常源于早期地幔还原环境下铌部分进入地核；轻稀土富集则与低熔融比例和残留单斜辉石（clinopyroxene）的作用相关；钛（Ti）负异常则因钛优先进入单斜辉石而形成。此外，原始地壳可能富含水分并含有角闪石（amphibole）等矿物，为后期花岗岩（granite）形成奠定了基础。

传统理论认为，板块构造是大陆地壳特征形成的必要条件，但若该特征在冥古宙原壳中已存在，则板块构造的“必要性”可能被重新评估。例如，澳大利亚杰克山（Jack Hills）发现的43亿年锆石（zircon）曾显示“俯冲带信号”，新研究提出这或许源于原壳局部熔融而非早期板块活动。此外，原壳可能在撞击和地幔对流中被反复循环（recycling），其物质持续参与后续地壳演化。模型还显示，残留地幔的组成与现今洋中脊玄武岩（MORB）源区高度吻合，支持早期分异对现代地幔的塑造。研究进一步指出，高度亲铁元素（HSE）在原始地幔中的分布佐证了原壳形成于“晚期增生”（late veneer）之前的核心分离阶段，这为解释地球化学争议（如“铅悖论”）提供了新思路。

这项研究不仅改写了地球早期历史，也有助于理解火星、金星等类地行星的地壳演化。我们或许一直在问错误的问题——板块构造何时开始？真正需要回答的是，地壳循环何时变得高效。

参考文献：Turner, S., Wood, B., Johnson, T. et al. Formation and composition of Earth’s Hadean protocrust. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08719-3

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