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地壳中古老的部分表明,大约30亿年前,地球曾经是一个水世界。如果这是真的,那就意味着科学家需要重新考虑关于系外行星和宜居性的一些想法。他们还需要重新考对地球上生命起源的理解。
一篇新发表在《自然地球科学》杂志上的论文公布了研究结果。这项工作的重点是在澳大利亚内陆的一个地区,有一块32亿年前的海底板块,已经被翻过来了。这块地壳中含有古代地球海水的化学成分。
论文的作者约翰逊在一份新闻稿中说:“周围没有真正的古代海水样本,但确实有岩石与海水相互作用,并记住了这种相互作用。”地球生物圈的起源和进化是由海洋的物理和化学历史决定的。
作者想要重新引发关于古代地球是什么样子的争论,并在讨论中开辟新的领域。在论文的前言中,作者说:
地球生物圈的起源和进化是由海洋的物理和化学历史决定的。海洋化学沉积物和改变的海洋地壳保存了地球的记录。例如,海洋化学沉积物的(18O/16O)比率随时间而增加。”
随着时间的推移,人们对海洋沉积物进行了深入的研究,但这项研究的作者却把目光转向了古代地壳。古代海洋拥有不同类型的氧气,然后这些氧气被沉积到地壳中。科学家们收集了多块古代岩石样本,并对其进行了氧同位素分析(氧16和氧18)。他们想找出古代地壳中各同位素的相对含量,并将其与沉积物中的含量进行比较。
早期地球的艺术印象他们的研究结果显示,在32亿年前地壳形成时,氧18更多,这意味着当时海洋中的氧18更多。这两位研究人员表示,这意味着当地壳形成时,还没有大陆。这是因为大陆形成时,它们含有黏土,而这些黏土吸收了较重的氧18。因此,如果32亿年前有大陆的话,它们的地壳样本所含的氧18就会少一些。
他们的研究得出的最重要的结论是,地球上的海洋经历了两种截然不同的状态:一种是大陆形成之前,另一种是大陆形成之后。
人们对海洋化学沉积物进行了广泛的研究,试图将古代地球上的大陆形成拼凑起来。研究称,这些古代沉积物包括“碳酸盐、磷酸盐、微晶二氧化硅和氧化铁”。由于这些矿物是直接从水里形成的,所以它们能反映与它们共存的水中的氧18。“这些沉积物就像是当时地球的档案记录,而较老的沉积物显示,氧18值随着时间的推移稳步增加,一直到今天。但这项工作与此相反,作者认为海水中的氧-18会随着时间的推移而减少。
艺术家描绘了一颗围绕着一颗遥远的红矮星的水状系外行星。新的研究表明,Proximab可能特别多水。这两位科学家构建了一个古代地球的模型,表明“在30亿到25亿年前的太古代晚期,大陆风化的开始,会将富含氧18的早期太古代海洋,拉低到与现代海水相似的氧18值。”因此,只有在大陆形成之后,氧-18的数值才会开始看起来像现代的数值。
尽管这项研究指出了古代地球是水世界的可能性,但这并不意味着地球上没有任何陆地。岛屿大小的陆地或者是微型大陆,可能在那个时候就已经存在了。但是,今天覆盖地球的广阔土地,肥沃的土壤和高耸的山脉,可能并不存在。如果有的话,氧18的含量会更接近今天的含量。
“在我们所做的一切中,没有任何东西表明你不能让微小的、微型的大陆从海洋中伸出来,”作者说。“我们只是不认为有像我们今天这样的全球性大陆的形成。”作者并不是说他们的工作是目前围绕早期地球的讨论的决定性证据。他们指出,他们的研究结果还有其他可能的原因。
如果古代大陆的形成比现代大陆慢得多,那就可以解释氧18的差异。吸收氧18的黏土也可能是在海洋中形成的,而不是在陆地上。这就引出了地球科学中一个经久不衰的谜团:大陆究竟是什么时候形成的?
根据一些证据,大陆很可能只有在地核散热和冷却的时候才会形成。无论如何,现代大陆直到侏罗纪之后才形成。在此之前,冈瓦纳大陆覆盖了地球表面的五分之一。作者希望研究地壳的年轻区域,以便更清楚地确定现代大陆是何时形成的。
这项研究还涉及到地球上早期生命,以及它们是如何以及何时形成的。地球早期的海洋,就像现代的海洋一样,起到了缓冲的作用,“通过漫长的时间,在生物圈、大气圈和地圈之间调节气候反馈,帮助确保长期的行星宜居性。”
在这张图中,系外行星GJb,一个可能的海洋世界,被显示在地球和海王星之间进行比较。科学已经描绘了一幅早期地球可能是什么样子的图画,以及海洋的性质是什么。但它远未完成。证据都被及时地埋藏在岩石里。当我们试图了解地球上的气候变化时,当我们越来越好地观察系外行星时,所有这些关于古代地球、海洋和生物圈的问题,就有了新的突破。
一个没有新兴大陆的早期地球可能类似于一个‘水世界’,为地球上生命的起源和进化以及其他地方可能存在的生命提供了一个重要的环境约束。