我们的地球形成于45.5亿年前。关于早期地球历史，仍然有许多谜题等待被解开。例如，早期的地球又是什么样子的？板块构造何时开始？地球地幔又是何时开始以对流的过程进行强烈循环的？
由于构造板块的不断移动与重排抹去了许多地质线索，科学家只能转而研究一种名为锆石的矿物——这是一种为数不多的证据线索，能够长期抵御物理与化学改造，在坚固耐久的矿物结构中保存着精确的化学信息。一些最古老的锆石晶体已有44亿年历史。
多种古老的锆石晶体。形成于地球历史最早的时代，这些锆石保存了当时这颗行星状态的记录。（图/Shane K. Houchin）
在一项新发表于《美国国家科学学院院刊》的研究中，一个研究团队通过分析这些最古老的锆石颗粒，发现了两项关键结论的证据：第一，早期地球所含的氧气可能比此前设想的更多，而且也可能有更多的水；第二，板块构造至少在33.5亿年前就已开始，这在地球45亿年的历史中，算是相对较早的时期。
记录了早期地球秘密的锆石
锆石晶体是在地壳中的熔融岩浆里形成的，保存着关于岩浆如何与大气相互作用的线索。它们是已知最古老的地球岩石碎片，其中一些可追溯到冥古宙：这一时期始于地球形成之时，在大约40亿年前结束。
在某个时期，一些含有这些锆石颗粒的岩石会经历变质作用；在这一过程中，新一代锆石在这些颗粒的边缘结晶生长，形成了清晰可辨的边部（环带）。尽管这些锆石晶体只有1/4毫米长，但先进的分析技术仍能精确测量封存在锆石核部与边部中的微量元素（如铀和钛），从而为矿物形成时的环境提供线索。
在新的研究中，研究人员分析了来自西澳大利亚的杰克山岗地区的数十颗锆石晶体。
高于预期的氧化程度
长期以来，人们常把冥古宙想象成一个地狱般的环境：血红色的大气层中充满活火山喷发产生的烟尘与火山灰，完全干燥且毫无氧气。这一时代被称为冥古宙，并被认为是一个高度“还原”的环境——与“氧化”相对。
“氧化”和“还原”是一对相反的概念，用来描述化学反应中电子如何被转移、以及在多大程度上能参与并推动反应。测量样品的氧化还原状态，可以用来推断环境中的含氧量。在地质学语境中，这通常与岩浆结晶时所含水量相关：高度还原的环境会非常干燥，而更强的氧化则可能意味着存在更多的水。
在这项新研究中，研究人员使用多种技术对这些锆石进行探测。结果发现，在那些可以追溯到41亿年前的锆石晶体中，其边部中铀的氧化程度远高于预期——也就是说它失去了电子；而这可能是在有氧气存在的情况下发生的。
这意味着，如果早期地球在一开始是处于高度还原的条件中，那么在其形成后最多一两亿年的时间尺度内，就必然发生过某种事件，使整颗行星迅速氧化。研究人员认为，可能的解释包括：彗星撞击带来水的输送、除气（de-gassing）过程，或是地球地幔高效对流的启动时间比预期更早；又或者，地球可能从一开始就并非像此前设想的那般“还原”。
33.5亿年前的板块信号
这些锆石还可能为地质学中最具争议的话题之一提供洞见，即地球的构造板块究竟在何时、以何种方式开始运动的。
研究结果表明，这些锆石晶体在形成之后必定经历过一种“高压且相对低温”的环境。这种环境暗示了俯冲带的存在，意味着一块大型地壳碎片把这些锆石从地表带到了地球更深处，然后它们在那里经历了高压。因此，这些发现表明，板块构造至少在33.5亿年前就可能已经活跃。
板块构造为生命进化提供了必需的动态能量环境，而科学界长期以来一直在争论这一过程究竟何时开始。而这项新研究为早期地球提供了一个至关重要的新数据点。
拼凑起源故事
这些新数据有助于打破早期地球是一个高度还原、地狱般且干燥之地的图景。相反，它表明地壳似乎在地球诞生后的3.5亿年就已经呈氧化状态，这表明那时可能已经存在大量的水。这意味着，早期地球可能并不像此前认为的那样，与今天的地球有那么大的不同。
研究人员表示，他们在做的，就是凭借这些零碎的证据，来拼凑出一个起源故事。接下来，他们希望能扩大分析范围，将更多的锆石纳入研究，进而发现更多与早期地球相关的信息。
#参考来源：
https://www.caltech.edu/about/news/ancient-zircon-crystals-provide-a-window-into-early-earth-history
https://www.nature.com/articles/d41586-026-00628-3
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2525466123
#图片来源：
封面图&首图：Wikipedia
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