Nature：地球早期地壳研究取得颠覆

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【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。

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