缺失的5亿年：宇宙轰击熔化了地球最早的地壳

# 消失的5亿年：宇宙轰击熔化了地球最早的地壳 来源：https://arstechnica.com/science/2026/07/the-missing-500-million-cosmic-bombardment-melted-earths-first-crust/ 冥古宙的热量可能不仅来自地球内部，也来自撞击。 （图片：一颗岩石行星表面的图像，表面布满许多发橙色光的点。轨道上有一些碎片。https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2026/07/image-1.jpeg） 地球是我们已知唯一拥有轻质、富含硅的大陆的行星。但经过数十年的研究，地质学家仍未就它们如何形成达成一致。"大陆大约在四十亿年前开始出现——那是我们所知最古老的大陆岩石，"澳大利亚珀斯科廷大学的地质学家蒂姆·约翰逊说。"地球有45亿年历史，所以为什么它们在那时开始出现，以及形成大陆地壳的机制，都是未知的。" 约翰逊和他的同事们现在提出，地球大陆的形成主要是由一次剧烈而持续的陨石轰击造成的，这次轰击使早期地壳保持高温和薄层状态，从而使轻质大陆成为可能。简而言之，我们赖以生存的土地，是因为远古来自太空的轰击而产生的。 ## 板块与地幔柱 研究大陆形成的问题在于，这一过程的地质证据几乎消失了。已知最古老的大陆型岩石结晶于大约40.3亿年前，正好在冥古宙（地球历史上最早的纪元，涵盖地球存在的最初5亿年）末期。稀有的玄武岩可追溯到约42亿年前，而少数最古老的锆石晶体则将记录推回到44亿年前。除此之外，几乎没有其他东西了。因此，研究大陆起源的科学家在很大程度上只能依赖有根据的推测。"关于早期地球上发生了什么，存在巨大的争论，因为数据非常稀缺，"约翰逊说。 一种主流观点认为，板块构造（与今天类似）在冥古宙已经运行，大陆地壳形成于俯冲带（构造板块碰撞的区域）之上。另一种观点则认为，早期地球温度过高，无法形成刚性板块，地壳反而是形成于从地球深处上升的地幔柱上方，约翰逊说，这种现象类似于熔岩灯内部上升的蜡块。 然而，这两种观点的问题在于，根据大多数模型，地球似乎太冷，无法支持这些过程。"人们曾试图理解地球在整个时间尺度上的热量收支，但没有人能让它吻合，"约翰逊说。"没有人能让它吻合，因为我们没有考虑来自地球外部的能量。"他认为，这种能量来自小行星和陨石的撞击，在太阳系年轻时期，这种撞击要频繁得多。然而，将这些撞击加入早期地球的热量收支中却相当具有挑战性，因为地球有其独特的愈合伤疤的方式。 ## 月球探索 我们之所以不太了解40亿年前地球上发生了什么，是因为板块构造有效地将地表循环回地幔。"我们知道那个时期月球上发生了什么，"约翰逊说。"我们曾派人去过那里。我们从那里采集了样本。我们拥有大量来自月球的高质量数据。"因为月球没有板块构造，它的地壳是一个单一的、坚实的、连续的壳。约翰逊的团队注意到，这个壳上布满了撞击坑。 通过与已测定年代的月球样本进行校准，月球上的陨石坑计数让约翰逊的团队能够估算出，在地球形成后不久，大型天体撞击我们最近的天体邻居的频率。"将这一流量放大到地球更大的尺寸和更强的引力，可以清楚地看出，地球一定曾受到过数千个直径超过10公里的撞击体撞击，"约翰逊说。当他的团队确定了最可能的撞击频率和撞击体大小后，他们就能计算出这次巨大轰击向地球输送了多少能量，进而产生了多少热量。 结果发现，热量非常巨大。 先前大多数对早期地球热量收支的建模都集中在内部来源上，例如吸积和地核形成留下的热量，以及放射性同位素的持续衰变——我们曾认为这些是绝对主导因素。约翰逊的太空轰击模型表明，事实并非如此。 ## 带来热量 该团队专注于模拟每次撞击的动能最终如何转化为热量。约翰逊说，物理原理很简单，尽管细节很复杂。"实际上就是把撞击体的大小和速度转化为能量，"他解释道。当一个大型天体撞击时，部分撞击能量会使撞击点附近的岩石蒸发或熔化。但是，特别是当撞击体很大时，大部分能量会传播到下方的地幔中。"这种能量基本上会加热整个上地幔，"约翰逊说。 这种热量驱动了更多的熔化和更多的玄武岩火山活动，这个过程不仅发生在实际碰撞的几分钟到几小时的时间尺度上，还会持续数千万甚至数亿年。当约翰逊和他的同事们将这些贡献相加时，发现冥古宙大部分时间里的撞击加热比放射性和地核加热高出大约一个数量级。 将这一修正后的热量收支输入地球动力学模拟后，该团队得出结论，冥古宙时期的地壳很薄，并且下方大部分是熔融状态。模型表明，地壳厚度不到5公里，从地表以下仅2到3公里处就开始了广泛的局部熔化。在大约5公里深度处，熔融部分体积超过30%——远超过岩石能作为一个连贯板块保持在一起的程度。 关键的结论是，在这样的条件下，板块构造无法运作。"俯冲和板块构造要求你的岩石圈是刚性的，能够相互碰撞和俯冲，"约翰逊说。"如果我们的计算相差不远，那就不可能。" 模拟还捕捉到了单个大型撞击的局部影响，并产生了地壳整体回收到地幔的过程，物质滴落到至少600公里深的深度。约翰逊认为，这种回收解释了为什么如此少的冥古宙地壳幸存至今。他还认为，这解释了地质记录中几乎完全没有受冲击变形的冥古宙锆石的原因。研究人员提出，由于浅层存在如此多的熔体，它们会在冲击波对幸存晶体造成永久变形之前将其吸收和散射。 ## 转折点 撞击通量并没有永远保持在高位；它大致呈指数下降。在39亿到35亿年前之间，它已经下降到足够低，使内部热源成为对地壳的主导影响。随着撞击加热的消退，上地幔冷却，曾经很薄的玄武质地壳变厚了。 该团队的模型表明，到冥古宙之后的太古宙早期，地壳厚度达到了大约30公里。这种更厚、更冷、更刚性的地壳终于能够支持板块构造了，而大约在同一时间，第一批大陆岩石出现在地质记录中。"一旦你能产生厚地壳，并在其下方形成岩石圈地幔，你就可以开始建造大陆了，"约翰逊说。 该团队承认，这一论点很大程度上依赖于基于物理的建模，而非岩石样本。不过，在缺乏地质证据的情况下，约翰逊认为依赖建模是合理的。"我们需要开始认真对待这些模型的输出，而不是说，'好吧，我们找不到任何岩石，所以我们放弃吧'，"他说。但是，古老的岩石尽管很难找到，也可能在不久的将来出现——地球极其擅长掩盖其历史的痕迹，但它并非完美无缺。 "在加拿大的Nuvvuagittuq绿岩带，一个北美研究团队最近将一块深色的镁铁质岩石的年代定为42亿年，"约翰逊说。"我还知道另一个小组发现了一块可能更古老的岩石。希望你在未来几个月内能读到相关报道。" Science, 2026. DOI:10.1126/science.aeb5402 (http://dx.doi.org/10.1126/science.aeb5402) Jacek Krywko 的照片 (https://arstechnica.com/author/jacek_krywko/) Jacek Krywko 是一位自由科学和技术作家，报道太空探索、人工智能研究、计算机科学以及各种工程奇迹。 3 条评论 (https://arstechnica.com/science/2026/07/the-missing-500-million-cosmic-bombardment-melted-earths-first-crust/#comments) 1. 文章列表图片用于"最多阅读"中的第一篇：评论：《超级少女》并非其低票房所暗示的灾难 (https://arstechnica.com/culture/2026/07/review-supergirl-is-not-the-disaster-its-low-box-office-suggests/)