恒星和植物如何帮助创造地球独特的大陆

上周，我们深入探讨了地球为何拥有大陆的一些理论。据我们所知，没有其他行星拥有这些在地表移动、相互作用的巨型浅色岩石体。我们对大陆的形成原因以及它们独特的“风味”的了解才刚刚开始，但新的研究为大陆的演化提供了一些意想不到的途径。

来自星辰的大陆

发表在《地质学》杂志上的一项新研究试图找出究竟是什么帮助大陆在最开始时形成的。研究人员没有关注地球内部的过程，而是考察了太阳系在银河系中的位置可能如何影响地球上的地质过程。他们发现，这之间可能确实存在联系。

Chris Kirkland 和他的同事们研究了地球遥远过去（25亿多年前）的锆石，以寻找其形成过程中条件变化的证据。他们分析了北美和澳大利亚古代锆石中铪元素同位素成分的变化，发现存在一个大约1.7亿至2亿年的周期。最令人惊讶的是，他们认为这个周期与太阳系穿越我们银河系——银河系——不同旋臂的时间相吻合。

银河系在旋转，我们的太阳系也在围绕银河系中心公转，但速度不同。这意味着太阳有时会处于恒星和尘埃/气体密度较高的地方——也就是我们螺旋星系的“旋臂”。当我们穿过这些恒星密集的区域时，附近有恒星经过的太阳系更有可能导致物质像彗星和小行星一样，降落在内太阳系。这会导致对地球的撞击次数增加。

这如何形成大陆？撞击的能量如此之大，以至于它们可以熔化地壳，并导致撞击点下方的地幔也熔化。在澳大利亚锆石中发现的同位素异常与球粒层（大型撞击期间形成的液滴）等撞击标志相关……其时间与太阳系穿越银河系英仙臂和盾牌-半人马臂的时间相关。

所有这些撞击以及随之而来的地壳和地幔的熔化，会形成由花岗岩等较轻岩石组成的地带。这可能是形成大陆所需的“种子”。在这些高二氧化硅岩石中形成的锆石，其氧同位素的组成往往不同。Kirkland 和他的同事们发现，来自存在球粒层的地质时期（约34亿至35亿年前）的锆石也具有支持他们理论的氧同位素组成。

这是一个迷人的想法，即银河系过程会影响地球上的地质过程。然而，一个问题随之而来，为什么只有地球发展出了真正的大陆？我们在火星、金星或水星上没有看到同样的情况，这不禁让人怀疑，为什么在它们可能也经历过撞击增加的情况下，大陆却没有形成。

植物留下印记

快进到“仅”大约五亿年前。地球的“奇特”已经导致了生命的出现，但早奥陶世是一个以海洋生命为主的时代。最早的植物可能已经在大陆上可能非常贫瘠的干地上建立起来。一项发表在《自然地球科学》杂志上的新研究发现了陆地植物的兴起可能直接改变了我们大陆组成的证据。

Christopher Spence 和他的同事们再次求助于锆石，以评估植物可能如何改变我们大陆的岩石。他们利用氧和铪的同位素组成（听起来很熟悉吗？），考察了大约4.3亿年前陆地植物开始真正繁衍时，地表风化可能发生了怎样的变化。

首先，植物对于塑造地球表面至关重要。在没有植物的景观中（想象一个刚发生过森林大火的区域），陆地更容易遭受山体滑坡等侵蚀。植物的根系带来的内聚力要少得多，因此风化和侵蚀会非常迅速。

此外，根系与岩石的相互作用是植物帮助形成富含粘土的土壤。植物（及其共生的细菌和真菌）可以将矿物质分解成更难移动的粘土。我们在地质记录中将其视为泥岩（页岩）的增加。根系会加速岩石和沉积物（我们称之为地质学和生物学相遇的区域——“临界区”）的风化。这意味着有更多物质可供风化和侵蚀，特别是转化为粘土。

植物甚至可能改变了地球上的河流。有了植物，河流的岸边会变得更加稳定，形成了地球上可能是最早的沼泽和湿地。随着沉积物变得更加泥泞（并富含粘土），河流会变得更加曲折，它们会冲刷自己泥泞的洪水沉积物。

总而言之，植物从根本上改变了地表及地表附近岩石的分解方式，以及沉积物在地球上被搬运和储存的效率。因此，我们从一个拥有沙质河流和浅层风化的星球，变成了一个拥有由生物增强风化作用喂养的泥泞河流的星球。

岩浆中的生物信号

Spencer 和他的同事们研究了大陆中这些新形成的沉积物可能如何改变在大陆形成的岩浆中锆石的组成。地壳中的熔融岩石体会“同化”周围的物质，这意味着包裹着岩浆的地壳会熔化并被吸入。

Spencer 和他的同事们发现，在陆地植物爆发后形成的岩浆中，氧同位素以及铪和镥同位素对开始相关。在植物出现之前，由于岩浆形成时氧和铪-镥的组成都是在地幔中确定的，它们之间没有关联。

然而，一旦这些岩浆必须与4.3亿年之后形成的、由植物介导的（在地壳中变质的）沉积物相互作用，这些同位素就开始同步变化。除非岩浆与由植物引起的老岩石大量风化产生的沉积物相互作用，否则就不会发生这种情况。

这是一个简化的说法，可以这样理解。在陆地植物出现之前，大陆可能对形成的岩浆具有一定的同位素“风味”。然而，在陆地植物出现之后，这些“风味”开始协同变化，而不是随机变化。要做到这一点，你需要富含粘土的沉积物与岩浆持续相互作用……而要做到这一点，你需要泥岩和曲折的河流来储存这些泥泞的沉积物。

因此，生命可以在形成的晶体中留下其印记，我们可以在地质记录中读出它。这是地球“奇特”地质演化的又一个例子，大陆在数十亿年来一直在收集从撞击到植物等一切事物的证据。