我國科研團隊在早期地球研究領域取得重要進展

地球區別于太陽系其他巖石行星的一個重要特征是表面的海陸二分。海陸格局控制著地表的物質循環，是形成動態、多樣的地表環境的關鍵因素，對支撐復雜生命系統至關重要。地球之所以有海陸二分是因為其地表高程變化足夠大，且呈雙峰式分布。

海陸二分是否伴隨著地球的整個演化？目前越來越多的證據顯示，在地球的早期（25—30億年前），陸地面積非常有限，地球可能是個“大水球”。

針對以上問題，北京大學地球與空間科學學院唐銘課題組與美國萊斯大學Cin-Ty Lee教授以及內華達大學（雷諾分校）曹文融教授開展合作，從深部地殼巖石相變的視角給出了解釋，相關工作以”Subaerial crust emergence hindered by phase-driven lower crust densification on early Earth”為題，發表于知名綜合期刊《科學進展》（Science Advances）。

在較長的時空尺度上，地表的高程變化受控于地殼的厚度，這是因為地殼的密度低于下面的地幔，像漂浮的冰山一樣，地殼的厚度越大，地表的海拔越高。今天的大陸能夠大面積出露在海平面以上，是因為陸殼的厚度遠大于洋殼。然而，通過對今天的造山帶的觀察發現，地表的海拔并不能隨著地殼增厚而無限升高。例如在南美的安第斯山脈，當地殼厚度超過～60km，海拔就穩定在4km左右不再上升，甚至隨著地殼進一步增厚而輕微下降。類似的現象在中國的西藏、俄羅斯的烏拉爾山脈都可以看到。巖石相平衡模擬結果顯示，60km的深度正好對應于下地殼巖石發生廣泛相變、形成榴輝巖的深度，榴輝巖的密度超過了地幔巖石，所以一旦越過了相變深度的閾值，地殼增厚就不再帶來更多的浮力，海拔也不再升高，即山高有上限。

這是一個基于熱力學與地殼均衡原理（本質是浮力原理）的簡單規律，適用于地球的任何時期，甚至是其他巖石行星。唐銘團隊將這個規律應用到地球早期，發現早期的地殼巖石由于化學成分的差異，發生相變需要的壓力比今天更低，也就是會在更淺的深度變成榴輝巖而失去浮力。更糟糕的是，早期地球的洋殼比今天更厚，即使是形成同樣的洋-陸高差，也需要陸殼比今天更厚。兩個因素結合，早期地球的固體表面可能很難形成超過3—5km的高程變化，這個值在今天是8km以上。換句話說，早期地球的地表要比今天扁平，這便為大陸出露，形成海陸二分帶來了巨大的困難。早期地球的表面，不可避免是一片汪洋。

這項研究得到了國家自然科學基金會與科技部重點研發項目的支持。

對比地球現今（左）與早期（右）的高程-地殼厚度關系的示意圖