【导语】

一项发表于《科学》（Science）杂志的最新研究显示，通过分析澳大利亚西部约35亿年前岩石中保存的古地磁信号，科研团队获得了目前已知最古老的直接证据，表明当时地球外壳已被分割成可相对移动的板块。这一发现将板块运动的起源时间推至地球早期历史阶段，并否定了早期地球为“整体静止外壳”的情形。

研究区域与样本采集

研究由耶鲁大学的 Alec Brenner 博士等人主导，聚焦于澳大利亚西部的皮尔布拉克拉通（Pilbara Craton）。该地区保存了世界上一些最古老、最完整的太古宙岩石地层，记录了早期微生物生命及强烈天体撞击等地质历史。

研究团队指出，皮尔布拉地区包含已知最早生命活动的证据之一，包括由蓝藻等单细胞生物形成的叠层石和微生物岩。

科研人员在皮尔布拉北极穹顶地区（North Pole Dome）100多个地点采集了逾900块岩石样本。他们使用配备空心钻头和金刚石齿的电钻获取圆柱形岩心，并通过手动喷雾冷却钻具。随后，利用装有指南针和测角仪的仪器在钻孔处精确记录每个样本的空间方位。

古地磁测量与处理方法

在实验室中，研究人员将岩心切割成类似“饼干”的薄片，并置于高灵敏度磁力仪中测量其磁信号。该仪器可探测到比普通指南针针头弱10万倍的磁场信号。

样本在逐步升温至最高约590摄氏度的过程中被反复测量，直至其中的磁铁矿等铁磁性矿物失去磁性。Brenner 表示，对数千个岩心进行消磁和测量耗时多年，过程“风险很大”，但最终结果“远超预期”。

研究基于铁磁性矿物中电子取向记录的古地磁信息。电子排列方向类似微小指南针，可指示岩石形成时相对于地磁极的方位，从而推断当时岩石所在的纬度和空间位置。

35亿年前的板块运动证据

通过对一系列形成时间跨越约3000万年的岩石进行分析，团队发现，东皮尔布拉组（East Pilbara）的部分岩石记录显示，其古纬度在约35亿年前从约53度迁移至约77度，并在数百万年间以每年数十厘米的速度漂移，同时发生超过90度的顺时针旋转。

研究还显示，这一运动在约1000万年后明显减缓，随后进入几乎静止的阶段。由于地磁极会发生反转，团队尚无法确定上述运动发生在北半球还是南半球。

为对比其他地区的同期构造行为，研究人员还考察了南非巴伯顿绿岩带（Barberton Greenstone Belt）的既有古地磁数据。此前研究表明，该地区在同一时期位于赤道附近且基本保持静止。两地差异显示，不同区域的漂移模式并不一致。

在当今地球上，北美板块与欧亚板块正以每年约2.5厘米的速度相互远离。Brenner 指出，研究结果表明，当时地球表面的岩石圈已经被分割成多个板块，并存在相对运动，而非此前一些观点所认为的全球一体、整体静止的壳层。

对早期地球岩石圈状态的启示

地球何时以及如何演化为现今的板块构造格局（地球物理学界称之为“活动盖层”）仍未有定论。此前理论提出，早期地球可能存在三种情形之一：

• 静止盖层：全球为单一整体板块，基本不发生水平运动；
• 迟缓盖层：板块存在运动，但速度显著低于现今；
• 间歇盖层：板块运动呈阶段性或间歇性发生。

新研究结果排除了“静止盖层”模式的可能性，但尚不足以区分“迟缓盖层”与“间歇盖层”等不同模型。Brenner 表示，观测到的现象是板块之间存在相对运动，这意味着当时岩石圈已被分割成可以彼此移动的不同部分。

最古老地磁反转记录

除板块运动证据外，研究还报告了目前已知最古老的地磁反转记录。地磁反转是指地球磁场方向在地质历史中偶尔发生翻转，反转后指南针指向南方而非北方。

这一现象被认为与地核中熔融铁的对流有关，该过程通过“发电机作用”产生电流和磁场。最近一次地磁反转发生在约78万年前。

哈佛大学 Roger Fu 教授指出，新数据表明，在约35亿年前，地磁反转发生的频率低于近代历史。他表示，这一结果本身并非定论，但暗示当时地核发电机的状态可能与今天略有不同。

论文信息

相关研究成果以《35亿年前相对板块运动和不频繁反转的地核发电机的古地磁检测》（Paleomagnetic detection of relative plate motion and an infrequently reversing geodynamo at 3.5 billion years ago）为题，于 3 月 19 日发表在《科学》杂志上：

Alec R. Brenner 等，2026 年，《科学》391 卷（6791 期）：1278-1282，doi: 10.1126/science.adw9250。