理論的誕生
一些偉大的想法震撼了世界。幾個世紀以來，地球的最外層被認為是靜態的、剛性的、鎖定在適當的位置。但板塊構造理論徹底改變了這幅行星圖景的核心。板塊構造揭示了地球表面如何不斷移動，以及它的特徵——火山、地震、海洋盆地和山脈——如何與其炎熱的內部有著內在的聯繫。我們現在知道，地球上熟悉的景觀是億萬年循環的產物，在這個循環中，地球不斷重塑自己。
當板塊構造學在20 世紀60 年代出現時，它成為一種統一的理論，「第一個在整個地球科學史上被普遍接受的全球理論，」哈佛大學科學史學家Naomi Oreskes 在《板塊構造學》的序言中寫道。板塊構造：現代地球理論的內部史。 1969 年，地球物理學家 J. Tuzo Wilson比較了這場智力革命對地球科學的影響愛因斯坦的廣義相對論產生了類似的思想顛覆關於宇宙的本質。
板塊構造學描述了地球整個 100 公里厚的最外層（稱為岩石圈）如何被分解成板塊拼圖（承載著大陸和海底的岩石板），並在熾熱、緩慢旋轉的內層之上滑動。每年以 2 到 10 公分的速度移動，有些板塊會碰撞，有些板塊會發散，有些板塊會互相磨擦。新的海底在海洋中心形成，並隨著板塊沉回地球內部而消失。這個循環產生了地球上的許多地質奇觀以及自然災害。
板塊構造學是「整個地球科學史上第一個被普遍接受的全球理論」。
內奧米·奧雷斯克斯
賓州州立大學地球動力學家布拉德福德‧弗利（Bradford Foley）表示：「令人驚訝的是，它如何將這些碎片連結在一起：海底擴張、海底磁條…地震形成的地方，山脈形成的地方。 “幾乎一切都已就位。”
現在有這麼多的證據，這理論感覺顯而易見，幾乎是不可避免的。但從固定的陸地到翻騰、不安的地球的概念之旅是漫長而曲折的，期間不時出現純粹的洞察力，並以數十年堅持不懈的數據收集為指導。
大陸漂流
1912年，德國氣象學家阿爾弗雷德·韋格納在法蘭克福地質協會的會議上提出，地球的陸地可能正在移動。當時，普遍的觀點認為，山脈就像地球上的皺紋一樣，隨著它慢慢失去形成的熱量和表面收縮而形成。相反，韋格納認為，山脈是在大陸漂移穿過地球表面時發生碰撞時形成的。雖然現在相距遙遠，但這些大陸曾經連接在一起，形成了韋格納稱為“盤古大陸”或“全地球”的超級大陸。例如，這可以解釋為什麼在大西洋兩側發現相同類型和年齡的岩石以及相同的化石。
大陸漂移的想法引起了一些科學家的興趣。許多其他人，尤其是地質學家，對此不以為然，充滿敵意，甚至感到震驚。批評者認為，韋格納的想法過於投機，沒有足夠的基礎，例如均變論等流行的地質原理，均變論認為，今天在地球上起作用的同樣緩慢移動的地質力量在過去也一定也曾在起作用。人們認為該原則要求將大陸固定在適當的位置。
德國地質學家馬克斯‧森佩爾輕蔑地寫道1917年，韋格納的想法“是通過膚淺地使用科學方法而建立的，忽視了地質學的各個領域”，並補充說，他希望韋格納將注意力轉向其他科學領域，不要打擾地質學。他諷刺地寫道。
「行動主義者」和「固定主義者」之間的爭論在整個 1920 年代持續不斷，並隨著滲透到英語圈而愈演愈烈。 1926 年，在美國石油地質學家協會於紐約舉行的一次會議上，地質學家羅林·T·張伯倫(Rollin T. Chamberlin) 駁斥了韋格納的假設，稱其為不相關觀察結果的混雜。張伯倫說，這個想法「是一種自由自在的類型，因為它對我們的地球有相當大的自由度，與大多數競爭對手的理論相比，它更少受到限製或尷尬、醜陋事實的束縛。 」
韋格納的想法（現在稱為大陸漂移）最持久的癥結之一是它無法解釋如何大陸移動了。 1928 年，英國地質學家阿瑟‧霍姆斯 (Arthur Holmes) 對這項運動提出了一個可能的解釋。他提出，大陸可能像木筏一樣漂浮在地球深處一層黏性、部分熔融的岩石之上。他建議，放射性物質衰變產生的熱量，讓這一層慢慢沸騰，在熔岩內產生巨大的循環流，進而緩慢地移動大陸。
霍姆斯承認他沒有數據來支持這個想法，而且地質學界基本上仍然不相信大陸漂移。地質學家轉向其他問題，例如開發地震強度的震級和設計一種精確測定有機材料年代的方法使用碳的放射性形式，碳-14。
數據湧入
1950 年代，來自一個意想不到的來源——海底——的證據重新燃起了人們對大陸漂移的興趣。第二次世界大戰帶來了潛水艇和聲納的快速發展，科學家很快就提出了新技術去研究海底。研究人員使用聲納，用聲波探測海底並監聽返回脈衝繪製出連續和分支的水下山脈的範圍一條長長的裂縫一直延伸到它的中心。這個世界性的裂谷系統在全球蜿蜒超過 72,000 公里，穿越世界海洋的中心。
借助用於測量磁場的磁力計，研究人員還繪製了海底岩石的磁性方向——其中的含鐵礦物相對於地球磁場的方向。研究團隊發現海底岩石具有奇特的「斑馬條紋」圖案：正常極性的帶狀（其磁方向對應於地球當前的磁場）與反極性的帶交替。這項發現表明每個帶形成於不同的時間。
同時，對探測和禁止地下核試驗的支持不斷增加，也為地震學家創造了一個機會：有機會創造一個全球性的、地震儀標準化網絡站。到 20 世紀 60 年代末，大約 120 個不同的監測站安裝在 60 個不同的國家，從埃塞俄比亞亞的斯亞貝巴的山區到華盛頓特區喬治城大學的大廳，再到冰凍的南極。由於由此產生的大量高品質地震數據，科學家發現並繪製了沿著洋中裂谷系統（現在稱為洋中脊）和海溝下方的隆隆聲。非常深的海溝附近的地震特別奇怪：它們起源於比科學家想像的更深的地下。還有山脊非常熱科學家們透過將細鋼探針插入從船上鑽入海底的岩心中，並與周圍的海底進行了比較。
1960年代初，兩位研究人員獨立工作，地質學家哈利‧赫斯和地球物理學家羅伯特·S·迪茨，將不同的線索放在一起，並添加了福爾摩斯關於熱岩內潛在循環流層的舊想法。據稱，大洋中脊可能是環流將熱岩推向地表的地方。強大的力量將地球岩石圈的碎片分開。熔岩從縫隙中噴湧而出，新的海底誕生了。隨著岩石圈碎片分開，新的海底繼續在它們之間形成，稱為「海底擴張」。
1966 年，這一勢頭在紐約戈達德太空研究所舉行的為期兩天的聚會中達到了頂峰，這次聚會大約只有 100 名地球科學家。 「很明顯，在紐約舉行的這次會議上，一切都將發生變化，」劍橋大學地球物理學家丹·麥肯齊告訴倫敦地質學會2017年會議反思。
“很明顯，在紐約舉行的這次會議上，一切都會改變。”
還有麥肯齊
但哥倫比亞大學地震學家林恩·賽克斯表示，「沒有人知道」這次會議將成為地球科學的關鍵時刻。當時剛獲得博士學位的賽克斯是受邀者之一。他剛剛發現了大洋中脊地震的獨特模式。這種模式顯示海脊兩側的海底正在分開，這是板塊構造的關鍵證據。
在會議上，一個又一個的討論將數據堆積在支持海底擴張的數據之上，包括賽克斯的地震數據和那些對稱的斑馬條紋圖案。很快地人們就明白，這些發現正在朝著一個統一的敘述發展：大洋中脊是新海底的誕生地，深海海溝是舊岩石圈被重新吸收到內部的墳墓。這種出生和死亡的循環一次又一次地打開和關閉海洋，使大陸聚集在一起，然後分開。
證據是壓倒性的，正是在這次會議上，地球物理學家澤維爾·勒皮尚（Xavier Le Pichon）曾對海底擴張持懷疑態度，他在2001 年的回顧性文章“我對板塊構造學的轉變”中寫道，“移動主義的勝利已明確確立”，其中包括在奧雷斯克斯的書中。
板塊構造出現
第二年春天，在美國地球物理聯盟的年會上，整個地球科學界都意識到了這些發現。威爾森列出了各種證據賽克斯說：“當時，社區中幾乎沒有任何阻力，”賽克斯說：“他們立即接受了它，這令人驚訝。”
科學家現在知道地球的海底和大陸正在移動，山脊和海溝標誌著大塊岩石圈的邊緣。但這些物質塊是如何在地球上協同移動的呢？為了設計這種複雜舞蹈的編排，兩個不同的小組利用了 18 世紀數學家萊昂哈德·歐拉 (Leonhard Euler) 設計的定理。該定理表明，剛體繞球體運動就像繞軸旋轉一樣。麥肯錫和地球物理學家羅伯特·帕克用了這個定理計算岩石圈塊體－板塊的舞蹈。他們不知道的是，地球物理學家 W. Jason Morgan 獨立想出了一個類似的解決方案。
隨著這最後一篇的誕生，板塊構造的統一理論誕生了。關於大陸漂移的古老爭論現在看來不僅過時了，但也是“人類自信的一劑清醒的解藥”，物理學家埃貢·奧羅萬（Egon Orowan）告訴科學新聞1970年。
人們因此受益匪淺更清晰地了解地球的運作方式，包括能夠更好地應對地震、海嘯和火山爆發。板塊構造也塑造了跨學科的新研究，提供了有關板塊構造的重要信息氣候如何變化以及關於地球生命的演化。
然而還有很多我們不懂的地方，例如什麼時候和如何地球表面開始不停地移動──而且當它可能結束時。同樣令人費解的是，為什麼板塊構造似乎不會發生在太陽系的其他地方，坦佩亞利桑那州立大學的行星科學家林迪·埃爾金斯-坦頓說。 “某件事怎麼可能是一場徹底的智力革命，同時又令人費解呢？”
— 卡洛琳·格拉姆林
了解我們的地球
自從板塊構造學建立以來的幾十年裡，科學家越來越多地在地球上佈滿了地震感測器，這些感測器可以接收地球的隆隆聲，用船舶和海洋中的聲納探測海底。將岩心鑽入行星表面。新科技也加入了工具箱，包括衛星定位系統例如可以幫助追蹤地面隨時間變化的 GPS，以及可以解釋和分析大量資料的功能更強大的電腦。
這些工具提供了地球外部的新視角，並開啟了了解地球內部的新視窗。例如，在 20 世紀 60 年代，研究人員證明，被稱為大洋中脊的水下山脈是兩個構造板塊相互拉開的地方，也是新海底正在形成的地方。但在 20 世紀 70 年代初，科學家首次近距離觀察後果， 和首次載人潛水器探索大西洋的洋中脊。
大洋中脊帶來了更多驚喜：幾年後，海洋學家探索了另一個大洋中脊，即太平洋的加拉巴哥裂谷，發現了第一個已知的熱液噴口，即噴出過熱、富含礦物質的水的裂縫。讓團隊成員驚訝的是，熱液噴口充滿了巨大的管蟲、蛤和其他生命形式。
同時，豐富的新地震資料和增強的計算能力使人們對地球構造板塊下沉到地球內部的神秘區域有了深入的了解，這些區域被稱為“俯衝帶」。研究人員發現，一塊沉重的、下沉的岩石圈板可以施加對板的其餘部分產生極其強大的拉力——第一個建議認為俯衝可能是保持板塊移動的主要引擎之一。科學家也發現這些板塊可能會下降得更深地函是地球堅硬外層和過熱金屬核心之間 2,900 公里厚的一層，它比人們想像的更深入地進入地球內部，並且可能在刺激地函內緻密高溫岩石的循環方面發揮重要作用。
其他研究者開始探究其中的奇怪之處「熱點」火山，例如夏威夷的島鏈，其位置離地殼板塊的邊緣非常遠。曾經被認為起源於地表下的岩漿池，地函的地震圖像表明，火山的燃料是巨大的、有浮力的熱熔融物質羽流起源於地球內部數百至數千公里深處，有些接近其核心。
但每有一個新的發現或得到解答，就會產生更多關於地球動態性質的發現或問題。以下是一些重要的：
我們可以預測地震嗎？
哥倫比亞大學地震學家林恩·賽克斯說：“最大的問題是是否有希望能夠預測地震。”
“最大的問題是是否有希望能夠預測地震。”
林恩賽克斯
為了試圖回答這個問題，科學家們正在尋求了解斷層如何移動的物理原理。這不是一個簡單的問題：當構造板塊相互摩擦時，岩石中會產生應力，從而產生複雜的裂縫網絡。這些斷層帶可能包括微觀裂縫和巨大的裂縫。有些斷層可能會突然滑動，引發地震；其他人可能緩慢地前進一英寸，可能預示著不久的將來會發生更大的地震。地震可以從一個故障「跳」到另一個故障隨著應力位置的變化。存在感——或移除——地下水又增加了一個問題。地下循環的水可能有助於潤滑斷層，也可能增加新的壓力。
科學家正試圖在這看似混亂的情況中找到秩序。過去幾十年來，地震台網急劇擴張，目前全球安裝了約 26,000 個地震站。更多的監測站意味著可以更精確地測量地震的起始位置和傳播速度，並補充說額外幾秒鐘到幾分鐘的警告。
但科學家們正在尋找更多數據。一種策略是從現有地震記錄中榨取盡可能多的信息。透過訓練電腦將最微小的地震與其他類型的地震（例如過往交通）區分開來，科學家增加了南加州的地震數量十年內記錄的地震數量增加了十倍， 例如。另一個策略是先大幅增加收集的資料量。一些科學家正在嘗試使用地下光纖電纜來創建密集的地震陣列，這種技術稱為分散式聲學感測。
賽克斯說，俯衝帶的地震特別難以理解。俯衝帶地震是有史以來一些最具破壞性的地震的原因，包括2004年印尼海域9.1級破裂引發了一場致命的海嘯，造成超過 25 萬人死亡，2011年9.0級地震日本近海引發海嘯，造成 15,000 多人死亡。 2011 年的地震也導致福島第一核電廠癱瘓，釋放放射性粒子進入大氣和地下水。
眾所周知，這些致命的地震很難預測。俯衝帶會形成極深的水下溝槽，因此很難在俯衝板塊上安裝感測器，以幫助確定未來地震前應變可能累積的位置。賽克斯說，“許多活動發生在近海”，下沉的板塊位於非常深的水域下方。 “所以你不能坐在它上面。”
為了解決這個問題，日本海岸防衛隊一直在測試一個新想法：將陸地上安裝的 GPS 系統的數據與從船上收集的聲學數據結合。這種組合使科學家能夠密切注意俯衝板塊並尋找可能預示地震的海底形狀變化。對陸地移動敏感的重力探測衛星也可能有所幫助。研究人員表示衛星可能已經偵測到日本俯衝帶變形2011 年地震發生前幾個月。
火山為什麼會噴發？
與地震一樣，預測火山爆發仍然很棘手。科學家可以偵測到火山內的隆隆聲由移動的岩漿引起透過使用地震儀和 GPS 站可以檢測陸地海拔的變化，包括由火山側翼下方岩漿膨脹引起的變化。
但這些動作的意義並不明顯。洛杉磯南加州大學地震學家約翰·維代爾表示，“每座火山都有自己的個性”，很難將它們分為廣泛的類別。有時，在火山下方移動的岩漿只是聚集在大型地下房間。有時它會直接浮出水面。不同的火山也有不同的岩漿「管道」系統：在某些火山中，例如華盛頓的火山聖海倫斯火山，岩漿從一個巨大而深的地下儲庫上升到地表下的另一個大房間。在其他方面，例如夏威夷的基拉韋厄長長的管道向側面蜿蜒，將熔岩注入地表的無數裂縫中。
不同的管道系統如何影響火山爆發的爆炸性仍不清楚。甚至深入研究的火山，如基拉韋厄火山繼續令人驚訝——例如，在 2018 年，通常火山熔岩會緩慢滲出，但在一些裂縫中會爆發出富含氣體的熔岩。
有時，一系列深層、緩慢的地震預示著強烈的火山爆發，就像火山爆發的情況一樣。菲律賓的皮納圖博山1991 年爆發。只是安靜地抱怨。維代爾補充說，判斷一座特定火山的情況更像是一門藝術，而不是一門科學。
「熱點」是如何形成的？
地球上的大多數火山形成於板塊邊界的邊緣。但地球上一些最著名的火山——比如夏威夷群島的火山——突然出現在板塊中部，並由從地函深處升起的孤立的岩漿「熱點」提供燃料。科學家仍在試圖了解這些熱點形成的原因和方式。
“每座火山都有自己的個性。”
約翰·維代爾
幾十年來，夏威夷群島一直是個地質謎題。甚至在板塊構造理論出現之前，科學家就想知道什麼力量可以創造出一串 2,400 公里長的火山，所有火山都像小鴨子一樣整齊地排成一排（包括許多位於水下的火山）。 1963年，地球物理學家J. Tuzo Wilson提出，海底擴張的新想法可能與此有關。如果海底正在滑過地球岩石圈下方的靜止岩漿區域，或者一個熱點，其結果可能是逐漸古老的火山呈線性行進。
到 1971 年，板塊構造革命已經開始，但夏威夷仍然是一個謎。地球物理學家 W. Jason Morgan 採用了熱點概念，但更深入。他認為，熱點是由從地函底部與地核交匯處上升數千公里的岩漿羽流所推動的。
即使在今天，摩根的地幔柱假說仍然是主導思想。但證明這一點很棘手，因為科學家幾乎沒有來自地球內部的直接數據，必須使用間接方法推斷那裡存在什麼。科學家擁有的一個工具是地震斷層掃描，這是一種類似 CT 掃描的視覺化技術。利用地震產生的多次地震波，科學家可以根據對地震波因溫度或礦物成分變化而減慢或加速的位置的觀察，創建地球內部的 3D 影像。透過地震層析成像，科學家發現了深層羽流，正如預期的那樣，夏威夷和薩摩亞以下。但在全球其他熱點地區，例如黃石熱點地區下方，還沒有發現如此深的羽流。在某些情況下，這可能是成像問題；有些羽流可能太小而無法使用此技術檢測。
熱點羽流為何以及如何形成仍然是個謎。一些科學家懷疑這些羽流可能與另一個長期存在的地函之謎有關。 1980 年代，科學家利用地震層析成像技術在地函底部附近發現了兩個巨大的“異常區”，在這些區域中，地震波的傳播速度比穿過鄰近岩石的速度要慢得多。其中一個位於非洲下方（後來被地球物理學家稱為“Tuzo”），另一個位於太平洋下方（又稱“Jason”）。這些區域可能代表了很久以前俯衝的岩石圈及其地球化學組成看起來很像某些地方噴出的熔岩——但不是全部——熱點火山。
科學家們正在努力確定這些是否以及如何發生。異常區域可能會產生熱點羽流。但熱點火山、俯衝板塊和地球內部之間的最終聯繫仍然存在著許多不確定性。
— 卡洛琳·格拉姆林
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氣候變遷的力量
大約24億年前，二氧化碳和甲烷覆蓋地球在全球陰霾中。大氣中幾乎不含氧氣——儘管地球海洋中的單細胞產氧藻類早在 30 億年前就開始釋放氧氣。
然後，突然，大氣中氧氣含量激增，這種現象現在被稱為大氧化事件。這種突然的化學轉變的原因長期以來一直是個謎。
但一種可能性是地球移動了。
加州大學河濱分校的地球化學家 James Eguchi 表示，大約 25 億年前的大規模火山爆發可能引發了這起事件。利用碳酸鹽岩石中碳和氧同位素水平變化提供的線索，江口及其同事提出，此類噴發導致的熔岩和二氧化碳噴發到大氣中，會使地球變暖並增加降雨量。江口說，這會加速風化作用。
“[板塊構造是] 負責調節長期地質時間尺度上的氣候。
布拉德福·弗利
眾所周知，火山爆發的二氧化碳在維持地球碳循環運轉方面發揮關鍵作用。作為酸性，CO2-充滿的雨水與岩石發生反應，將碳從大氣中吸收出來，形成新的礦物質，衝入大海。海洋中的微小藍藻或藍綠藻會吞噬富含碳的礦物質，為大氣中添加氧氣，從而繁盛。有些礦物形成碳酸鹽岩，封存更多的碳。最終，這些海底碳酸鹽在下沉的板塊頂部被帶入地球炎熱的內部。它們融化，新的岩漿升起，從火山中重新噴發。
Eguchi和他的同事認為，火山岩的持續風化和日益高效的藍細菌排出越來越多的氧氣相結合，幫助了氣體的累積。大氣中的氧氣含量從接近零增加到約 21% —為我們所知的地球上的生命鋪平道路。
「這是一個巨大的循環過程，將地球內部與其氣候以及生命聯繫在一起，」江口說。
他補充說，25 億年前火山活動突然增加的原因尚不清楚。但科學家懷疑板塊構造可能有很多錯誤的開始和口吃在真正開始之前。他說，火山的擴散可能預示著重大的構造轉變，可能是板塊運動速度更快，或是更廣泛、甚至是全球性的板塊運動。
快進到大約 2.52 億年前，當時地球經歷了另一場戲劇性的轉變——這次轉變最終歸咎於火山惡棍。歷史上最具破壞性的火山爆發引發了一場氣候災難，導致約 90% 的物種滅絕，這場大規模滅絕被稱為「大滅絕」。
它始於一股熾熱的岩漿從地球深處升起，在猛烈噴發之前聚集在地表下方。超過300萬立方公里熔岩在短短一百萬年內覆蓋了現在西伯利亞的大部分地區。更具破壞性的是二氧化碳、甲烷和其他改變氣候的氣體的巨大脈衝，這些氣體在火山爆發即將結束時爆發，可能只需要數萬年的時間。
這些氣體迅速擴散到全球，導致全球氣溫飆升，將曾經溫帶的土地變成沙漠。氟和氯氣體侵蝕臭氧層，讓太陽的紫外線燒焦地球的森林。隨著海水溫度上升，海洋也變得致命溫度高達攝氏 15 度，海水也變成酸性和缺氧，溶解了一些海洋居民的外殼，而有些則喘不過氣來。
這種災難性的、徹底改變行星的火山事件在地球歷史上是罕見的，它們與地球構造板塊和熾熱熔岩漩渦的連結仍然是一個謎。
但地球的活力不僅具有破壞性。透過一遍又一遍地將碳循環進出地球內部，板塊構造最終使地球溫度保持非常穩定。賓州州立大學的地球動力學家布拉德福德福利說，數十億年來，它一直扮演著行星恆溫器的角色。 “它負責調節長期地質時間尺度上的氣候。”
板塊運動也幫助塑造了我們今天所知的天氣和氣候特徵，從亞洲季風到覆蓋南極洲的冰蓋。大約從 5,500 萬年前開始，印度次大陸向北推進，與歐亞板塊碰撞開始將青藏高原的部分地區推向天空。高原有效地將中亞與印度洋隔開，阻止亞洲上空的寒冷乾燥空氣南下。同時，高原在夏季吸收了大量的太陽能。所有這些熱量都會使高原上方的大氣變暖，而上升的熱空氣會產生強大的氣流。來自印度洋上空的溫暖潮濕的空氣被吸入，產生強烈的年度季風降雨。這些降雨反過來又塑造了從印度到中國再到日本的天氣模式。
南極洲目前的冰凍狀態可以歸因於它與南美洲的分離。沉積物岩心顯示，大約 9,000 萬年前，這片大陸被沼澤森林覆蓋。這並不是因為它更靠近赤道；而是因為它更靠近赤道。從那時起，陸地幾乎沒有移動過。但大約 3500 萬年前，南美和南極板塊的分裂開闢了一條名為德雷克海峽的深海航道。這僅僅足以讓寒冷的南極繞極流包圍這片大陸，使其陷入持續至今的深度冰凍之中。在全球範圍內，洋流的路徑是由陸地分佈和洋盆形狀決定的。這些洋流輸送熱量，驅動區域氣候。
在過去的兩個世紀裡，人類幹擾了板塊構造對地球氣候緩慢而穩定的影響。我們已經調高了恆溫器透過添加大量二氧化碳在很短的時間內釋放到大氣中。這些排放已經導致全球氣溫快速上升以及改變降水模式、海平面上升和洋流變化。
科學家希望更了解地球未來的氣候可能會是什麼樣子研究過去的氣候狀態，包括大氣中不同濃度二氧化碳的影響。但哥倫比亞大學的地震學家林恩·賽克斯表示，板塊構造「無法拯救我們」。 「在比如說 50 年的時間尺度上，它並沒有太大的改變事物的作用，」賽克斯說。 “板塊構造在那個時間尺度上有點停滯不前。”
— 卡洛琳·格拉姆林
生命的熔爐
地球是已知唯一有板塊構造的世界。它也是已知唯一擁有生命的物種。
坦佩亞利桑那州立大學的行星科學家林迪·埃爾金斯-坦頓說，行星科學家們對這兩個事實是否相關、如何相關以及這對地球的不尋常意味著什麼感到困惑。 「沒有人知道板塊構造是如何在地球上開始的，以及為什麼它沒有在其他地方開始，」她補充道。 “這是一個與許多其他謎團相關的謎團，其中之一是宜居性。”
我們知道板塊構造在保持地球適宜居住，主要是透過移動碳來實現。 「它負責在長地質時間尺度上調節氣候，確保氣候或多或少適合生命生存，」哈佛大學地球物理學家 Roger Fu 說。
「沒有人知道板塊構造是如何在地球上開始的，以及為什麼它沒有在其他地方開始。這是一個與許多其他謎團相關的謎團，其中之一就是宜居性。
林迪·埃爾金斯-坦頓
當兩個構造板塊碰撞時，一個板塊會滑到另一個板塊下方，將含有碳的岩石帶入地球內部深處。俯衝板塊開始融化，火山在上覆板塊上噴發，將二氧化碳和其他氣體噴入大氣中。隨著二氧化碳的積累，它會透過溫室效應使地球變暖。
這種溫暖的大氣層會促進富含二氧化碳的雨水與岩石之間的化學反應，從而加速地球表面岩石的風化。這些反應將氣體從大氣中抽出，形成新的碳礦物。這些礦物質被沖入海洋，微小的海洋生物利用這些碳來建造碳酸鈣外殼。最後這些生物死亡，它們的殼沉入海底，本身變成碳酸鹽岩石。隨著越來越多的二氧化碳以這種方式從大氣中分離出來，行星就會冷卻——直到最終，板塊構造的緩慢研磨將碳酸鹽通過俯衝板塊帶入行星內部。
這個循環持續了數百萬年，不僅使氣溫保持溫和。攪拌也保留了氧氣、氮氣、磷及其他營養元素在大氣、海洋和岩石中循環，並將它們透過化學方式轉化為生物體可以使用的形式。
「這並不是說沒有板塊構造就不會存在生命，」傅說。 “但情況會非常不同。”
事實上，地球上的第一個生命可能早於板塊構造的開始。這顆行星的古老岩石上有生命的痕跡，可以追溯到至少34億年前, 數億年前任何板塊運動的最早已知證據，以疊層石化石的形式存在，由微生物和礦物質組成的層狀結構。現代的溫泉中也存在類似的微生物群落，例如黃石國家公園的溫泉。一些科學家推測溫泉——其中含有生命的生化配方，包括化學元素、水和能量——可能為地球最早的生命奠定了基礎。
賓州州立大學的地球動力學家布拉德福德·弗利說，從理論上講，沒有板塊構造的行星——比如早期的地球——當然有可能擁有宜居的大氣層和液態水，以及豐富的熱量。弗利模擬了有多少二氧化碳可以從「停滯蓋」行星的內部滲出——像火星和水星這樣的行星，有一塊連續的岩石圈，就像一個寒冷、沉重的蓋子覆蓋在炎熱的內部。弗利說，即使在這些行星上，“我們仍然有火山活動”，因為在厚重的蓋子下面仍然有熾熱的岩石在循環。這些火山爆發將二氧化碳釋放到大氣中，並產生新的岩石進行風化。
改變氣候規模的火山活動可能不會像板塊構造使事物繼續攪動時那樣持續那麼久，但它理論上可以持續10億年或20億年，弗利說。這意味著一些靜止的蓋行星可能會形成大氣層，甚至擁有液態水的溫帶氣候，至少在一段時間內是如此。
然後是木星的冰衛星木衛二。月球表面被破碎成板塊馬賽克冰塊相互滑過、上下滑動，就像地球上的冰塊一樣。 「它被稱為包容，而不是俯衝，」傅說。但這種冰循環的結果可能類似於地球上的硬岩循環，在表面冰和下面的液態海洋之間移動營養物質，這反過來又有助於支持月球上的生命。
「板塊構造到底是什麼還沒有答案，」傅說。他說，這個術語已經成為一個包羅萬象的詞，涵蓋了地球上的許多物理特徵——大洋中脊、俯衝、移動的大陸——以及養分循環等地球化學過程。 “但不能保證它們總是一起發生。”
科學家本能地以地球為模板研究其他世界艾爾金斯-坦頓說，作為尋找宜居性時要尋找什麼的例子。 「我們試圖在自然科學中解釋的許多事情都依賴我們處於鐘形曲線的中間，」她說。 “如果事實證明我們不尋常，我們有點離群，那麼解釋事情就會困難得多。”
她說，也許每個世界都有自己不拘一格的歷史。地球的周期恰好包括板塊構造的強大循環。但其他地方的生活可能會找到另一種方式。
— 卡洛琳·格拉姆林
