الزركون والصفائح التكتونية وسر الحياة – عالم الفيزياء

قد تبدو الأرض تحت أقدامنا صلبة وثابتة. ولكن على مدار تاريخ الأرض، تعرضت القشرة الرقيقة نسبيًا التي تغطي كوكبنا للضغط والتشقق وإعادة التشكيل بشكل متكرر بواسطة القوى التكتونية. يمكن لتكتونية الصفائح أن تحرك القارات، وأن تبني سلاسل جبلية، وأن تسبب الزلازل والبراكين عندما تنطلق الطاقة المكبوتة فجأة.

ولكن في حين أن التكتونيات يمكن أن تدمر الحياة بشكل عشوائي على المستوى المحلي، إلا أنها حيوية أيضًا للحفاظ على الظروف الصالحة للسكن عبر سطح الأرض. وذلك لأن المواد الغنية بالكربون يعاد تدويرها مرة أخرى إلى باطن الأرض في "مناطق الاندساس" - وهي المناطق التي تندفع فيها صفيحة تحت أخرى - في عملية تساعد على تنظيم دورة الكربون. وفي الوقت نفسه، يساعد بخار الماء والغازات المنبعثة من خلال النشاط البركاني على استقرار مناخ الأرض والظروف الجوية.

كل ما نحتاجه هو أن ننظر إلى الغلاف الجوي الضار لكوكب الزهرة - بما يحتويه من ثاني أكسيد الكربون الكثيف وسحب حمض الكبريتيك - لنرى ما يمكن أن يحدث على كوكب صخري بدون تكتونية الصفائح. ولهذا السبب، افترض العديد من علماء الجيولوجيا أن الصفائح التكتونية يجب أن تكون موجودة بحلول الوقت الذي ظهرت فيه الحياة، خلال المليار سنة الأولى من تاريخ الأرض. كانت تكتونية الصفائح، في جوهرها، تعتبر شرطًا أساسيًا للحياة.

لكن النتائج الجديدة تشير دراسة أجراها فريق بحث دولي إلى أن الحياة ربما سبقت تكتونية الصفائح، وأن الحياة ربما جاءت أولاً بفارق ما. إذا كان هذا العمل صحيحًا، فربما يكون كوكبنا الشاب قد مر بفترة طويلة دون صفائح متحركة، في ظل شكل أكثر بدائية من التكتونيات المعروفة باسم "الغطاء الراكد". إن مثل هذا السيناريو، إذا تم تأكيده، من شأنه أن يغير فهمنا لكيفية نشوء الحياة وبقائها ــ وربما يساعد في البحث عن الحياة خارج كوكبنا.

على أرض مهتزة

قد تكون فكرة الصفائح التكتونية مقبولة على نطاق واسع اليوم، لكنها كانت مثيرة للجدل لسنوات عديدة. بدأت القصة عام 1912 عندما قام العالم الألماني ألفريد فيجنر اقترح فكرة "الانجراف القاري". واقترح أن قارات اليوم كانت ذات يوم جزءًا من قارة عملاقة أكبر بكثير ولكنها انجرفت لاحقًا إلى مواقعها الحالية على سطح الأرض. في كتابه أصل القارات والمحيطاتلاحظ فيجنر بشكل مشهور كيف تتلاءم سواحل أمريكا الجنوبية وأفريقيا معًا مثل بانوراما، ووصف كيف تظهر حفريات مماثلة في أجزاء مختلفة تمامًا من العالم.

قوبلت فكرة فيجنر في البداية بالتشكيك، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الباحثين لم يكونوا متأكدين من السبب الذي قد يجعل الصفائح تتحرك. بدأت الإجابة في الظهور في منتصف القرن العشرين عندما خريطة تم إنتاجها في 1953 من قبل الجيولوجي ورسام الخرائط الأمريكي ماري ثارب كشفت عن وجود سلسلة من التلال في منتصف المحيط تمتد عبر المحيط الأطلسي بأكمله وتمتد بالتوازي مع السواحل القارية. ويضم واديًا ضخمًا في وسطه، وقال ثارب إن هذا يشير إلى أن قاع المحيط يتوسع.

نظرية كاملة لانتشار قاع البحر تم اقتراحه لاحقًا بواسطة الجيولوجي الأمريكي هاري هيس في عام 1962. واقترح أن القشرة المحيطية تتشكل بشكل مستمر عند حواف وسط المحيط، حيث تتدفق المواد المنصهرة من باطن الأرض إلى السطح كجزء من خلية الحمل الحراري، قبل أن تتصلب في قاع المحيط الجديد. يتم بعد ذلك تحويل هذه القشرة الطازجة أفقيًا في كلا الاتجاهين عن طريق الصهارة المتصاعدة اللاحقة.

وفي الوقت نفسه، عندما تكون الصفائح المحيطية على حدود القارات، يتم دفع الأجزاء القديمة من القشرة المحيطية تحت القشرة القارية الأقل كثافة في الخنادق المحيطية، ويتم إعادة تدويرها مرة أخرى إلى باطن الأرض. في الواقع، يساهم الطرف الغارق للصفيحة أيضًا في انتشار قاع البحر عن طريق سحب بقية اللوحة إلى الخلف بينما تهبط إلى الهاوية.

[المحتوى جزءا لا يتجزأ]

وصلت الأدلة على انتشار قاع البحر في عام 1963 عندما قام الجيولوجيون البريطانيون فريدريك فاين و دروموند ماثيوز نظرت إلى قياسات المجال المغناطيسي للأرض التي التقطتها سفينة أبحاث تسافر عبر سلسلة من التلال في المحيط الهندي. لقد لاحظوا أن المجال لم يكن موحدًا، ولكنه كان كذلك الشذوذ الذي ركض في المشارب بالتوازي مع التلال - وبشكل متماثل تقريبًا على جانبيها - وتمتد على قاع المحيط. وقالوا إن الخطوط تنشأ لأن المعادن المغناطيسية الموجودة في قاع البحر المتشكل حديثًا تميل إلى التوافق مع المجال المغناطيسي للأرض أثناء تصلب الصخور. تتشكل خطوط جديدة في كل مرة ينقلب فيها المجال المغناطيسي للأرض - وهي ظاهرة حدثت عدة مرات خلال تاريخ الأرض عندما يصبح القطب الشمالي فجأة القطب الجنوبي.

ولاستخدام القياس، فإن قاع البحر المتحرك يشبه إلى حد ما شريط كاسيت قديم الطراز، يسجل كل انعكاس للمجال المغناطيسي الأرضي. يمكن تأريخ كل انقلاب من خلال الدراسات الأحفورية والاختبار الإشعاعي للبازلت المستخرج من قاع المحيط، لرسم تاريخ المجال المغناطيسي. في هذه الأيام، أصبح وجود الصفائح التكتونية مقبولًا عالميًا تقريبًا.

ولكن هناك اتفاق أقل بكثير حول متى بدأت تكتونية الصفائح لأول مرة. جزء من المشكلة هو أن الأرض تشكلت منذ حوالي 4.54 مليار سنة، واليوم تم إعادة تدوير كل القشرة المحيطية التي يزيد عمرها عن 200 مليون سنة إلى الأرض. وبعبارة أخرى، فإن أرشيفنا الطويل الأمد لتاريخ الأرض موجود ضمن التكوينات الصخرية المخفية في القارات.

ولكن حتى هناك، فإن الصخور القليلة التي يمكن الوصول إليها والتي بقيت من المليار سنة الأولى قد تغيرت بشكل كبير بسبب الحرارة والكيمياء والتجوية الفيزيائية والضغوط الشديدة. ولهذا السبب لا أحد متأكد من متى بدأت الصفائح التكتونية، مع تقديرات تتراوح بين أكثر من منذ 4 مليارات سنة إلى 700 مليون فقط سنين مضت. إنها حالة عدم يقين ضخمة وغير مرضية.

والأمر الأكثر إثارة للفضول هو أن أقدم دليل أحفوري لا جدال فيه على الحياة يعود إلى ما بين 3.5 إلى 3.4 مليار سنة، مع وجود دلائل على الحياة في الصخور الرسوبية تشير إلى احتمال وجود الحياة. 3.95 مليار سنين مضت. إذن، هل من الممكن أن تكون الحياة قد ظهرت قبل مئات الملايين من السنين من ظهور تكتونية الصفائح؟ مع وجود عدد قليل جدًا من الصخور الأصلية التي بقيت على قيد الحياة من هذه الفترة، غالبًا ما تقطعت السبل بالجيولوجيين في عالم المضاربة.

الزركون: كبسولات زمنية من بدايات الأرض النارية

ولحسن الحظ، يمتلك علماء الجيولوجيا سلاحًا سريًا للحصول على لقطات للظروف التي كانت على الأرض في وقت مبكر. الق التحية على الزركون – شظايا معدنية مستقرة كيميائيا (ZrSiO₄) التي توجد في مجموعة متنوعة من الألوان والإعدادات الجيولوجية. إن جمال الزركون بالنسبة لعلماء الجيولوجيا هو أنهم يظلون غير متأثرين إلى حد كبير بالتغيرات في الصخور المضيفة لهم. إنهم مثل كبسولة زمنية لتلك الفترة البعيدة.

على وجه الخصوص، كان العلماء يدرسون مؤخرا الزركون القديم التي تبلورت داخل صخور الجرانيت التي تشكلت خلال أول 600 مليون سنة من عمر الأرض. خلال هذه الفترة المعروفة باسم عصر الهاديانكان كوكبنا مكانًا جهنميًا، ومن المحتمل أن يكون محاطًا بغلاف جوي غني بثاني أكسيد الكربون، وكثيرًا ما يتعرض للقصف من قبل أجسام من خارج كوكب الأرض. وربما خلق أحدهم القمر.

على الرغم من عدم وجود قشرة، يبدو أن الصخور الصلبة قد تكونت لأن عددًا محدودًا منها بقي على قيد الحياة اليوم. توجد صخور سليمة عمرها يصل إلى 4 مليارات سنة في مجمع أكاستا غنيس شمال غرب كندا، وأقدم المواد المعروفة من أصل الأرض يبلغ عمرها 4.4 مليار سنة بلورات الزركون الموجودة في جاك هيلز في أستراليا (طبيعة علوم الأرض 10 457). وهي موجودة في صخور "فوق رسوبية" أحدث بكثير.

في هذا البحث الجديد (الطبيعة 618 531)، قام الباحثون بدراسة زركون جاك هيلز الذي يمتد للفترة ما بين 3.9 إلى 3.3 مليار سنة مضت، بالإضافة إلى الزركون من نفس الفترة الموجودة في حزام باربرتون جرينستون في جنوب أفريقيا. بقيادة جون تاردونو من جامعة روتشستر في الولايات المتحدة، كان الباحثون مهتمين في البداية بما قد تكشفه الزركون عن حالة المجال المغناطيسي للأرض خلال تلك الفترة. ولم يدركوا إلا في وقت لاحق أن النتائج التي توصلوا إليها لها آثار أوسع بكثير.

تم العثور على بلورات الزركون من كل من المواقع الأسترالية والجنوب أفريقية تحتوي على شوائب من معدن غني بالحديد يسمى الماجنتيت، والتي كانت ممغنطة بواسطة مجال الأرض في وقت تشكلها. وعلى الرغم من مرور مليارات السنين منذ ذلك الحين، ظلت هذه المعلومات حول المجال المغناطيسي القديم للأرض حبيسة بلورات الزركون طوال هذا الوقت. في الواقع، نظرًا لأن المجال المغناطيسي للأرض ثنائي القطب - مع اختلاف شدة المجال باختلاف خط العرض - فإن قياس قوة المغنطة المتبقية بين محتوى أكسيد الحديد الأسود في الزركون يمكن أن يكشف عن خط العرض الذي تشكل عنده.

وكان التحدي التالي هو تحديد تاريخ عينات الزركون. ومن الملائم أن التركيب البلوري للزركون يشتمل أيضًا على اليورانيوم، الذي يتحلل تدريجيًا إلى الرصاص بمعدل معروف. ومن ثم، تمكن الباحثون من حساب عمر بلورة الزركون من نسبة اليورانيوم إلى الرصاص، والتي قاسها فريق تاردونو باستخدام مسبار أيوني انتقائي عالي الدقةأو الروبيان.

إذا كانت الصفائح التكتونية موجودة خلال 600 مليون سنة التي تغطيها هذه الدراسة، فمن المتوقع أن تكون بلورات الزركون قد تشكلت في مجموعة متنوعة من خطوط العرض أثناء تحرك الصفائح. وهذا بدوره يعني أن بلورات الزركون سيكون لها مجموعة من نقاط قوة المغنطة اعتمادًا على عمرها. ولكن لدهشتهم، اكتشف تاردونو وفريقه شيئًا مختلفًا تمامًا.

وفي كل من المواقع الأسترالية والجنوب أفريقية، ظلت قوة المغنطة ثابتة تقريبًا بين 3.9 و3.4 مليار سنة مضت. ويشير هذا إلى أن مجموعتي الزركون كانتا تتشكلان عند خطوط عرض ثابتة. وبعبارة أخرى، لم تكن الصفائح التكتونية قد بدأت بعد. ويوضح الباحثون أن أحد أسباب هذا الاستنتاج هو أن الصفائح خلال الـ 600 مليون سنة الماضية تحركت في المتوسط ​​مسافة 8500 كيلومتر على الأقل في خط العرض. وخلال هذه الفترة الأخيرة، لم يكن هناك أي مثال على بقاء صفيحتين عند خط عرض ثابت في وقت واحد.

وبعبارة أخرى، لم تكن الصفائح التكتونية قد بدأت بعد. وخلص الباحثون إلى أن الأرض من المحتمل أن يكون لديها مجموعة أكثر بدائية من التكتونيات، والتي لا تزال تشمل بعض إعادة التدوير الكيميائي وتكسير الصخور الصلبة على سطح الأرض.

الفرق الحاسم بين تكتونية الصفائح اليوم وهذا "غطاء راكد" أحد أشكال التكتونيات هو أن الأخيرة لا تتضمن صفائح تتحرك أفقيًا عبر السطح، مما يسمح بإطلاق الحرارة بكفاءة. بدلًا من ذلك، كانت الأرض ستصبح عالمًا متقيحًا بدون قشرة قارية، مأهولة بمناطق معزولة من القشرة المحيطية السميكة تفصلها مناطق من الصهارة المتصاعدة (الشكل 1). يقول تاردونو: "ربما يكون الجفن الراكد اسمًا مؤسفًا، حيث قد يعتقد الناس أنه لا يوجد شيء يحدث". "ولكن ما لدينا هو أعمدة من المواد التي يمكن أن تسخن قاع هذه القشرة البدائية والغلاف الصخري."

قرب نهاية فترة الدراسة (منذ 3.4 إلى 3.3 مليار سنة)، بدأت المغناطيسية الملحوظة في بلورات الزركون في التقوى، وهو ما يقترح تاردونو أنه يمكن أن يشير إلى بداية تكتونية الصفائح. والسبب هو أن ألواح القشرة الضخمة التي تنحدر إلى داخل الأرض عند مناطق الاندساس تؤدي إلى تبريد الوشاح بشكل أسرع. وفي المقابل، يمكن لهذه العملية أن تعزز كفاءة الحمل الحراري في النواة الخارجية - مما يؤدي إلى مجال مغناطيسي أرضي أقوى.

"الوضع المعتدل" للحياة المبكرة؟

إذا كانت الحياة الأساسية موجودة بالفعل قبل ما يقرب من نصف مليار سنة من التكتونيات، كما تشير هذه الدراسة، فإنها تثير أسئلة مثيرة للاهتمام حول كيفية بقاء الحياة في عالم خالٍ من الصفائح التكتونية. إن المجال المغناطيسي الأضعف الناتج عن مرحلة الغطاء الراكد هذا من شأنه أن يترك سطح الأرض أكثر عرضة للإشعاع الكوني، الذي يحمينا منه مجالنا القوي الحالي. ومن ثم تصطدم البروتونات النشطة في الرياح الشمسية بجزيئات الغلاف الجوي، فتشحنها وتنشطها حتى تتمكن من الهروب إلى الفضاء ــ وهو ما من شأنه من حيث المبدأ تجريد كوكب كامل من مياهه.

لكن تاردونو يقول إنه حتى قوة المجال المغناطيسي الضعيفة نسبيًا التي لوحظت في هذه الدراسة الجديدة كانت ستوفر بعض الحماية. في الواقع، يقترح أن هذا الشكل المغلي والراكد من التكتونيات ربما يكون قد خلق "وضعًا معتدلًا" كان من الممكن أن يكون مناسبًا تمامًا للحياة البدائية، بعيدًا عن التحولات الدراماتيكية في الظروف البيئية التي يمكن أن تحدث في تكتونيات الصفائح الكاملة.

إنها فكرة محيرة لأنه يُعتقد أن أشكال الغطاء الراكد من التكتونيات شائعة في جميع أنحاء نظامنا الشمسي، وتوجد في كوكب الزهرة وعطارد وفي شكل أقل ديناميكية على المريخ.

ولتطوير البحث، يخطط فريق تاردونو الآن لدراسة الزركون ذو الأعمار المماثلة من مواقع أخرى، لإعطاء نطاق أوسع من نقاط البيانات. ويقول: "نهجنا يختلف عن العمل السابق لأن لدينا مؤشرًا للحركة". "جميع الحجج حول تكتونية الصفائح منذ ذلك الوقت في تاريخ الأرض كانت مبنية على الكيمياء الجيولوجية - وليس على المؤشر الرئيسي لماهية تكتونية الصفائح."

بيتر كاوودعالم الأرض في جامعة موناش في أستراليا، والذي لم يشارك في هذا الأمر الطبيعة تقول الدراسة إن المزيد من الفهم للأرض المبكرة قد يأتي من أماكن في نظامنا الشمسي لم يتم إعادة تدوير أسطحها بشكل متكرر بواسطة الصفائح التكتونية. ويقول: "يوفر المريخ والقمر والنيازك سجلاً أكثر شمولاً لتاريخهم المبكر". "قد توفر العينات المأخوذة من هذه الأجسام، وخاصة احتمالية إرسال عينات من المريخ، رؤى جديدة مهمة حول العمليات التي حدثت على الأرض المبكرة."

حقبة أم حدث؟ تعريف الأنثروبوسين

قد تحدث قفزات عملاقة على تلك الجبهة عبر مهمة عودة عينة المريخومن المقرر إطلاقه في عام 2027. لكن كاوود يعتقد أنه ربما يكون السؤال الأكثر أهمية فيما يتعلق بتطور الحياة الأولية هو متى ظهر الماء بالضبط - وهو شرط أساسي للحياة - على الأرض لأول مرة. ويقول: "إن العمل السابق على الزركون في جاك هيلز، باستخدام نظائر الأكسجين، يشير إلى وجود الماء منذ 4400 مليون سنة على الأقل".

بالنسبة لكاوود، من المحتمل أن يساعد هذا البحث في البحث عن الحياة داخل نظامنا الشمسي وخارجه، وحتى في مفهومنا لما تبدو عليه الحياة. "إذا تطورت الحياة على الأرض خلال مرحلة الغطاء الراكد هذه، فربما حدث هذا أيضًا على المريخ. لو ظلت الأرض في مرحلة الركود واستمرت الحياة في التطور، لكانت بالتأكيد تبدو مختلفة عن المحيط الحيوي الذي لدينا اليوم. لذلك، لإعادة صياغة حديث سبوك إلى كيرك - "إنها حياة جيم، ولكن ليس كما نعرفها".

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• تشارت بريم. ارفع مستوى لعبة التداول الخاصة بك مع ChartPrime. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/