Zirkoner, pladetektonik og livets mysterium – Physics World

Jorden under vores fødder kan virke solid og stationær. Men gennem Jordens historie er den relativt tynde finer, der dækker vores planet, gentagne gange blevet presset, revnet og skulptureret af tektoniske kræfter. Pladetektonikken kan flytte kontinenter, bygge bjergkæder og udløse jordskælv og vulkaner, når indelukket energi pludselig frigives.

Men mens tektonik kan ødelægge liv vilkårligt på lokalt niveau, er det også afgørende for at opretholde beboelige forhold på tværs af Jordens overflade. Det skyldes, at kulstofrige materialer genanvendes tilbage til Jordens indre i "subduktionszoner" - områder, hvor en plade presses under en anden - i en proces, der hjælper med at regulere kulstofkredsløbet. I mellemtiden hjælper vanddamp og gasser, der frigives gennem vulkansk aktivitet, til at stabilisere Jordens klima og atmosfæriske forhold.

Vi behøver kun at se på Venus' skadelige atmosfære – med dens tætte kuldioxid- og svovlsyreskyer – for at se, hvad der kan ske på en klippeplanet uden pladetektonik. Det er derfor, mange geovidenskabsmænd derfor antog, at pladetektonikken må have eksisteret på det tidspunkt, hvor livet opstod, i løbet af de første milliarder år af Jordens historie. Pladetektonik blev i det væsentlige betragtet som en vigtig forudsætning for liv.

Men nye resultater af et internationalt forskerhold tyder på, at livet kunne være gået forud for pladetektonikken – og at livet kunne være kommet først med en vis margin. Hvis værket holder stik, kan vores unge planet have oplevet en længere periode uden bevægelige plader under en mere rudimentær form for tektonik kendt som et "stillestående låg". Et sådant secnario, hvis det bekræftes, ville transformere vores forståelse af, hvordan liv opstår og overlever - og potentielt hjælpe i søgen efter liv uden for vores planet.

På gyngende grund

Begrebet pladetektonik er måske bredt accepteret i dag, men det var kontroversielt i mange år. Historien begyndte i 1912, da den tyske videnskabsmand Alfred Wegener foreslog ideen om "kontinentaldrift". Han foreslog, at nutidens kontinenter engang var en del af et meget større superkontinent, men senere drev til deres nuværende positioner på jordens overflade. I hans bog Kontinenternes og oceanernes oprindelse, bemærkede Wegener berømt, hvordan kystlinjerne i Sydamerika og Afrika passer sammen som et stiksav og beskrev, hvordan lignende fossiler dukker op i helt forskellige dele af verden.

Wegeners idé blev oprindeligt mødt med skepsis, primært fordi forskerne var usikre på, hvad der kunne have fået pladerne til at bevæge sig. Et svar begyndte at dukke op i midten af ​​det 20. århundrede hvornår et kort produceret i 1953 af den amerikanske geolog og kartograf Marie Tharpe afslørede eksistensen af ​​en midt-ocean højderyg, der spænder over hele Atlanterhavet og løber parallelt med kontinentale kyster. Med en enorm dal i midten argumenterede Tharpe, at dette indikerede, at havbunden udvidede sig.

En komplet teori for spredning af havbunden blev efterfølgende foreslået af amerikansk geolog Harry Hess i 1962. Han foreslog, at der kontinuerligt dannes oceanisk skorpe ved mid-ocean-rygge, hvor smeltet materiale fra Jordens indre brøndes op til overfladen som en del af en konvektionscelle, før det størkner til ny havbund. Denne friske skorpe shuntes derefter vandret i begge retninger af efterfølgende opstrømmende magma.

I mellemtiden, hvor oceaniske plader grænser op til kontinenter, bliver ældre dele af oceanisk skorpe skubbet ned under den mindre tætte kontinentale skorpe ved oceaniske skyttegrave og genbrugt tilbage til jordens indre. Faktisk bidrager pladens synkende spids også til havbundens spredning ved at trække resten af ​​pladen bagud, mens den styrter ned i afgrunden.

[Indlejret indhold]

Beviser for spredning af havbunden ankom i 1963, da britiske geologer Frederick Vine , Drummond Matthews set på målinger af Jordens magnetfelt taget af et forskningsskib, der sejler over en højderyg i Det Indiske Ocean. De bemærkede, at feltet ikke var ensartet, men det havde de anomalier, der løb i striber parallelt med højderyggen - og praktisk talt symmetrisk på hver side af den - spænder over havbunden. De sagde, at striberne opstår, fordi magnetiske mineraler i den nyligt dannede havbund har tendens til at flugte med Jordens magnetfelt, mens klippen størkner. Der dannes nye striber, hver gang Jordens magnetfelt vender – et fænomen, der er opstået mange gange i løbet af Jordens historie, da nordpolen pludselig bliver til sydpolen.

For at bruge en analogi er den bevægelige havbund snarere som et gammeldags kassettebånd, der optager hver vending af det geomagnetiske felt. Hver vending kan dateres via fossilundersøgelser og radiometrisk testning af basalter boret fra havbunden for at kortlægge en historie af magnetfeltet. I disse dage er eksistensen af ​​pladetektonik nu næsten universelt accepteret.

Men der er meget mindre enighed om, hvornår pladetektonikken begyndte. En del af problemet er, at Jorden blev dannet for omkring 4.54 milliarder år siden, og i dag er stort set al oceanisk skorpe ældre end 200 millioner år blevet genbrugt tilbage til Jorden. Vores langsigtede arkiv af Jordens historie er med andre ord indeholdt i skjulte klippeformationer på kontinenterne.

Men selv der er de få tilgængelige klipper, der er tilbage fra den første milliard år, blevet væsentligt ændret af varme, kemi, fysisk forvitring og ekstremt pres. Det er derfor, ingen er sikre på, hvornår pladetektonikken startede, med estimater, der spænder fra mere end 4 milliarder år siden til blot 700 mio år siden. Det er en enorm og utilfredsstillende usikkerhed.

Hvad der er mere besynderligt er, at de tidligste ubestridte fossile beviser på liv går 3.5-3.4 milliarder år tilbage, med signaturer af liv i sedimentære bjergarter, der indikerer, at liv kan have eksisteret 3.95 milliarder år siden. Så kunne liv være opstået hundreder af millioner af år, før pladetektonik overhovedet var en ting? Med så få originale klipper, der overlever fra denne periode, er geologer ofte strandet i spekulationens riger.

Zirkoner: Tidskapsler fra Jordens brændende begyndelse

Heldigvis har geovidenskabsmænd et hemmeligt våben til at få øjebliksbilleder af forholdene på den tidlige jord. Sig hej til zircons – kemisk stabile mineralfragmenter (ZrSiO₄), der findes i en række forskellige farver og geologiske omgivelser. Det smukke ved zirkoner for geovidenskabsfolk er, at de stort set forbliver upåvirket af ændringer i deres værtsbjergart. De er som en tidskapsel fra den lange periode.

Især har forskere for nylig studeret gamle zirkoner der krystalliserede i granitklipper dannet i løbet af Jordens første 600 millioner år. I denne periode, kendt som Hadean æon, vores planet var et helvedes sted, sandsynligvis indhyllet i en atmosfære rig på kuldioxid og ofte bombarderet af udenjordiske kroppe. En af dem skabte sandsynligvis Månen.

På trods af manglen på en skorpe ser det dog ud til, at der må være dannet faste klipper, fordi et begrænset antal overlever i dag. Intakte klipper så gamle som 4 milliarder år findes i Acasta Gnejs Complex i det nordvestlige Canada, og de ældste kendte materialer af jordisk oprindelse er 4.4 milliarder år gamle zirkonkrystaller fundet i Jack Hills i Australien (Nature Geoscience 10 457). De er anbragt i meget nyere, "meta-sedimentære" klipper.

I denne nye forskning (Natur 618 531), studerede forskere Jack Hills zirkoner, der spænder over perioden for 3.9-3.3 milliarder år siden, såvel som zirkoner fra samme periode fundet i Barberton Greenstone Belt i Sydafrika. Ledet af John Tarduno fra University of Rochester i USA var forskerne i første omgang interesserede i, hvad zirkonerne kunne afsløre om tilstanden af ​​Jordens magnetfelt i den periode. Det var først senere, at de indså, at deres resultater havde langt bredere implikationer.

Zirkonkrystaller fra både de australske og sydafrikanske steder viste sig at indeholde indeslutninger af et jernrigt mineral kaldet magnetit, som blev magnetiseret af Jordens felt på det tidspunkt, de blev dannet. Selvom der er gået milliarder af år siden, er denne information om Jordens gamle magnetfelt forblevet låst i zirkonkrystallerne hele tiden. Faktisk, fordi Jordens magnetfelt er en dipol - med en feltstyrke, der varierer med breddegraden - kan måling af styrken af ​​restmagnetisering blandt zircons magnetitindhold afsløre breddegraden, hvor den er dannet.

Den næste udfordring var at datere zirkonprøverne. Bekvemt indeholder krystalstrukturen af ​​zirkon også uran, som gradvist henfalder til bly med en kendt hastighed. Forskerne kunne derfor beregne zirkonkrystallens alder ud fra forholdet mellem uran og bly, som Tardunos hold målte ved hjælp af en selektiv højopløsnings ionmikroprobe, eller REJER.

Hvis pladetektonik havde eksisteret i løbet af de 600 millioner år, som denne undersøgelse dækker, så ville du forvente, at zirkonkrystallerne var dannet på en række forskellige breddegrader, når pladerne bevæger sig rundt. Det ville igen betyde, at zirkonkrystaller ville have en række magnetiseringsstyrker afhængigt af, hvor gamle de er. Til deres overraskelse opdagede Tarduno og teamet dog noget meget andet.

På både de australske og sydafrikanske steder forblev magnetiseringsstyrken næsten konstant for mellem 3.9 og 3.4 milliarder år siden. Dette tyder på, at begge sæt zirkoner blev dannet på uændrede breddegrader. Med andre ord var pladetektonikken endnu ikke startet. En del af årsagen til denne konklusion, forklarer forskerne, er, at plader i gennemsnit i løbet af de sidste 600 millioner år har flyttet sig mindst 8500 km i breddegrad. Og i løbet af denne seneste periode har der aldrig været et eksempel på, at to plader forbliver på konstant breddegrad samtidigt."

Med andre ord var pladetektonikken endnu ikke startet. Forskerne konkluderer, at Jorden sandsynligvis havde en mere rudimentær række af tektonikker, som stadig omfattede en vis kemisk genanvendelse og frakturering af fast sten på Jordens overflade.

Den afgørende forskel mellem nutidens pladetektonik og dette "stillestående låg" form for tektonik er, at sidstnævnte ikke inkluderer plader, der bevæger sig vandret hen over overfladen, hvilket giver mulighed for at varme effektivt frigives. I stedet ville Jorden have været en festende verden uden kontinental skorpe, befolket af isolerede områder med tyk oceanisk skorpe adskilt af områder med opstrømmende magma (figur 1). "Måske er stillestående låg et uheldigt navn, da folk måske tror, ​​at der ikke sker noget," siger Tarduno. "Men det, du har, er faner af materiale, der kommer op, som kan opvarme bunden af ​​denne urskorpe og lithosfære."

Mod slutningen af ​​undersøgelsesperioden (3.4-3.3 milliarder år siden) begynder magnetiseringen observeret i zirkonkrystallerne at styrke, hvilket Tarduno antyder kunne indikere begyndelsen af ​​pladetektonik. Årsagen er, at enorme skiver af skorpe, der falder ned i Jordens indre ved subduktionszoner, resulterer i, at kappen afkøles hurtigere. Til gengæld kan denne proces styrke effektiviteten af ​​konvektion i den ydre kerne - hvilket resulterer i et stærkere geomagnetisk felt.

En 'Guldlok-situation' for tidligt liv?

Hvis grundlæggende liv allerede var til stede næsten en halv milliard år før tektonikken, som antydet af denne undersøgelse, rejser det interessante spørgsmål om, hvordan liv kan overleve i en pladetektonisk-mindre verden. Et svagere magnetfelt fra denne stagnerende lågfase ville have efterladt Jordens overflade mere udsat for kosmisk stråling, som vores nuværende stærke felt skærmer os fra. Energiske protoner i solvinden ville så have kollideret med atmosfæriske partikler, opladet og sat energi til dem, så de kan flygte ud i rummet - i princippet og strippe en hel planet for dens vand.

Men Tarduno siger, at selv den relativt svage magnetiske feltstyrke observeret i denne nye undersøgelse ville have givet en vis afskærmning. Faktisk antyder han, at denne ulmende, stillestående form for tektonik kan have skabt en "Guldlok-situation", der ville have været den helt rigtige for det oprindelige liv, fri for de dramatiske skift i miljøforhold, der kan forekomme i fuldgyldig pladetektonik.

Det er en fristende idé, fordi stagnerende lågformer af tektonik menes at være almindelige i hele vores solsystem, der eksisterer på Venus, Merkur og i en mindre dynamisk form på Mars.

For at udvikle forskningen planlægger Tardunos team nu at studere zirkoner af lignende aldre fra andre steder for at give et bredere udvalg af datapunkter. "Vores tilgang er anderledes end tidligere arbejde, fordi vi har en indikator for bevægelse," siger han. "Alle argumenter om pladetektonik fra denne tid i Jordens historie har været baseret på geokemi - ikke på den primære indikator for, hvad pladetektonik er."

Peter Cawood, en jordforsker ved Monash University i Australien, som ikke var involveret i dette Natur undersøgelse, siger, at yderligere forståelse af den tidlige Jord kan komme fra steder i vores solsystem, hvis overflader ikke gentagne gange er blevet genbrugt af pladetektonik. "Mars, Månen og meteoritter giver en mere omfattende registrering af deres tidlige historie," siger han. "Prøver fra disse kroppe, og især potentialet for prøve-retur-missioner fra Mars, kan give vigtig ny indsigt i processer, der virkede på den tidlige Jord."

Epoke eller begivenhed? Definition af antropocæn

Kæmpespring på den front kan forekomme via Mars prøve returmission, planlagt til lancering i 2027. Men Cawood regner med, at et måske mere kritisk spørgsmål for udviklingen af ​​det oprindelige liv er, hvornår præcis vand - en forudsætning for liv - først dukkede op på Jorden. "Tidligere arbejde på Jack Hills zirkoner, ved hjælp af iltisotoper, tyder på, at der har været vand siden mindst 4400 millioner år siden," siger han.

For Cawood kunne denne forskning potentielt hjælpe med at søge efter liv i vores solsystem og videre – og endda vores koncept for, hvordan livet ser ud. "Hvis liv på Jorden udviklede sig i denne stagnerende lågfase, så skete det måske også på Mars. Hvis Jorden var forblevet i en stagnerende lågfase, og livet var fortsat med at udvikle sig, ville det helt sikkert se anderledes ud end den biosfære, vi har i dag. Så for at parafrasere Spock, der taler til Kirk – 'det er livet Jim, men ikke som vi kender det'."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Automotive/elbiler, Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• ChartPrime. Løft dit handelsspil med ChartPrime. Adgang her.
• BlockOffsets. Modernisering af miljømæssig offset-ejerskab. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/