Tsirkoonid, laamtektoonika ja elu müsteerium – Füüsikamaailm

Maapind meie jalge all võib tunduda kindel ja paigal. Kuid kogu Maa ajaloo jooksul on meie planeeti katvat suhteliselt õhukest spooni tektoonilised jõud korduvalt pigistanud, pragunenud ja ümber kujundanud. Laamtektoonika võib liigutada mandreid, ehitada mäeahelikke ning vallandada maavärinaid ja vulkaane, kui ammendunud energia äkitselt vabaneb.

Kuid kuigi tektoonika võib hävitada elu valimatult kohalikul tasandil, on see elutähtis ka elamiskõlblike tingimuste säilitamiseks kogu Maa pinnal. Selle põhjuseks on asjaolu, et süsinikurikkad materjalid taaskasutatakse tagasi Maa sisemusse "subduktsioonitsoonides" - piirkondades, kus üks plaat surutakse teise alla - protsessis, mis aitab reguleerida süsinikuringet. Samal ajal aitavad vulkaanilise tegevuse käigus eralduv veeaur ja gaasid stabiliseerida Maa kliimat ja atmosfääritingimusi.

Peame vaid vaatama Veenuse kahjulikku atmosfääri – selle tiheda süsinikdioksiidi ja väävelhappepilvedega –, et näha, mis võib juhtuda kivisel planeedil ilma laamtektoonikata. Seetõttu eeldasid paljud geoteadlased, et laamtektoonika pidi eksisteerima selleks ajaks, kui elu tekkis, Maa ajaloo esimese miljardi aasta jooksul. Laamtektoonikat peeti sisuliselt elu oluliseks eeltingimuseks.

Kuid uued leiud Rahvusvaheline uurimisrühm viitab sellele, et elu võis eelneda laamtektoonikale ja et elu oleks võinud teatud määral esikohale tulla. Kui teos peab paika, võib meie noor planeet olla läbi elanud pikema aja ilma liikuvate plaatideta algelisema tektoonika vormi all, mida tuntakse "seisva kaanena". Kui selline skeem kinnitust leiab, muudaks see meie arusaama sellest, kuidas elu tekib ja ellu jääb – ning võib potentsiaalselt aidata kaasa elu otsimisele väljaspool meie planeeti.

Rappuval pinnasel

Laamtektoonika mõiste võib tänapäeval olla laialdaselt aktsepteeritud, kuid see oli palju aastaid vastuoluline. Lugu sai alguse 1912. aastal, kui saksa teadlane alfred wegener pakkus välja idee "mandrite triivist". Ta väitis, et praegused mandrid olid kunagi osa palju suuremast superkontinendist, kuid triivisid hiljem oma praegustele asukohtadele Maa pinnal. Tema raamatus Mandrite ja ookeanide päritoluWegener märkis kuulsalt, kuidas Lõuna-Ameerika ja Aafrika rannajooned sobivad kokku nagu pusle, ja kirjeldas, kuidas sarnased fossiilid tekivad täiesti erinevates maailma osades.

Algselt suhtuti Wegeneri ideesse skeptiliselt, peamiselt seetõttu, et teadlased ei olnud kindlad, mis võis plaadid liikuma panna. Vastus hakkas ilmnema 20. sajandi keskel, kui aastal toodetud kaart 1953 USA geoloogi ja kartograafi poolt Marie Tharpe paljastas kogu Atlandi ookeani ulatuva ja mandri rannikutega paralleelselt kulgeva ookeani keskharja olemasolu. Tharpe väitis, et selle keskel on tohutu org, mis viitab ookeanipõhja laienemisele.

Täielik teooria merepõhja laotamiseks tehti hiljem ettepanek USA geoloogi poolt Harry Hess 1962. aastal. Ta väitis, et ookeaniline maakoor moodustub pidevalt ookeani keskosas, kus Maa sisemusest pärit sulamaterjal suubub konvektsiooniraku osana pinnale, enne kui see uueks ookeanipõhjaks tahkub. See värske koorik šunteeritakse seejärel horisontaalselt mõlemas suunas järgneva ülesvoolu magma abil.

Samal ajal, kui ookeaniplaadid piirnevad mandritega, surutakse ookeanilise maakoore vanemad osad ookeanikaevikutes vähem tiheda mandrikoore alla ja suunatakse tagasi Maa sisemusse. Tegelikult aitab plaadi vajuv ots kaasa ka merepõhja levikule, lohistades ülejäänud plaadi taha, samal ajal kui see kuristikku kukub.

[Varjatud sisu]

Tõendid merepõhja leviku kohta saabusid 1963. aastal, kui Briti geoloogid Frederick Vine ja Drummond Matthews vaatas Maa magnetvälja mõõtmisi, mille tegi uurimislaev, mis sõitis üle India ookeani harja. Nad märkasid, et väli ei olnud ühtlane, kuid oli anomaaliad, mis jooksid triibuliselt paralleelselt mäeharjaga – ja praktiliselt sümmeetriliselt mõlemal pool seda – ulatudes üle ookeanipõhja. Nad ütlesid, et triibud tekivad seetõttu, et äsja moodustunud merepõhjas asuvad magnetilised mineraalid kalduvad kivimi tahkumise ajal Maa magnetväljaga joonduma. Iga kord, kui Maa magnetväli ümber läheb, tekivad uued triibud – Maa ajaloo jooksul korduvalt esinenud nähtus, kui põhjapoolusest saab järsku lõunapoolus.

Kui kasutada analoogiat, siis on liikuv merepõhi pigem nagu vanamoodne kassett, mis salvestab iga geomagnetvälja pöördumise. Iga ümberpööramist saab dateerida fossiilsete uuringute ja ookeanipõhjast puuritud basaltide radiomeetrilise testimisega, et kaardistada magnetvälja ajalugu. Tänapäeval on laamtektoonika olemasolu peaaegu üldiselt aktsepteeritud.

Kuid palju vähem on üksmeelt selle üle, millal laamtektoonika esmakordselt algas. Üks osa probleemist on selles, et Maa tekkis ligikaudu 4.54 miljardit aastat tagasi ja tänapäeval on peaaegu kogu ookeaniline maakoor, mis on vanem kui 200 miljonit aastat, Maale tagasi viidud. Teisisõnu, meie pikaajaline Maa ajaloo arhiiv asub mandrite varjatud kivimites.

Kuid isegi seal on vähesed ligipääsetavad kivimid, mis on alles jäänud esimesest miljardist aastast, kuumuse, keemia, füüsilise ilmastiku ja äärmuslike rõhkude mõjul oluliselt muutunud. Seetõttu pole keegi kindel, millal laamtektoonika alguse sai – hinnangud ulatuvad üle 4 miljardit aastat tagasi vaid 700 miljonini aastaid tagasi. See on suur ja ebarahuldav ebakindlus.

Veelgi kurioossem on see, et kõige varasemad vaieldamatud fossiilsed tõendid elu kohta pärinevad 3.5–3.4 miljardi aasta tagusest ajast ning settekivimites leiduvad elumärgid näitavad, et elu võis eksisteerida. 3.95 miljardit aastaid tagasi. Nii et kas elu võis tekkida sadu miljoneid aastaid enne, kui laamtektoonika oli üldse olemas? Kuna sellest perioodist on säilinud nii vähe algupäraseid kivimeid, jäävad geoloogid sageli spekulatsioonide valdkonda.

Tsirkoonid: ajakapslid Maa tulisest algusest

Õnneks on geoteadlastel salarelv varajase Maa oludest hetkepiltide saamiseks. Ütle Tere tsirkoonid - keemiliselt stabiilsed mineraalide fragmendid (ZrSiO₄), mida leidub erinevates värvides ja geoloogilistes tingimustes. Tsirkoonide ilu geoteadlaste jaoks seisneb selles, et muutused nende peremeeskivimites jäävad neid suuresti mõjutamata. Need on nagu ajakapsel sellest pikast perioodist.

Eelkõige on hiljuti uurinud teadlased iidsed tsirkoonid mis kristalliseerus Maa esimese 600 miljoni aasta jooksul tekkinud graniitkivimites. Sellel perioodil tuntakse Hadeani eoon, meie planeet oli põrgulik koht, mis oli tõenäoliselt ümbritsetud süsinikdioksiidi rikka atmosfääriga ja mida pommitavad sageli maavälised kehad. Üks neist lõi ilmselt Kuu.

Vaatamata maakoore puudumisele näib siiski, et tahked kivimid pidid moodustuma, sest tänapäeval on säilinud piiratud arv. Selles leidub terveid kivimeid, mille vanus on kuni 4 miljardit aastat Acasta Gneissi kompleks Loode-Kanadas ja vanimad teadaolevad Maalt pärinevad materjalid on 4.4 miljardit aastat vanad Austraaliast Jack Hillsist leitud tsirkoonkristalle (Nature Geoscience 10 457). Need asuvad palju uuemates, "meta-setete" kivimites.

Selles uues uuringus (loodus 618 531), uurisid teadlased Jack Hillsi tsirkoone, mis hõlmasid perioodi 3.9–3.3 miljardit aastat tagasi, ning samast perioodist pärit tsirkoone, mis leiti Lõuna-Aafrika Barbertoni Greenstone'i vööst. Eesotsas John Tarduno USA Rochesteri ülikooli teadlasi huvitas algselt, mida tsirkoonid võivad paljastada Maa magnetvälja oleku kohta sel perioodil. Alles hiljem mõistsid nad, et nende leidudel on palju laiemad tagajärjed.

Leiti, et nii Austraalia kui ka Lõuna-Aafrika leiukohtadest pärit tsirkoonkristallid sisaldasid rauarikka mineraali nimega magnetiit, mida nende tekkimise ajal magnetiseeris Maa väli. Kuigi sellest on möödunud miljardeid aastaid, on see teave Maa iidse magnetvälja kohta kogu selle aja tsirkoonkristallides lukustatud. Tegelikult, kuna Maa magnetväli on dipool – mille väljatugevus varieerub sõltuvalt laiuskraadist –, võib jääkmagnetiseerumise tugevuse mõõtmine tsirkooniumi magnetiidisisalduse vahel paljastada laiuskraadi, millel see tekkis.

Järgmine väljakutse oli tsirkoonproovide dateerimine. Mugavalt sisaldab tsirkoon kristallstruktuur ka uraani, mis laguneb järk-järgult teadaoleva kiirusega pliiks. Seetõttu võisid teadlased määrata tsirkoonkristalli vanuse uraani ja plii suhte põhjal, mida Tarduno meeskond mõõtis selektiivne kõrge eraldusvõimega ioonmikrosondvõi KREVETI.

Kui selles uuringus käsitletud 600 miljoni aasta jooksul oleks laamtektoonika eksisteerinud, siis võiks eeldada, et tsirkoonkristallid on tekkinud erinevatel laiuskraadidel, kui plaadid ringi liiguvad. See omakorda tähendaks, et tsirkoonkristallidel oleks sõltuvalt nende vanusest erinev magnetiseerimistugevus. Enda üllatuseks avastasid Tarduno ja meeskond aga midagi hoopis teistsugust.

Nii Austraalias kui ka Lõuna-Aafrikas püsis magnetiseerimise tugevus 3.9–3.4 miljardit aastat tagasi peaaegu konstantsena. See viitab sellele, et mõlemad tsirkoonide komplektid moodustusid muutumatutel laiuskraadidel. Teisisõnu, laamtektoonika polnud veel alanud. Teadlased selgitavad, et üks osa selle järelduse põhjusest on see, et keskmiselt on plaadid viimase 600 miljoni aasta jooksul liikunud laiuskraadil vähemalt 8500 km. Ja selle hiljutise perioodi jooksul pole kunagi olnud näidet, et kaks plaati oleksid samaaegselt püsinud konstantsel laiuskraadil.

Teisisõnu, laamtektoonika polnud veel alanud. Uurijad järeldavad, et Maal oli tõenäoliselt algelisem tektoonika, mis hõlmas siiski mõningast keemilist ringlussevõttu ja tahke kivimi purustamist Maa pinnal.

Otsustav erinevus tänapäeva laamtektoonika ja selle vahel "seisev kaas" Tektoonika vorm seisneb selles, et viimane ei hõlma horisontaalselt üle pinna liikuvaid plaate, mis võimaldab soojust tõhusalt eraldada. Selle asemel oleks Maa olnud mädane maailm ilma mandrilise maakooreta, mis oleks asustatud paksu ookeanilise maakoore eraldatud piirkondadega, mida eraldavad ülesvoolu magma alad (joonis 1). "Võib-olla on seisev kaas õnnetu nimi, sest inimesed võivad arvata, et midagi ei toimu," ütleb Tarduno. "Kuid teil on palju materjali, mis võivad selle ürgse maakoore ja litosfääri põhja soojendada."

Uurimisperioodi lõpu poole (3.4–3.3 miljardit aastat tagasi) hakkab tsirkoonkristallides täheldatud magnetiseerumine tugevnema, mis Tarduno arvates võib viidata laamtektoonika algusele. Põhjus on selles, et subduktsioonitsoonides Maa sisemusse laskuvad tohutud maakooreplaadid põhjustavad vahevöö kiiremat jahtumist. See protsess võib omakorda tugevdada välissüdamiku konvektsiooni efektiivsust, mille tulemuseks on tugevam geomagnetväli.

"Kuldvillaku olukord" varases eas?

Kui põhiline elu eksisteeris juba peaaegu pool miljardit aastat enne tektoonikat, nagu see uuring viitab, tõstatab see huvitavaid küsimusi selle kohta, kuidas elu võib laamtektoonilises maailmas ellu jääda. Sellest seisva kaanega faasist tulenev nõrgem magnetväli oleks jätnud Maa pinna rohkem kokku puutunud kosmilise kiirgusega, mille eest meie praegune tugev väli meid kaitseb. Päikesetuule energeetilised prootonid oleksid siis kokku põrganud atmosfääriosakestega, laadides ja andes neile energiat, et nad saaksid kosmosesse põgeneda – põhimõtteliselt eemaldades veest terve planeedi.

Kuid Tarduno ütleb, et isegi selles uues uuringus täheldatud suhteliselt nõrk magnetvälja tugevus oleks andnud teatud varjestuse. Tegelikult viitab ta sellele, et tektoonika kihisev ja seisev vorm võis tekitada "kuldvillaku olukorra", mis oleks olnud just õige ürgse elu jaoks, mis oleks vaba keskkonnatingimuste dramaatilistest muutustest, mis võivad tekkida täielikult väljakujunenud laamtektoonikas.

See on ahvatlev idee, sest tektoonika seisvaid kaanevorme arvatakse olevat levinud kogu meie päikesesüsteemis, mis eksisteerib Veenusel, Merkuuril ja vähem dünaamilisel kujul Marsil.

Uurimistöö arendamiseks kavatseb Tarduno meeskond nüüd uurida sarnase vanusega tsirkoone teistest asukohtadest, et anda laiemat andmepunktide valikut. "Meie lähenemisviis erineb eelmisest tööst, kuna meil on liikumise indikaator, " ütleb ta. "Kõik argumendid laamtektoonika kohta sellest ajast Maa ajaloos põhinevad geokeemial, mitte laamtektoonika peamisel indikaatoril."

Peter Cawood, Austraalia Monashi ülikooli maateadlane, kes sellega ei tegelenud loodus Uuringu kohaselt võib varajase Maa edasine mõistmine pärineda meie päikesesüsteemi kohtadest, mille pindu pole laamtektoonika korduvalt ringlusse võtnud. "Marss, Kuu ja meteoriidid annavad põhjalikuma ülevaate nende varasest ajaloost," ütleb ta. "Nendest kehadest pärit proovid ja eriti Marsi proovide tagastamise missioonide potentsiaal võivad anda olulisi uusi teadmisi varajasel Maal toiminud protsessidest."

Ajastu või sündmus? Antropotseeni määratlemine

Hiiglaslikud hüpped sellel rindel võivad toimuda kaudu Marsi proovide tagastamise missioonCawood arvab, et esmase elu kujunemise seisukohast võib-olla kriitilisem küsimus on see, millal täpselt vesi – elu eelduseks – esmakordselt Maa peale ilmus. "Varasemad tööd Jack Hillsi tsirkoonidega, kasutades hapniku isotoope, viitavad sellele, et vett on olnud vähemalt 2027 miljonit aastat tagasi," ütleb ta.

Cawoodi jaoks võib see uuring potentsiaalselt aidata kaasa elu otsimisele meie päikesesüsteemis ja kaugemalgi – ja isegi meie arusaama, kuidas elu välja näeb. "Kui elu Maal tekkis selles seisva kaane faasis, siis võib-olla juhtus see ka Marsil. Kui Maa oleks jäänud seisva kaane faasi ja elu oleks edasi arenenud, oleks see kindlasti teistsugune kui praegune biosfäär. Niisiis, parafraseerides Spocki, kes rääkis Kirkiga – "see on Jimi elu, aga mitte nii, nagu me seda teame".

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Autod/elektrisõidukid, Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• ChartPrime. Tõsta oma kauplemismängu ChartPrime'iga kõrgemale. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/