Zirkonit, levytektoniikka ja elämän mysteeri – Fysiikan maailma

Maa jalkojemme alla voi näyttää kiinteältä ja paikallaan pysyvältä. Mutta koko maapallon historian tektoniset voimat ovat toistuvasti puristaneet, halkeilleet ja muotoilleet planeettamme peittävää suhteellisen ohutta viilua. Levytektoniikka voi siirtää maanosia, rakentaa vuoristoja ja laukaista maanjäristyksiä ja tulivuoria, kun äkillisesti vapautunut energia vapautuu.

Mutta vaikka tektoniikka voi tuhota elämää umpimähkäisesti paikallisella tasolla, se on myös elintärkeää asumiskelpoisten olosuhteiden ylläpitämiseksi koko maan pinnalla. Tämä johtuu siitä, että runsaasti hiiltä sisältäviä materiaaleja kierrätetään takaisin maan sisäosaan "subduktiovyöhykkeillä" - alueilla, joissa yksi levy työntyy toisen alle - prosessissa, joka auttaa säätelemään hiilen kiertoa. Samaan aikaan vulkaanisen toiminnan seurauksena vapautuva vesihöyry ja kaasut auttavat vakauttamaan maapallon ilmastoa ja ilmakehän olosuhteita.

Meidän tarvitsee vain katsoa Venuksen haitallista ilmakehää – sen tiheitä hiilidioksidi- ja rikkihappopilviä – nähdäksemme, mitä voi tapahtua kiviplaneetalla ilman levytektoniikkaa. Siksi monet geotieteilijät olettivat, että levytektoniikan on täytynyt olla olemassa elämän syntyhetkellä, Maan historian ensimmäisen miljardin vuoden aikana. Laattatektoniikkaa pidettiin pohjimmiltaan elämän keskeisenä edellytyksenä.

Mutta uusien havaintojen Kansainvälinen tutkimusryhmä osoittavat, että elämä olisi voinut edeltää levytektoniikkaa - ja että elämä olisi voinut tulla ensimmäiseksi jonkin verran. Jos teos pitää paikkansa, nuori planeettamme on saattanut kokea pitkän ajanjakson ilman liikkuvia levyjä alkeellisemmassa tektoniikan muodossa, joka tunnetaan nimellä "pysähtynyt kansi". Jos tällainen seknario vahvistetaan, se muuttaisi ymmärrystämme elämän syntymisestä ja säilymisestä – ja mahdollisesti auttaisi etsimään elämää planeettamme ulkopuolelta.

Järkyttävällä maaperällä

Levytektoniikan käsite voi olla laajalti hyväksytty nykyään, mutta se oli kiistanalainen useiden vuosien ajan. Tarina alkoi vuonna 1912, kun saksalainen tiedemies Alfred Wegener ehdotti ajatusta "mantereiden ajautumisesta". Hän ehdotti, että nykyiset maanosat olivat aikoinaan osa paljon suurempaa supermannerta, mutta ajautuivat myöhemmin nykyiselle paikalleen maan pinnalla. Hänen kirjassaan Mannerten ja valtamerten alkuperäWegener pani merkille, kuinka Etelä-Amerikan ja Afrikan rannikot sopivat yhteen kuin palapeli, ja kuvaili, kuinka samanlaisia ​​fossiileja syntyy täysin eri puolilla maailmaa.

Wegenerin ideaan suhtauduttiin aluksi skeptisesti, lähinnä siksi, että tutkijat eivät olleet varmoja, mikä olisi saattanut levyt liikkumaan. Vastaus alkoi ilmaantua 20-luvun puolivälissä, kun vuonna valmistettu kartta Yhdysvaltain geologi ja kartografi vuonna 1953 Marie Tharpe paljasti valtameren keskiharjanteen olemassaolon, joka kattaa koko Atlantin valtameren ja kulkee rinnakkain mannerrannikon kanssa. Sen keskellä oli valtava laakso, ja Tharpe väitti, että tämä osoitti, että valtameren pohja oli laajentumassa.

Täydellinen teoria merenpohjan levittämisestä ehdotettiin myöhemmin Yhdysvaltain geologilta Harry Hess vuonna 1962. Hän ehdotti, että valtameren kuori muodostuu jatkuvasti valtameren keskiharjanteille, joissa sulaa materiaalia maan sisäpuolelta kuoppaa pintaan osana konvektiokentoa, ennen kuin se jähmettyy uudeksi merenpohjaksi. Tämän tuoreen kuoren ohittaa sitten vaakasuoraan molempiin suuntiin myöhemmässä nousussa oleva magma.

Sillä välin missä valtamerilaatat rajoittuvat maanosien kanssa, vanhemmat valtameren kuoren osat työntyvät vähemmän tiheän mannerkuoren alle valtamerten kaivannoissa ja kierrätetään takaisin maan sisäosiin. Itse asiassa levyn uppoava kärki edistää myös merenpohjan leviämistä vetämällä loput levystä taakseen, kun se putoaa kuiluun.

[Upotetun sisällön]

Todisteet merenpohjan leviämisestä saapuivat vuonna 1963, kun brittiläiset geologit Frederick Vine ja Drummond Matthews tarkasteltiin Intian valtameren harjanteen poikki kulkevan tutkimusaluksen Maan magneettikentän mittauksia. He huomasivat, että kenttä ei ollut yhtenäinen, mutta oli poikkeavuuksia, jotka juoksivat raidoittain yhdensuuntaisesti harjanteen kanssa – ja käytännössä symmetrisesti sen kummallakin puolella – ja ulottuu merenpohjaan. He sanoivat, että raidat syntyvät, koska äskettäin muodostuvassa merenpohjassa olevat magneettiset mineraalit pyrkivät asettumaan maan magneettikentän kanssa kiven jähmettyessä. Uusia raitoja muodostuu joka kerta, kun Maan magneettikenttä kääntyy – ilmiö, joka on esiintynyt monta kertaa Maan historian aikana, kun pohjoisnavasta tulee yhtäkkiä etelänava.

Vertailun vuoksi liikkuva merenpohja on kuin vanhanaikainen kasetti, joka tallentaa jokaisen geomagneettisen kentän kääntymisen. Jokainen käänne voidaan ajoittaa fossiilitutkimuksilla ja merenpohjasta porattujen basalttien radiometrisillä testeillä magneettikentän historian kartoittamiseksi. Nykyään levytektoniikan olemassaolo on nyt lähes yleisesti hyväksytty.

Mutta on paljon vähemmän yksimielisyyttä siitä, milloin levytektoniikka alkoi. Osa ongelmaa on se, että maapallo syntyi noin 4.54 miljardia vuotta sitten ja nykyään käytännössä kaikki yli 200 miljoonaa vuotta vanha valtameren kuori on kierrätetty takaisin Maahan. Maan historian pitkäaikainen arkistomme on toisin sanoen mantereiden piilossa olevissa kivimuodostelmissa.

Mutta sielläkin muutamat käytettävissä olevat kivet, jotka ovat jäljellä ensimmäiseltä miljardilta vuodelta, ovat muuttuneet merkittävästi lämmön, kemian, fyysisen sään ja äärimmäisten paineiden vuoksi. Siksi kukaan ei ole varma, milloin levytektoniikka alkoi, ja arviot vaihtelevat yli 4 miljardia vuotta sitten vain 700 miljoonaan vuosia sitten. Se on valtava ja epätyydyttävä epävarmuus.

Vielä kummallisempaa on, että varhaisimmat kiistattomat fossiiliset todisteet elämästä ovat 3.5–3.4 miljardin vuoden takaa, ja sedimenttikivissä olevat elämisen merkit viittaavat siihen, että elämää on voinut olla olemassa 3.95 miljardia vuosia sitten. Joten olisiko elämää voinut syntyä satoja miljoonia vuosia ennen kuin levytektoniikka oli edes olemassa? Koska tältä ajalta on säilynyt niin vähän alkuperäisiä kiviä, geologit ovat usein juuttuneet spekulaatioiden piiriin.

Zirkonit: aikakapselit Maan tulisesta alusta

Onneksi geotieteilijöillä on salainen ase saadakseen tilannekuvia varhaisen Maan olosuhteista. Sano Hei zircons – kemiallisesti stabiilit mineraalipalat (ZrSiO₄), joita löytyy useissa eri väreissä ja geologisissa olosuhteissa. Zirkonien kauneus geotieteilijöille on se, että ne pysyvät suurelta osin ennallaan isäntäkivensä muutoksilla. Ne ovat kuin aikakapseli tuosta kaukaisesta ajanjaksosta.

Erityisesti tiedemiehet ovat viime aikoina tutkineet muinaiset zirkonit joka kiteytyi graniittikivessä, joka muodostui maan ensimmäisten 600 miljoonan vuoden aikana. Tänä aikana, joka tunnetaan nimellä Hadean eon, planeettamme oli helvetin paikka, luultavasti verhottu ilmakehään, jossa on runsaasti hiilidioksidia ja jota usein pommittivat maan ulkopuoliset kappaleet. Yksi heistä luultavasti loi Kuun.

Huolimatta kuoren puutteesta näyttää kuitenkin siltä, ​​että kiinteitä kiviä on täytynyt muodostua, koska rajallinen määrä säilyy nykyään. Alueella on koskemattomia kiviä, jotka ovat jopa 4 miljardia vuotta vanhoja Acasta Gneiss -kompleksi Luoteis-Kanadasta, ja vanhimmat tunnetut maaperän materiaalit ovat 4.4 miljardia vuotta vanhoja zirkonikiteitä löydettiin Jack Hillsistä Australiasta (Nature Geoscience 10 457). Ne sijaitsevat paljon uudemmissa, "meta-sedimenttikivissä".

Tässä uudessa tutkimuksessa (luonto 618 531), tutkijat tutkivat Jack Hillsin zirkoneja 3.9–3.3 miljardin vuoden ajalta sekä saman ajanjakson zirkoneja, joita löydettiin Etelä-Afrikan Barberton Greenstone -vyöhykkeestä. Johdolla John Tarduno Yhdysvaltalaisen Rochesterin yliopiston tutkijat olivat aluksi kiinnostuneita siitä, mitä zirkonit voisivat paljastaa Maan magneettikentän tilasta tuona aikana. Vasta myöhemmin he ymmärsivät, että heidän löydöksillä oli paljon laajempi merkitys.

Sekä Australian että Etelä-Afrikan alueilta peräisin olevien zirkonikiteiden havaittiin sisältävän magnetiitiksi kutsutun rautapitoisen mineraalin sulkeumia, jotka maapallon kenttä magnetisoivat niiden muodostumishetkellä. Vaikka miljardeja vuosia siitä on kulunut, tämä tieto Maan muinaisesta magneettikentästä on pysynyt lukittuna zirkonikiteisiin koko tämän ajan. Itse asiassa, koska Maan magneettikenttä on dipoli – jonka kentänvoimakkuus vaihtelee leveysasteen mukaan – jäännösmagnetisoitumisen voimakkuuden mittaaminen zirkonin magnetiittisisällöstä voi paljastaa leveysasteen, jolla se muodostui.

Seuraava haaste oli zirkoninäytteiden päivämäärä. Kätevästi zirkonin kiderakenne sisältää myös uraania, joka vähitellen hajoaa lyijyksi tunnetulla nopeudella. Siksi tutkijat pystyivät laskemaan zirkonikiteen iän uraanin ja lyijyn suhteesta, jonka Tardunon tiimi mittasi käyttämällä selektiivinen korkearesoluutioinen ionimikroanturitai katkarapua.

Jos levytektoniikka olisi ollut olemassa tämän tutkimuksen kattamien 600 miljoonan vuoden aikana, zirkonikiteiden voisi olettaa muodostuneen eri leveysasteilla levyjen liikkuessa. Tämä puolestaan ​​merkitsisi, että zirkonkiteillä olisi erilaisia ​​magnetointivoimakkuuksia riippuen siitä, kuinka vanhoja ne ovat. Yllätykseksensä Tarduno ja tiimi löysivät kuitenkin jotain aivan muuta.

Sekä Australian että Etelä-Afrikan paikoissa magnetisaatiovoimakkuus pysyi lähes vakiona 3.9-3.4 miljardia vuotta sitten. Tämä viittaa siihen, että molemmat zirkonien joukot muodostuivat muuttumattomilla leveysasteilla. Toisin sanoen levytektoniikka ei ollut vielä alkanut. Osa syy tähän päätelmään, tutkijat selittävät, on se, että laatat ovat viimeisen 600 miljoonan vuoden aikana liikkuneet keskimäärin vähintään 8500 km leveysasteella. Ja tänä viime aikoina ei ole koskaan ollut esimerkkiä siitä, että kaksi levyä olisi pysynyt vakioleveysasteella samanaikaisesti."

Toisin sanoen levytektoniikka ei ollut vielä alkanut. Tutkijat päättelevät, että maapallolla oli todennäköisesti alkeellisempi tektoniikka, joka sisälsi edelleen jonkin verran kemiallista kierrätystä ja kiinteän kiven murtumista Maan pinnalla.

Ratkaiseva ero nykypäivän levytektoniikan ja tämän välillä "pysähtynyt kansi" Tektoniikan muoto on se, että jälkimmäinen ei sisällä vaakasuunnassa pinnan poikki liikkuvia levyjä, mikä mahdollistaa lämmön tehokkaan vapautumisen. Sen sijaan maapallo olisi ollut mätäinen maailma, jossa ei ole mannermaista kuorta, ja sen asuttamana olisivat eristyneet paksun valtameren kuoren alueet, joita erottavat nousevan magman alueet (kuva 1). "Ehkä pysähtynyt kansi on valitettava nimi, koska ihmiset saattavat ajatella, että mitään ei tapahdu", Tarduno sanoo. "Mutta se, mitä sinulla on, on materiaalipylväitä, jotka voivat lämmittää tämän alkuperäisen kuoren ja litosfäärin pohjaa."

Tutkimusjakson loppupuolella (3.4–3.3 miljardia vuotta sitten) zirkonkiteissä havaittu magnetoituminen alkaa vahvistua, mikä Tarduno ehdottaa, että se voisi viitata levytektoniikan alkamiseen. Syynä on se, että maan sisäosaan subduktiovyöhykkeillä laskeutuvat valtavat kuorilaatat johtavat vaipan jäähtymiseen nopeammin. Tämä prosessi voi puolestaan ​​vahvistaa konvektion tehokkuutta ulkoytimessä, mikä johtaa vahvempaan geomagneettiseen kenttään.

"Kultakukkotilanne" varhaiselle elämälle?

Jos peruselämää oli jo lähes puoli miljardia vuotta ennen tektoniikkaa, kuten tämä tutkimus antaa ymmärtää, se herättää mielenkiintoisia kysymyksiä siitä, kuinka elämä voisi selviytyä maailmassa, jossa ei ole levytektoniikkaa. Tämän pysähtyneen kannen vaiheen heikompi magneettikenttä olisi jättänyt Maan pinnan alttiimmaksi kosmiselle säteilylle, jolta nykyinen vahva kenttämme suojaa meitä. Aurinkotuulen energiset protonit olisivat sitten törmänneet ilmakehän hiukkasiin, latautuen ja virittäen niitä, jotta ne voisivat paeta avaruuteen – periaatteessa poistaen vedestä koko planeetalta.

Mutta Tarduno sanoo, että jopa tässä uudessa tutkimuksessa havaittu suhteellisen heikko magneettikentän voimakkuus olisi tarjonnut jonkin verran suojausta. Itse asiassa hän ehdottaa, että tämä kiehuva, pysähtynyt tektoniikan muoto on saattanut luoda "kultakutritilanteen", joka olisi ollut aivan oikea ikielämälle ilman dramaattisia muutoksia ympäristöolosuhteissa, joita voi esiintyä täysimittaisessa levytektoniikassa.

Se on kiehtova idea, koska tektoniikan pysähtyneiden kansimuotojen uskotaan olevan yleisiä koko aurinkokunnassamme, Venuksella, Merkuriuksella ja vähemmän dynaamisessa muodossa Marsissa.

Tutkimuksen kehittämiseksi Tardunon tiimi aikoo nyt tutkia samanikäisiä zirkoneja muista paikoista, jotta saadaan laajempi valikoima datapisteitä. "Lähestymistapamme eroaa aiemmasta työstä, koska meillä on liikkeen indikaattori", hän sanoo. "Kaikki levytektoniikkaa koskevat väitteet tästä ajasta maapallon historiassa ovat perustuneet geokemiaan - eivät pääasialliseen indikaattoriin siitä, mitä levytektoniikka on."

Peter Cawood, Australian Monashin yliopiston maantieteilijä, joka ei ollut mukana tässä luonto Tutkimus sanoo, että lisää ymmärrystä varhaisesta maapallosta voi tulla aurinkokuntamme paikoista, joiden pintoja ei ole toistuvasti kierrätetty levytektoniikan avulla. "Mars, kuu ja meteoriitit tarjoavat laajemman tallenteen varhaisesta historiastaan", hän sanoo. "Näistä kappaleista otetut näytteet ja erityisesti mahdollisuus näytteiden palauttamiseen Marsista voivat tarjota tärkeitä uusia näkemyksiä maapallon varhaisessa vaiheessa vaikuttaneista prosesseista."

Aikakausi vai tapahtuma? Antroposeenin määrittely

Tällä rintamalla voi tapahtua jättimäisiä harppauksia Mars-paluumatka, jonka on määrä julkaista vuonna 2027. Mutta Cawood arvioi, että ehkä kriittisempi kysymys alkuelämän kehittymiselle on, milloin tarkalleen vesi – elämän edellytys – ilmestyi maan päälle. "Aiemmat työt Jack Hillsin zirkoneista, joissa käytettiin happi-isotooppeja, viittaavat siihen, että vettä on ollut ainakin 4400 miljoonaa vuotta sitten", hän sanoo.

Cawoodille tämä tutkimus voisi mahdollisesti auttaa etsimään elämää aurinkokunnassamme ja sen ulkopuolella – ja jopa käsityksessämme siitä, miltä elämä näyttää. "Jos elämä maapallolla kehittyi tämän pysähtyneen kansivaiheen aikana, niin ehkä tämä tapahtui myös Marsissa. Jos maapallo olisi pysynyt pysähtyneessä kansivaiheessa ja elämä olisi jatkanut kehittymistä, se näyttäisi varmasti erilaiselta kuin nykyinen biosfääri. Joten, toisin sanoen Spockin puhuvan Kirkille: "Se on elämää Jim, mutta ei sellaisena kuin me sen tunnemme".

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• ChartPrime. Nosta kaupankäyntipeliäsi ChartPrimen avulla. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/