Cirkonok, lemeztektonika és az élet rejtélye – Fizika világa

A talaj a lábunk alatt szilárdnak és állónak tűnhet. A Föld történelme során azonban a bolygónkat borító viszonylag vékony furnérréteget tektonikus erők többször összenyomták, megrepedték és formálták. A lemeztektonika kontinenseket mozgathat meg, hegyláncokat építhet, és földrengéseket és vulkánokat idézhet elő, amikor az elfogyasztott energia hirtelen felszabadul.

De bár a tektonika válogatás nélkül elpusztíthatja az életet helyi szinten, létfontosságú a lakható körülmények fenntartásához is a Föld felszínén. Ennek az az oka, hogy a szénben gazdag anyagokat visszaforgatják a Föld belsejébe a „szubdukciós zónákban” – olyan területeken, ahol az egyik lemez a másik alá kerül – egy olyan folyamat során, amely segít szabályozni a szénciklust. Eközben a vulkáni tevékenység során felszabaduló vízgőz és gázok hozzájárulnak a Föld éghajlati és légköri viszonyainak stabilizálásához.

Csak meg kell néznünk a Vénusz ártalmas légkörét – sűrű szén-dioxid- és kénsavfelhőivel –, hogy meglássuk, mi történhet egy lemeztektonika nélküli sziklás bolygón. Ezért feltételezte sok geotudós, hogy a lemeztektonikának már léteznie kellett az élet felbukkanásakor, a Föld történetének első milliárd évében. A lemeztektonikát lényegében az élet kulcsfontosságú előfeltételének tekintették.

De új megállapítások Egy nemzetközi kutatócsoport szerint az élet megelőzhette volna a lemeztektonikát – és bizonyos különbséggel az élet is előkerülhetett volna. Ha a munka igaz, akkor fiatal bolygónk hosszabb időszakot élhetett át mozgatható lemezek nélkül, a tektonika kezdetlegesebb formája alatt, amelyet „stagnáló fedélnek” neveznek. Egy ilyen szeknárió, ha megerősítik, megváltoztatná az élet keletkezésének és fennmaradásának megértését – és potenciálisan segíthet a bolygónkon túli élet keresésében.

Remegő talajon

A lemeztektonika fogalma ma széles körben elfogadott, de sok éven át ellentmondásos volt. A történet 1912-ben kezdődött, amikor a német tudós alfred wegener javasolta a „kontinensdrift” gondolatát. Felvetette, hogy a mai kontinensek egykor egy sokkal nagyobb szuperkontinens részei voltak, de később a Föld felszínén elhelyezkedő jelenlegi helyzetükre sodródtak. könyvében A kontinensek és óceánok eredeteWegener híresen felfigyelt arra, hogy Dél-Amerika és Afrika partvonalai hogyan illeszkednek egymáshoz, mint egy kirakós játék, és leírta, hogyan bukkannak fel hasonló kövületek a világ teljesen különböző részein.

Wegener ötletét kezdetben szkepticizmus fogadta, főleg azért, mert a kutatók nem voltak biztosak abban, hogy mi mozgathatta a lemezeket. A válasz a 20. század közepén kezdett megjelenni, amikor évben készült térkép 1953-ban az amerikai geológus és térképész Marie Tharpe feltárta egy óceánközépi gerinc létezését, amely az egész Atlanti-óceánon átível, és párhuzamosan fut a kontinentális partvonalakkal. A közepén egy hatalmas völgytel rendelkező Tharpe érvelése szerint ez arra utal, hogy az óceán feneke tágul.

Teljes elmélet a tengerfenéken történő terítésről ezt követően javasolták amerikai geológus által Harry Hess 1962-ben. Azt javasolta, hogy az óceáni kéreg folyamatosan képződik az óceánközépi hátakon, ahol a Föld belsejéből származó olvadt anyag egy konvekciós cella részeként feljut a felszínre, mielőtt új óceánfenékké szilárdulna meg. Ezt a friss kérget ezután mindkét irányban vízszintesen söntöli a felszálló magma.

Eközben ott, ahol az óceáni lemezek határolják a kontinenseket, az óceáni kéreg régebbi részei a kevésbé sűrű kontinentális kéreg alá nyomulnak az óceáni árkokban, és visszakerülnek a Föld belsejébe. Valójában a lemez süllyedő hegye is hozzájárul a tengerfenéken való szétterüléshez azáltal, hogy a lemez többi részét maga mögött húzza, miközben az a mélybe zuhan.

[Beágyazott tartalmat]

A tengerfenéken való terjedés bizonyítéka 1963-ban érkezett meg, amikor brit geológusok Frederick Vine és a Drummond Matthews az Indiai-óceán gerincén áthaladó kutatóhajó által a Föld mágneses terének méréseit vizsgálta. Észrevették, hogy a mezőny nem egységes, de igen csíkokban futó anomáliák párhuzamosan a gerinccel – és gyakorlatilag szimmetrikusan annak két oldalán – átívelve az óceán fenekét. Azt mondták, hogy a csíkok azért keletkeznek, mert az újonnan kialakuló tengerfenéken lévő mágneses ásványok hajlamosak igazodni a Föld mágneses mezőjéhez, miközben a kőzet megszilárdul. Új csíkok keletkeznek minden alkalommal, amikor a Föld mágneses tere megfordul – ez a jelenség sokszor előfordult a Föld története során, amikor az északi pólus hirtelen déli pólussá válik.

Egy hasonlattal élve, a mozgó tengerfenék inkább olyan, mint egy régimódi kazetta, amely rögzíti a geomágneses tér minden megfordulását. Minden megfordulás dátumozható fosszilis tanulmányokkal és az óceán fenekéből fúrt bazaltok radiometriai vizsgálatával, hogy feltérképezzék a mágneses mező történetét. Napjainkban a lemeztektonika létezése ma már szinte általánosan elfogadott.

De sokkal kisebb az egyetértés abban, hogy mikor kezdődött a lemeztektonika. A probléma része az is, hogy a Föld nagyjából 4.54 milliárd évvel ezelőtt alakult ki, és mára gyakorlatilag az összes 200 millió évnél régebbi óceáni kéreg visszakerült a Földbe. A Föld történetének hosszú távú archívumát más szóval a kontinensek rejtett sziklaalakzatai tartalmazzák.

De még ott is az első milliárd évből megmaradt néhány hozzáférhető kőzet jelentősen megváltozott a hőség, a kémia, a fizikai időjárás és a szélsőséges nyomás hatására. Ez az oka annak, hogy senki sem tudja biztosan, hogy mikor kezdődött a lemeztektonika, a becslések több mint körül mozognak 4 milliárd évvel ezelőtt mindössze 700 millióra évekkel ezelőtt. Ez egy hatalmas és nem kielégítő bizonytalanság.

Ami még érdekesebb, hogy az élet legkorábbi, vitathatatlan kövületi bizonyítékai 3.5–3.4 milliárd éves múltra tekintenek vissza, és az üledékes kőzetekben az élet létezésének jelei arra utalnak, hogy élet létezhetett. 3.95 milliárd évekkel ezelőtt. Tehát létrejöhetett volna az élet több száz millió évvel azelőtt, hogy a lemeztektonika egyáltalán létezett volna? Mivel nagyon kevés eredeti kőzet maradt fenn ebből az időszakból, a geológusok gyakran a spekulációk birodalmában rekedtek.

Cirkonok: időkapszulák a Föld tüzes kezdeteiből

Szerencsére a földtudósoknak van egy titkos fegyverük, amellyel pillanatfelvételeket készíthetnek a Föld korai állapotairól. Köszönj a cirkóniák – kémiailag stabil ásványi töredékek (ZrSiO₄), amelyek sokféle színben és geológiai környezetben találhatók. A cirkonok szépsége a geotudósok számára abban rejlik, hogy nagyrészt nem érintik őket a gazdakőzet változásai. Olyanok, mint egy időkapszula a hosszú távoli időszakról.

A tudósok különösen a közelmúltban tanulmányozták ősi cirkóniák amely a Föld első 600 millió éve alatt keletkezett gránitkőzetekben kristályosodott ki. Ebben az időszakban az úgynevezett Hadean eon, bolygónk pokoli hely volt, valószínűleg szén-dioxidban gazdag légkörbe burkolózva, és gyakran bombázták földönkívüli testek. Valószínűleg egyikük teremtette a Holdat.

A kéreg hiánya ellenére azonban úgy tűnik, hogy szilárd kőzetek képződhettek, mert korlátozott számuk ma is fennmaradt. 4 milliárd éves sértetlen kőzetek találhatók az országban Acasta Gneiss Complex Kanada északnyugati részén található, és a legrégebbi ismert földi eredetű anyagok 4.4 milliárd évesek cirkon kristályokat találtak az ausztráliai Jack Hillsben (Nature Geoscience 10 457). Sokkal újabb, „metaüledékes” kőzetekben helyezkednek el.

Ebben az új kutatásban (Természet 618 531), a kutatók a 3.9–3.3 milliárd évvel ezelőtti időszakot felölelő Jack Hills-cirkonokat, valamint a dél-afrikai Barberton Greenstone-övben talált, ugyanebből az időszakból származó cirkonokat tanulmányozták. Által vezetett John Tarduno Az amerikai Rochesteri Egyetem kutatóit kezdetben az érdekelte, hogy a cirkonok mit árulhatnak el a Föld mágneses terének állapotáról ebben az időszakban. Csak később jöttek rá, hogy megállapításaik sokkal szélesebb körű következményekkel járnak.

Mind az ausztrál, mind a dél-afrikai lelőhelyekről származó cirkonkristályok egy vasban gazdag ásvány, a magnetit zárványait tartalmazták, amelyeket a Föld mezője mágnesezett meg keletkezésükkor. Noha évmilliárdok teltek el azóta, a Föld ősi mágneses mezejére vonatkozó információ mindeddig a cirkonkristályokba zárva maradt. Valójában, mivel a Föld mágneses tere egy dipólus – a térerősség a szélesség függvényében változik –, a cirkon magnetittartalma között a maradék mágnesezettség erősségének mérése feltárhatja azt a szélességi fokot, amelyen kialakult.

A következő kihívás a cirkonminták datálása volt. Kényelmes, hogy a cirkon kristályszerkezete uránt is tartalmaz, amely fokozatosan, ismert sebességgel bomlik ólommá. A kutatók ezért ki tudták számítani a cirkon kristály korát az urán és az ólom arányából, amelyet Tarduno csapata egy szelektív, nagy felbontású ion mikroszonda, vagy RÁKÁK.

Ha létezett volna lemeztektonika a jelen tanulmányban tárgyalt 600 millió év alatt, akkor azt várná, hogy a cirkonkristályok a lemezek mozgása során különböző szélességi fokokon keletkeztek. Ez viszont azt jelentené, hogy a cirkon kristályok mágnesezettségi erősségei különbözőek, attól függően, hogy hány évesek. Meglepetésükre azonban Tarduno és csapata valami egészen mást fedezett fel.

Mind az ausztrál, mind a dél-afrikai lelőhelyeken a mágnesezettség erőssége közel állandó maradt 3.9 és 3.4 milliárd évvel ezelőtt. Ez arra utal, hogy mindkét cirkonhalmaz változatlan szélességi fokon alakult ki. Más szóval, a lemeztektonika még nem kezdődött el. A kutatók magyarázata szerint ennek a következtetésnek az oka részben az, hogy az elmúlt 600 millió év során a lemezek átlagosan legalább 8500 km-t elmozdultak a szélességben. És ebben az elmúlt időszakban soha nem volt példa arra, hogy két lemez egyidejűleg állandó szélességi fokon maradjon.

Más szóval, a lemeztektonika még nem kezdődött el. A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a Föld valószínűleg kezdetlegesebb tektonikával rendelkezett, amely még mindig magában foglalta a szilárd kőzetek kémiai újrahasznosítását és repesztését a Föld felszínén.

A döntő különbség a mai lemeztektonika és ez között "pangó fedél" A tektonika az, hogy ez utóbbi nem tartalmazza a felszínen vízszintesen mozgó lemezeket, ami lehetővé teszi a hatékony hőleadást. Ehelyett a Föld egy nyüzsgő világ lett volna kontinentális kéreg nélkül, amelyet vastag óceáni kéreg elszigetelt régiói népesítenek be, amelyeket felszálló magma területei választanak el (1. ábra). „Talán a pangó fedél szerencsétlen név, mivel az emberek azt gondolhatják, hogy semmi sem történik” – mondja Tarduno. – De ami nálad van, az az olyan anyagcsomók, amelyek felmelegíthetik ennek az őskéregnek és a litoszférának az alját.

A vizsgálati időszak vége felé (3.4-3.3 milliárd évvel ezelőtt) a cirkonkristályokban megfigyelt mágnesezettség erősödni kezd, ami Tarduno szerint a lemeztektonika kezdetét jelezheti. Ennek az az oka, hogy a Föld belsejébe a szubdukciós zónákban leszálló hatalmas kéreglapok a köpeny gyorsabb lehűlését eredményezik. Ez a folyamat viszont erősítheti a konvekció hatékonyságát a külső magban, ami erősebb geomágneses mezőt eredményez.

„Aranyhaj helyzet” a korai életben?

Ha az alapvető élet már közel félmilliárd évvel a tektonika előtt jelen volt, amint azt ez a tanulmány is sugallja, akkor érdekes kérdéseket vet fel azzal kapcsolatban, hogyan maradhat fenn az élet egy lemeztektonikától mentes világban. Egy gyengébb mágneses tér ebből a pangó fedelű fázisból a Föld felszínét jobban kiszolgáltatta volna a kozmikus sugárzásnak, amitől a jelenlegi erős mezőnk megvéd minket. A napszélben lévő energikus protonok ekkor ütköztek volna a légköri részecskékkel, feltöltve és energiával ellátva őket, hogy kiszabaduljanak az űrbe – elvileg egy egész bolygót megfosztva a víztől.

Tarduno azonban azt mondja, hogy még az új tanulmányban megfigyelt viszonylag gyenge mágneses térerősség is biztosított volna némi árnyékolást. Valójában azt sugallja, hogy a tektonikának ez a fortyogó, stagnáló formája létrehozhatott egy „aranyhaj helyzetet”, amely éppen megfelelő lett volna az ősélet számára, mentes a környezeti feltételek drámai változásaitól, amelyek a teljesen kiforrott lemeztektonikában előfordulhatnak.

Lenyűgöző ötlet, mert úgy gondolják, hogy a tektonika stagnáló fedőformái az egész naprendszerünkben gyakoriak, a Vénuszon, a Merkúron és kevésbé dinamikus formában a Marson is.

A kutatás fejlesztése érdekében Tarduno csapata azt tervezi, hogy más helyekről származó hasonló korú cirkonokat tanulmányoznak, hogy szélesebb körű adatpontokat adjanak. „Megközelítésünk eltér a korábbi munkától, mert van egy mozgásjelzőnk” – mondja. "A lemeztektonikával kapcsolatos minden érv a Föld történetében ebből az időszakból a geokémián alapul, nem pedig a lemeztektonika fő mutatóján."

Peter Cawood, az ausztrál Monash Egyetem földkutatója, aki ebben nem vett részt Természet tanulmány szerint a korai Föld további megértése naprendszerünk olyan helyeiről származhat, amelyek felületét a lemeztektonika nem dolgozta fel többször. „A Mars, a Hold és a meteoritok átfogóbb feljegyzést adnak korai történetükről” – mondja. „Az ezekből a testekből származó minták, és különösen a Marsról származó minta-visszaküldési küldetések lehetősége fontos új betekintést nyújthat a korai Földön lejátszódó folyamatokba.”

Korszak vagy esemény? Az antropocén meghatározása

Ezen a fronton óriási ugrások történhetnek a Mars minta-visszaküldési küldetésCawood azonban úgy véli, hogy a kezdeti élet kialakulása szempontjából talán kritikusabb kérdés az, hogy pontosan mikor jelent meg a víz – az élet előfeltétele – a Földön. „A Jack Hills-i cirkonokon végzett, oxigénizotópokat használó korábbi munkák arra utalnak, hogy legalább 2027 millió évvel ezelőtt volt víz” – mondja.

Cawood számára ez a kutatás potenciálisan segíthet az élet keresésében a Naprendszerünkön belül és azon kívül – és még az élet kinézetéről alkotott elképzelésünkben is. „Ha ebben a pangó fedőfázisban alakult ki élet a Földön, akkor ez talán a Marson is előfordult. Ha a Föld egy stagnáló fedőfázisban maradt volna, és az élet tovább fejlődött volna, minden bizonnyal másképp nézne ki, mint a mai bioszféra. Szóval, Spockot Kirkkel átfogalmazva: „Jim élete, de nem úgy, ahogy mi ismerjük”.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Autóipar / elektromos járművek, Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• ChartPrime. Emelje fel kereskedési játékát a ChartPrime segítségével. Hozzáférés itt.
• BlockOffsets. A környezetvédelmi ellentételezési tulajdon korszerűsítése. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/