Zirkon, lempeng tektonik, dan misteri kehidupan – Dunia Fisika

Tanah di bawah kaki kita mungkin terlihat kokoh dan tidak bergerak. Namun sepanjang sejarah Bumi, lapisan relatif tipis yang menutupi planet kita telah berulang kali terjepit, retak, dan dibentuk kembali oleh kekuatan tektonik. Lempeng tektonik dapat menggerakkan benua, membentuk barisan pegunungan, dan memicu gempa bumi serta gunung berapi ketika energi yang terpendam dilepaskan secara tiba-tiba.

Meskipun tektonik dapat menghancurkan kehidupan tanpa pandang bulu di tingkat lokal, tektonik juga penting untuk mempertahankan kondisi layak huni di seluruh permukaan bumi. Hal ini terjadi karena material kaya karbon didaur ulang kembali ke interior bumi di “zona subduksi” – wilayah di mana satu lempeng terdorong ke bawah lempeng lainnya – dalam proses yang membantu mengatur siklus karbon. Sementara itu, uap air dan gas yang dikeluarkan melalui aktivitas gunung berapi membantu menstabilkan iklim dan kondisi atmosfer bumi.

Kita hanya perlu melihat atmosfer Venus yang berbahaya – dengan karbon dioksida yang padat dan awan asam sulfat – untuk melihat apa yang bisa terjadi di planet berbatu tanpa lempeng tektonik. Itu sebabnya banyak ahli geosains berasumsi bahwa lempeng tektonik pasti sudah ada pada saat kehidupan muncul, pada miliaran tahun pertama sejarah bumi. Lempeng tektonik, pada dasarnya, dianggap sebagai prasyarat utama bagi kehidupan.

Tapi temuan baru oleh tim peneliti internasional menunjukkan bahwa kehidupan bisa saja terjadi sebelum lempeng tektonik – dan bahwa kehidupan bisa saja muncul terlebih dahulu. Jika penelitian ini benar adanya, planet muda kita mungkin telah mengalami periode yang lama tanpa lempeng yang dapat bergerak, di bawah bentuk tektonik yang lebih sederhana yang dikenal sebagai “stagnan tutup”. Jika skenario ini benar, maka akan mengubah pemahaman kita tentang bagaimana kehidupan muncul dan bertahan – dan berpotensi membantu pencarian kehidupan di luar planet kita.

Di tanah yang goyah

Gagasan tentang lempeng tektonik mungkin diterima secara luas saat ini, namun menjadi kontroversial selama bertahun-tahun. Ceritanya dimulai pada tahun 1912 ketika ilmuwan Jerman Alfred Wegener mengusulkan gagasan “pergeseran benua”. Ia berpendapat bahwa benua-benua yang ada saat ini pernah menjadi bagian dari benua super yang jauh lebih besar, namun kemudian bergeser ke posisinya saat ini di permukaan bumi. Dalam bukunya Asal Usul Benua dan Lautan, Wegener terkenal karena mencatat bagaimana garis pantai Amerika Selatan dan Afrika menyatu seperti puzzle dan menggambarkan bagaimana fosil serupa muncul di belahan dunia yang berbeda.

Ide Wegener awalnya ditanggapi dengan skeptis, terutama karena para peneliti tidak yakin apa yang menyebabkan lempeng tersebut bergerak. Jawabannya mulai muncul pada pertengahan abad ke-20 ketika peta yang diproduksi di 1953 oleh ahli geologi dan kartografer AS Marie Tharpe mengungkap keberadaan punggungan tengah laut yang membentang di seluruh Samudera Atlantik dan sejajar dengan garis pantai benua. Dengan adanya lembah besar di tengahnya, Tharpe berpendapat bahwa hal ini menunjukkan bahwa dasar laut sedang meluas.

Teori lengkap tentang penyebaran dasar laut kemudian diusulkan oleh ahli geologi Amerika Harry Hess pada tahun 1962. Dia berpendapat bahwa kerak samudera terus-menerus terbentuk di pegunungan tengah laut, tempat material cair dari bagian dalam bumi mengalir ke permukaan sebagai bagian dari sel konveksi, sebelum membeku menjadi dasar laut baru. Kerak segar ini kemudian didorong secara horizontal di kedua arah oleh magma yang naik ke atas.

Sementara itu, ketika lempeng samudera berbatasan dengan benua, bagian kerak samudera yang lebih tua terdorong ke bawah kerak benua yang kurang padat di palung samudera, dan didaur ulang kembali ke interior bumi. Faktanya, tenggelamnya ujung lempeng juga berkontribusi terhadap penyebaran dasar laut dengan menyeret sisa lempeng ke belakang saat ia jatuh ke dalam jurang.

[Embedded content]

Bukti penyebaran dasar laut tiba pada tahun 1963 ketika ahli geologi Inggris Frederick Vine dan Drummond Matthews mengamati pengukuran medan magnet bumi yang dilakukan oleh kapal penelitian yang melintasi punggung bukit di Samudera Hindia. Mereka memperhatikan lapangannya tidak seragam, tapi sudah anomali yang berbentuk garis-garis sejajar dengan punggung bukit – dan hampir simetris di kedua sisinya – yang membentang di dasar laut. Mereka mengatakan garis-garis tersebut muncul karena mineral magnetis di dasar laut yang baru terbentuk cenderung sejajar dengan medan magnet bumi saat batuan tersebut mengeras. Garis-garis baru terbentuk setiap kali medan magnet bumi berubah – sebuah fenomena yang sering terjadi sepanjang sejarah bumi ketika kutub utara tiba-tiba menjadi kutub selatan.

Sebagai analogi, pergerakan dasar laut mirip dengan kaset kuno yang merekam setiap pembalikan medan geomagnetik. Setiap pembalikan dapat ditentukan tanggalnya melalui studi fosil dan pengujian radiometrik basal yang dibor dari dasar laut, untuk memetakan sejarah medan magnet. Saat ini, keberadaan lempeng tektonik hampir diterima secara universal.

Namun masih belum ada kesepakatan mengenai kapan lempeng tektonik pertama kali dimulai. Salah satu permasalahannya adalah Bumi terbentuk sekitar 4.54 miliar tahun yang lalu dan saat ini hampir seluruh kerak samudera yang berumur lebih dari 200 juta tahun telah didaur ulang kembali menjadi Bumi. Dengan kata lain, arsip sejarah Bumi jangka panjang kita terkandung dalam formasi batuan tersembunyi di benua.

Namun bahkan di sana, beberapa batuan yang tersisa dari miliaran tahun pertama telah diubah secara signifikan oleh panas, kimia, pelapukan fisik, dan tekanan ekstrem. Itu sebabnya tidak ada yang yakin kapan lempeng tektonik dimulai, dengan perkiraan berkisar lebih dari 4 miliar tahun yang lalu menjadi hanya 700 juta bertahun-tahun lalu. Ini adalah ketidakpastian yang sangat besar dan tidak memuaskan.

Yang lebih membuat penasaran adalah bukti fosil kehidupan paling awal yang tak terbantahkan berasal dari 3.5–3.4 miliar tahun yang lalu, dengan tanda-tanda kehidupan di batuan sedimen yang menunjukkan bahwa kehidupan mungkin pernah ada. 3.95 miliar bertahun-tahun lalu. Jadi, mungkinkah kehidupan muncul ratusan juta tahun sebelum lempeng tektonik ada? Dengan sedikitnya batuan asli yang bertahan dari periode ini, para ahli geologi sering terjebak dalam spekulasi.

Zirkon: kapsul waktu dari awal mula bumi yang berapi-api

Untungnya, para ahli geosains mempunyai senjata rahasia untuk mendapatkan gambaran kondisi awal Bumi. Sampaikan salam kepada zirkon – fragmen mineral yang stabil secara kimia (ZrSiO₄) yang ditemukan dalam berbagai warna dan pengaturan geologi. Keunggulan zirkon bagi para ahli geosains adalah sebagian besar zirkon tidak terpengaruh oleh perubahan batuan induknya. Mereka seperti kapsul waktu dari periode yang sangat jauh.

Secara khusus, para ilmuwan baru-baru ini sedang mempelajarinya zirkon kuno yang mengkristal di dalam batuan granit yang terbentuk selama 600 juta tahun pertama bumi. Pada periode ini dikenal dengan sebutan Hadean ribuan tahun, planet kita adalah tempat yang mengerikan, kemungkinan besar diselimuti atmosfer yang kaya karbon dioksida dan sering dibombardir oleh benda-benda luar angkasa. Salah satunya mungkin menciptakan Bulan.

Meski tidak memiliki kerak, tampaknya batuan padat terbentuk karena jumlah batuan yang bertahan saat ini terbatas. Batuan utuh berumur 4 miliar tahun ada di Kompleks Acasta Gneiss di barat laut Kanada, dan material tertua yang diketahui berasal dari Bumi berusia 4.4 miliar tahun kristal zirkon ditemukan di Jack Hills di Australia (Nature Geoscience 10 457). Mereka ditempatkan di batuan “meta-sedimen” yang jauh lebih baru.

Dalam penelitian baru ini (Alam 618 531), para peneliti mempelajari zirkon Jack Hills yang mencakup periode 3.9–3.3 miliar tahun lalu, serta zirkon dari periode yang sama yang ditemukan di Barberton Greenstone Belt, Afrika Selatan. Dipimpin oleh John Tarduno dari Universitas Rochester di AS, para peneliti awalnya tertarik pada apa yang mungkin diungkapkan oleh zirkon tentang keadaan medan magnet bumi selama periode tersebut. Baru kemudian mereka menyadari bahwa temuan mereka mempunyai implikasi yang jauh lebih luas.

Kristal zirkon dari situs di Australia dan Afrika Selatan ditemukan mengandung inklusi mineral kaya zat besi yang disebut magnetit, yang termagnetisasi oleh medan bumi pada saat kristal tersebut terbentuk. Meskipun miliaran tahun telah berlalu, informasi tentang medan magnet purba bumi ini tetap tersimpan dalam kristal zirkon selama ini. Faktanya, karena medan magnet bumi berbentuk dipol – dengan kekuatan medan yang bervariasi menurut garis lintang – mengukur kekuatan sisa magnetisasi di antara kandungan magnetit zirkon dapat mengungkapkan garis lintang di mana ia terbentuk.

Tantangan berikutnya adalah menentukan tanggal sampel zirkon. Menariknya, struktur kristal zirkon juga mengandung uranium, yang secara bertahap terurai menjadi timbal dengan laju yang diketahui. Oleh karena itu, para peneliti dapat menentukan usia kristal zirkon dari rasio uranium dan timbal, yang diukur oleh tim Tarduno menggunakan a mikroprobe ion resolusi tinggi selektif, atau UDANG.

Jika lempeng tektonik telah ada selama 600 juta tahun yang dibahas dalam penelitian ini, maka kristal zirkon akan terbentuk di berbagai garis lintang seiring pergerakan lempeng. Artinya, kristal zirkon akan memiliki berbagai kekuatan magnetisasi tergantung pada usianya. Namun yang mengejutkan mereka, Tarduno dan tim menemukan sesuatu yang sangat berbeda.

Baik di situs Australia dan Afrika Selatan, kekuatan magnetisasi hampir konstan antara 3.9 dan 3.4 miliar tahun yang lalu. Hal ini menunjukkan bahwa kedua kumpulan zirkon terbentuk pada garis lintang yang tidak berubah. Dengan kata lain, lempeng tektonik belum dimulai. Salah satu alasan kesimpulan ini, para peneliti menjelaskan, adalah bahwa, rata-rata, lempeng selama 600 juta tahun terakhir telah berpindah setidaknya 8500 km garis lintang. Dan selama periode terakhir ini, belum pernah ada contoh dua lempeng yang berada pada garis lintang konstan secara bersamaan.”

Dengan kata lain, lempeng tektonik belum dimulai. Para peneliti menyimpulkan bahwa Bumi kemungkinan memiliki variasi tektonik yang lebih sederhana, yang masih mencakup beberapa daur ulang bahan kimia dan rekahan batuan padat di permukaan bumi.

Perbedaan krusial antara lempeng tektonik saat ini dan lempeng tektonik saat ini “tutupnya stagnan” bentuk tektonik adalah bahwa yang terakhir tidak mencakup lempeng yang bergerak secara horizontal melintasi permukaan, sehingga panas dapat dilepaskan secara efisien. Sebaliknya, Bumi akan menjadi dunia yang membusuk tanpa kerak benua, yang dihuni oleh daerah-daerah terisolasi dari kerak samudera tebal yang dipisahkan oleh daerah-daerah magma yang naik (gambar 1). “Mungkin tutup yang stagnan adalah nama yang disayangkan karena orang mungkin mengira tidak terjadi apa-apa,” kata Tarduno. “Tetapi yang Anda miliki adalah gumpalan material yang muncul yang dapat memanaskan dasar kerak bumi dan litosfer primordial ini.”

Menjelang akhir periode penelitian (3.4–3.3 miliar tahun lalu), magnetisasi yang diamati pada kristal zirkon mulai menguat, yang menurut Tarduno dapat mengindikasikan permulaan lempeng tektonik. Alasannya adalah lempengan besar kerak bumi yang turun ke bagian dalam bumi di zona subduksi mengakibatkan mantel mendingin lebih cepat. Pada gilirannya, proses ini dapat memperkuat efisiensi konveksi di inti luar – sehingga menghasilkan medan geomagnetik yang lebih kuat.

Sebuah 'situasi Goldilocks' untuk kehidupan awal?

Jika kehidupan dasar sudah ada hampir setengah miliar tahun sebelum tektonik, sebagaimana tersirat dalam penelitian ini, maka hal ini akan menimbulkan pertanyaan menarik tentang bagaimana kehidupan bisa bertahan di dunia tanpa lempeng tektonik. Medan magnet yang lebih lemah akibat fase tutup stagnan ini akan membuat permukaan bumi lebih terpapar radiasi kosmik, yang mana medan kuat kita saat ini melindungi kita. Proton energik dalam angin matahari kemudian akan bertabrakan dengan partikel atmosfer, mengisi dan memberi energi pada mereka sehingga mereka dapat lepas ke luar angkasa – pada prinsipnya, menghilangkan air di seluruh planet.

Namun Tarduno mengatakan bahwa kekuatan medan magnet yang relatif lemah yang diamati dalam studi baru ini akan memberikan perlindungan. Faktanya, ia berpendapat bahwa bentuk tektonik yang stagnan dan membara ini mungkin telah menciptakan “situasi Goldilocks” yang cocok untuk kehidupan purba, bebas dari perubahan dramatis dalam kondisi lingkungan yang dapat terjadi pada lempeng tektonik yang sudah matang.

Ini adalah ide yang menggiurkan karena bentuk tektonik yang stagnan dianggap umum terjadi di seluruh tata surya kita, seperti di Venus, Merkurius, dan dalam bentuk yang kurang dinamis di Mars.

Untuk mengembangkan penelitian tersebut, tim Tarduno kini berencana mempelajari zirkon dengan usia yang sama dari lokasi lain, untuk memberikan titik data yang lebih luas. “Pendekatan kami berbeda dengan pekerjaan sebelumnya karena kami memiliki indikator pergerakan,” ujarnya. “Semua argumen mengenai lempeng tektonik saat ini dalam sejarah Bumi didasarkan pada geokimia – bukan pada indikator utama mengenai apa itu lempeng tektonik.”

Peter Cawood, seorang ilmuwan bumi di Monash University di Australia, yang tidak terlibat dalam hal ini Alam Studi tersebut mengatakan bahwa pemahaman lebih lanjut tentang masa awal Bumi mungkin datang dari tempat-tempat di tata surya kita yang permukaannya belum berulang kali didaur ulang oleh lempeng tektonik. “Mars, Bulan, dan meteorit memberikan catatan yang lebih luas tentang sejarah awal mereka,” katanya. “Sampel dari benda-benda ini, dan khususnya potensi misi pengembalian sampel dari Mars, dapat memberikan wawasan baru yang penting mengenai proses yang terjadi di awal Bumi.”

Zaman atau peristiwa? Mendefinisikan Antroposen

Lompatan besar di depan itu dapat terjadi melalui Misi Pengembalian Sampel Mars, dijadwalkan diluncurkan pada tahun 2027. Namun Cawood berpendapat bahwa pertanyaan yang mungkin lebih penting bagi perkembangan kehidupan awal adalah kapan tepatnya air – yang merupakan prasyarat bagi kehidupan – pertama kali muncul di Bumi. “Pekerjaan sebelumnya pada zirkon Jack Hills, menggunakan isotop oksigen, menunjukkan bahwa air telah ada setidaknya sejak 4400 juta tahun yang lalu,” katanya.

Bagi Cawood, penelitian ini berpotensi membantu pencarian kehidupan di dalam dan di luar tata surya kita – dan bahkan konsep kita tentang seperti apa kehidupan itu. “Jika kehidupan di Bumi berkembang selama fase stagnasi tutupan ini, mungkin hal ini juga terjadi di Mars. Jika Bumi tetap berada dalam fase tutupan stagnan dan kehidupan terus berevolusi, hal ini tentu akan terlihat berbeda dengan biosfer yang kita miliki saat ini. Jadi, jika kita memparafrasekan Spock saat berbicara dengan Kirk – 'inilah hidup Jim, tapi tidak seperti yang kita tahu'.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Otomotif / EV, Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• ChartPrime. Tingkatkan Game Trading Anda dengan ChartPrime. Akses Di Sini.
• BlockOffset. Modernisasi Kepemilikan Offset Lingkungan. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/