זירקונים, טקטוניקת הלוחות ותעלומת החיים - עולם הפיזיקה

הקרקע מתחת לרגלינו עשויה להיראות מוצקה ונייחת. אבל לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ, הפורניר הדק יחסית המכסה את כוכב הלכת שלנו נסחט שוב ​​ושוב, נסדק ופוסל על ידי כוחות טקטוניים. טקטוניקת הלוחות יכולה להזיז יבשות, לבנות רכסי הרים ולעורר רעידות אדמה והרי געש כאשר אנרגיה עצורה משתחררת לפתע.

אבל בעוד שטקטוניקה יכולה להרוס חיים ללא הבחנה ברמה מקומית, היא חיונית גם לקיום תנאי מגורים על פני כדור הארץ. הסיבה לכך היא שחומרים עשירים בפחמן ממוחזרים בחזרה אל פנים כדור הארץ ב"אזורי ההפחתה" - אזורים שבהם לוחית אחת מונחת מתחת לאחרת - בתהליך שעוזר לווסת את מחזור הפחמן. בינתיים, אדי מים וגזים המשתחררים באמצעות פעילות געשית עוזרים לייצב את האקלים והתנאים האטמוספריים של כדור הארץ.

אנחנו צריכים רק להסתכל על האטמוספירה המזיקה של נוגה - עם ענני הפחמן הדו-חמצני הצפופים והחומצה הגופרתית - כדי לראות מה יכול לקרות על כוכב לכת סלעי ללא טקטוניקת הלוחות. לכן, מדענים גיאוגרפיים רבים הניחו שטקטוניקת הלוחות חייבת להיות קיימת עד שהחיים הופיעו, במהלך מיליארד השנים הראשונות של ההיסטוריה של כדור הארץ. טקטוניקת הלוחות, במהותה, נחשבה כתנאי מוקדם לחיים.

אבל ממצאים חדשים על ידי צוות מחקר בינלאומי מצביעים על כך שהחיים יכלו להקדים לטקטוניקת הלוחות - ושהחיים יכלו להגיע במקום הראשון בפער מסוים. אם העבודה מתקיימת, ייתכן שהכוכב הצעיר שלנו חווה תקופה ממושכת ללא לוחות זזים, תחת צורה בסיסית יותר של טקטוניקה המכונה "מכסה עומד". סנריום כזה, אם יאושר, ישנה את ההבנה שלנו לגבי האופן שבו חיים מתעוררים ושורדים - ואולי יעזור בחיפוש אחר חיים מעבר לכוכב שלנו.

על אדמה רעועה

הרעיון של טקטוניקת הלוחות אולי מקובל כיום, אבל הוא היה שנוי במחלוקת במשך שנים רבות. הסיפור התחיל בשנת 1912 כאשר המדען הגרמני אלפרד וגנר הציע את הרעיון של "סחף יבשתי". הוא הציע שהיבשות של היום היו פעם חלק מיבשת-על גדולה בהרבה, אך מאוחר יותר נסחפו למיקומן הנוכחי על פני כדור הארץ. בספר שלו מקורם של יבשות ואוקיינוסים, וגנר ציין באופן מפורסם כיצד קווי החוף של דרום אמריקה ואפריקה משתלבים זה בזה כמו פאזל ותיאר כיצד מאובנים דומים צצים בחלקים שונים לחלוטין של העולם.

הרעיון של וגנר נתקל בתחילה בספקנות, בעיקר משום שהחוקרים לא היו בטוחים מה עלול לגרום ללוחות לזוז. תשובה החלה להופיע באמצע המאה ה-20 כאשר מפה שהופקה ב 1953 מאת הגיאולוג והקרטוגרף האמריקאי מארי ת'ארפ חשף את קיומו של רכס אמצע אוקיינוס ​​המשתרע על כל האוקיינוס ​​האטלנטי ומקביל לקווי החוף היבשתיים. עם עמק ענק במרכזו, טען ת'ארפ שזה מצביע על כך שקרקעית האוקיינוס ​​מתרחבת.

תיאוריה מלאה להתפשטות קרקעית הים הוצע לאחר מכן על ידי גיאולוג אמריקאי הארי הס ב-1962. הוא הציע כי קרום אוקיינוס ​​נוצר ללא הרף ברכסים של אמצע האוקיינוס, שבהם חומר מותך מבפנים כדור הארץ נופל אל פני השטח כחלק מתא הסעה, לפני שהוא מתמצק לקרקעית אוקיינוס ​​חדשה. הקרום הטרי הזה נדחף אופקית לשני הכיוונים על ידי מאגמה העולה לאחר מכן.

בינתיים, היכן שהלוחות האוקיינוסים גובלים ביבשות, חלקים ישנים יותר של קרום האוקיינוס ​​נדחפים מתחת לקרום היבשתי הפחות צפוף בתעלות אוקיינוס, וממוחזרים בחזרה אל פנים כדור הארץ. למעשה, קצה השוקע של הצלחת תורם גם להתפשטות קרקעית הים על ידי גרירת שאר הצלחת מאחור בזמן שהיא צונחת לתהום.

[תוכן מוטבע]

עדויות להתפשטות קרקעית הים הגיעו בשנת 1963 כאשר גיאולוגים בריטיים פרדריק ויין ו דראמונד מתיוס הסתכל על מדידות של השדה המגנטי של כדור הארץ שנלקחה על ידי ספינת מחקר שנסעה על פני רכס באוקיינוס ​​ההודי. הם שמו לב שהשדה לא היה אחיד, אבל היה חריגות שהתנהלו בפסים במקביל לרכס - ולמעשה באופן סימטרי משני צידיו - המשתרעים על קרקעית האוקיינוס. הם אמרו שהפסים נוצרים בגלל שמינרלים מגנטיים בתוך קרקעית הים החדשה שנוצרה נוטים ליישר קו עם השדה המגנטי של כדור הארץ בזמן שהסלע מתמצק. פסים חדשים נוצרים בכל פעם שהשדה המגנטי של כדור הארץ מתהפך – תופעה שהתרחשה פעמים רבות במהלך ההיסטוריה של כדור הארץ כאשר הקוטב הצפוני הופך לפתע לקוטב הדרומי.

אם להשתמש באנלוגיה, קרקעית הים הנעה היא כמו קלטת קלטת מיושנת, המתעדת כל היפוך של השדה הגיאומגנטי. ניתן לתארך כל היפוך באמצעות מחקרי מאובנים ובדיקות רדיומטריות של בזלת שנקדחו מקרקעית האוקיינוס, כדי לשרטט היסטוריה של השדה המגנטי. בימינו, קיומה של טקטוניקת הלוחות מקובל כיום כמעט בכל העולם.

אבל יש הרבה פחות הסכמה מתי החלה טקטוניקת הלוחות לראשונה. חלק מהבעיה הוא שכדור הארץ נוצר לפני כ-4.54 מיליארד שנים וכיום כמעט כל הקרום האוקיינוס ​​ישן מ-200 מיליון שנה מוחזר חזרה לכדור הארץ. הארכיון ארוך הטווח של תולדות כדור הארץ כלול, במילים אחרות, בתוך תצורות סלע נסתרות ביבשות.

אבל גם שם, הסלעים המעטים הנגישים שנותרו ממיליארד השנים הראשונות שונו משמעותית על ידי חום, כימיה, בליה פיזית ולחצים קיצוניים. זו הסיבה שאף אחד לא בטוח מתי התחילה טקטוניקת הלוחות, עם הערכות שנעו בין יותר מ לפני 4 מיליארד שנים ל-700 מיליון בלבד לפני שנים. זו אי ודאות עצומה ולא מספקת.

מה שמעניין יותר הוא שהעדות המאובנים הבלתי מעורערת המוקדמת ביותר לחיים מתוארכת ל-3.5-3.4 מיליארד שנים אחורה, עם סימני חיים בסלעי משקע המצביעים על כך שאולי היו קיימים חיים 3.95 מיליארדים לפני שנים. אז האם החיים היו יכולים להופיע מאות מיליוני שנים לפני שטקטוניקת הלוחות הייתה בכלל עניין? עם כל כך מעט סלעים מקוריים ששרדו מתקופה זו, גיאולוגים תקועים לעתים קרובות בתחומי הספקולציות.

זירקונים: כמוסות זמן מההתחלה הלוהטת של כדור הארץ

למרבה המזל, למדענים גיאוגרפיים יש נשק סודי כדי להשיג צילומי מצב על כדור הארץ המוקדם. תגיד שלום ל זירקונים - שברי מינרלים יציבים מבחינה כימית (ZrSiO₄) שנמצאים במגוון צבעים והגדרות גיאולוגיות. היופי של זירקונים עבור מדענים גאוגרפיים הוא שהם נותרים לא מושפעים במידה רבה משינויים בסלע המארח שלהם. הם כמו קפסולת זמן של אותה תקופה רחוקה.

בפרט, מדענים חוקרים לאחרונה זירקונים עתיקים שהתגבש בתוך סלעי גרניט שנוצרו במהלך 600 מיליון השנים הראשונות של כדור הארץ. במהלך תקופה זו, הידועה בשם עידן האדן, כוכב הלכת שלנו היה מקום גיהנום, ככל הנראה עטוף באטמוספירה עשירה בפחמן דו חמצני ומופגז לעתים קרובות על ידי גופים מחוץ לכדור הארץ. אחד מהם כנראה יצר את הירח.

עם זאת, למרות היעדר קרום, נראה שוודאי נוצרו סלעים מוצקים מכיוון שמספר מוגבל שורד כיום. סלעים שלמים בני כ-4 מיליארד שנים קיימים ב- מתחם אקסטה גניס של צפון מערב קנדה, והחומרים העתיקים ביותר הידועים ממוצא כדור הארץ הם בני 4.4 מיליארד שנים גבישי זירקון שנמצאו בג'ק הילס באוסטרליה (טבע Geoscience 10 457). הם שוכנים בסלעים חדשים הרבה יותר, "מטה-משקעים".

במחקר החדש הזה (טבע 618 531), חוקרים חקרו זירקונים של ג'ק הילס המשתרעים על פני התקופה של 3.9-3.3 מיליארד שנים, כמו גם זירקונים מאותה תקופה שנמצאו בחגורת ברברטון גרינסטון בדרום אפריקה. בראשותו של ג'ון טארדונו מאוניברסיטת רוצ'סטר בארה"ב, החוקרים התעניינו בתחילה במה שהזירקונים עשויים לחשוף על מצב השדה המגנטי של כדור הארץ באותה תקופה. רק מאוחר יותר הם הבינו שלממצאים שלהם יש השלכות רחבות בהרבה.

נמצא כי גבישי זירקון מהאתר האוסטרלי והדרום אפריקאי מכילים תכלילים של מינרל עשיר בברזל בשם מגנטיט, אשר התמגנטו על ידי שדה כדור הארץ בזמן היווצרותם. למרות שחלפו מאז מיליארדי שנים, המידע הזה על השדה המגנטי העתיק של כדור הארץ נשאר נעול בגבישי הזרקון כל הזמן הזה. למעשה, מכיוון שהשדה המגנטי של כדור הארץ הוא דיפול - עם עוצמת שדה המשתנה בהתאם לקו הרוחב - מדידת עוצמת המגנטיזציה שארית בין תכולת המגנטי של הזרקון יכולה לחשוף את קו הרוחב שבו הוא נוצר.

האתגר הבא היה לתארך את דגימות הזרקון. באופן נוח, המבנה הגבישי של זירקון משלב גם אורניום, שמתפרק בהדרגה לעופרת בקצב ידוע. החוקרים יכלו אפוא לחשב את גיל גביש הזרקון מהיחס בין אורניום לעופרת, אותו מדד הצוות של Tarduno באמצעות מיקרו פרוב יונים סלקטיבי ברזולוציה גבוהה, או שרימפס.

אם טקטוניקת הלוחות הייתה קיימת במהלך 600 מיליון השנים המכוסות במחקר הזה, אז הייתם מצפים שגבישי הזרקון נוצרו במגוון קווי רוחב כשהלוחות נעים. זה בתורו אומר שלגבישי זירקון יהיו מגוון עוצמות מגנטיות בהתאם לגילם. אולם להפתעתם, טרדונו והצוות גילו משהו שונה מאוד.

הן באתרים האוסטרליים והן בדרום אפריקה, עוצמת המגנטיזציה נותרה כמעט קבועה בין 3.9 ל-3.4 מיליארד שנים לפני. זה מצביע על כך ששתי קבוצות הזירקונים נוצרו בקווי רוחב בלתי משתנים. במילים אחרות, טקטוניקת הלוחות טרם החלה. חלק מהסיבה למסקנה זו, מסבירים החוקרים, היא שבממוצע, לוחות במהלך 600 מיליון השנים האחרונות נעו לפחות 8500 ק"מ בקו הרוחב. ובמהלך התקופה האחרונה, מעולם לא הייתה דוגמה של שני לוחות שנשארו בו זמנית בקו רוחב קבוע."

במילים אחרות, טקטוניקת הלוחות טרם החלה. החוקרים מסכמים כי ככל הנראה לכדור הארץ היה מגוון בסיסי יותר של טקטוניקה, שעדיין כלל מיחזור כימי ושבירה של סלע מוצק על פני כדור הארץ.

ההבדל המכריע בין טקטוניקת הלוחות של היום לזה "מכסה עומד" צורת הטקטוניקה היא שהאחרון אינו כולל לוחות הנעים אופקית על פני השטח, מה שמאפשר לשחרר חום ביעילות. במקום זאת, כדור הארץ היה עולם משעמם ללא קרום יבשתי, מאוכלס באזורים מבודדים של קרום אוקיינוס ​​עבה המופרדים על ידי אזורים של מאגמה עולה (איור 1). "אולי מכסה עומד הוא שם מצער מכיוון שאנשים עלולים לחשוב ששום דבר לא קורה", אומר טרדונו. "אבל מה שכן יש לך זה פלומות של חומר שמגיעות שיכולות לחמם את תחתית הקרום והליתוספירה הקדמונית הזו."

לקראת סוף תקופת המחקר (לפני 3.4-3.3 מיליארד שנים), המגנטיזציה שנצפתה בגבישי הזרקון מתחילה להתחזק, מה שמציע טרדונו יכול להעיד על תחילתה של טקטוניקת הלוחות. הסיבה היא שלוחות קרום ענקיים היורדים אל פנים כדור הארץ באזורי ההפחתה מביאים להתקררות המעטפת מהר יותר. בתורו, תהליך זה יכול לחזק את היעילות של הסעה בליבה החיצונית - וכתוצאה מכך שדה גיאומגנטי חזק יותר.

'מצב של זהב' לחיים המוקדמים?

אם חיים בסיסיים כבר היו קיימים כמעט חצי מיליארד שנים לפני הטקטוניקה, כפי שמשתמע ממחקר זה, זה מעלה שאלות מעניינות לגבי האופן שבו חיים יכולים לשרוד בעולם חסר טקטוני צלחות. שדה מגנטי חלש יותר משלב העפעף העצור הזה היה מותיר את פני כדור הארץ חשופים יותר לקרינה קוסמית, שהשדה החזק הנוכחי שלנו מגן עלינו מפניה. פרוטונים אנרגטיים ברוח השמש היו אז מתנגשים בחלקיקים אטמוספריים, טוענים וממריצים אותם כדי שיוכלו לברוח לחלל - באופן עקרוני, מפשיטים כוכב הלכת שלם מהמים שלו.

אבל טארדונו אומר שאפילו עוצמת השדה המגנטי החלשה יחסית שנצפה במחקר החדש הזה הייתה מספקת מיגון מסוים. למעשה, הוא מציע שצורת הטקטוניקה המבעבעת והעמידה הזו יצרה "מצב של זהב" שהיה מתאים בדיוק לחיים קדמוניים, נקיים מהשינויים הדרמטיים בתנאי הסביבה שיכולים להתרחש בטקטוניקת הלוחות המלאה.

זה רעיון מפתה מכיוון שמניחים כי צורות מכסה עומדות של טקטוניקה נפוצות בכל מערכת השמש שלנו, הקיימות על נוגה, מרקורי ובצורה פחות דינמית על מאדים.

כדי לפתח את המחקר, הצוות של Tarduno מתכנן כעת לחקור זירקונים בגילאים דומים ממקומות אחרים, כדי לתת מגוון רחב יותר של נקודות נתונים. "הגישה שלנו שונה מעבודות קודמות כי יש לנו אינדיקטור של תנועה", הוא אומר. "כל הטיעונים על טקטוניקת הלוחות מהתקופה הזו בהיסטוריה של כדור הארץ התבססו על גיאוכימיה - לא על האינדיקטור העיקרי של מהי טקטוניקת הלוחות."

פיטר קאווד, מדען כדור הארץ באוניברסיטת מונאש באוסטרליה, שלא היה מעורב בכך טבע מחקר, אומר כי הבנה נוספת של כדור הארץ הקדום עשויה להגיע ממקומות במערכת השמש שלנו אשר פני השטח שלהם לא מוחזרו שוב ושוב על ידי טקטוניקת הלוחות. "מאדים, הירח ומטאוריטים מספקים תיעוד נרחב יותר של ההיסטוריה המוקדמת שלהם", הוא אומר. "דגימות מגופים אלה, ובמיוחד הפוטנציאל למשימות החזרת מדגם ממאדים, עשויים לספק תובנות חדשות וחשובות לגבי תהליכים שפעלו על כדור הארץ המוקדם."

תקופה או אירוע? הגדרת האנתרופוקן

קפיצות ענק בחזית זו עשויות להתרחש דרך ה- משימת החזרת מדגם מאדים, מתוכנן להשיק בשנת 2027. אבל קאווד מעריך שאולי שאלה קריטית יותר להתפתחות החיים הראשוניים היא מתי בדיוק המים - תנאי מוקדם לחיים - הופיעו לראשונה על כדור הארץ. "עבודה קודמת על זירקונים של ג'ק הילס, באמצעות איזוטופי חמצן, מעידה על כך שיש מים מלפני לפחות 4400 מיליון שנים", הוא אומר.

עבור קאווד, מחקר זה עשוי לסייע בחיפוש אחר חיים בתוך מערכת השמש שלנו ומחוצה לה - ואפילו את הרעיון שלנו כיצד נראים החיים. "אם החיים על פני כדור הארץ התפתחו במהלך שלב המכסה העצור הזה, אז אולי זה התרחש גם על מאדים. אם כדור הארץ היה נשאר בשלב של מכסה עומד והחיים היו ממשיכים להתפתח, הוא בהחלט היה נראה שונה מהביוספירה שיש לנו היום. אז, בפרפראזה שספוק מדבר עם קירק - 'זה החיים ג'ים, אבל לא כמו שאנחנו מכירים אותם'".

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. רכב / רכבים חשמליים, פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• ChartPrime. הרם את משחק המסחר שלך עם ChartPrime. גישה כאן.
• BlockOffsets. מודרניזציה של בעלות על קיזוז סביבתי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/