ジルコン、プレートテクトニクス、生命の謎 – Physics World

私たちの足の下の地面は固くて静止しているように見えるかもしれません。 しかし、地球の歴史を通して、私たちの惑星を覆う比較的薄い化粧板は、地殻変動によって繰り返し圧迫され、ひび割れ、再形成されてきました。 プレートテクトニクスは、蓄積されたエネルギーが突然解放されると、大陸を動かし、山脈を築き、地震や火山を引き起こす可能性があります。

しかし、テクトニクスは局所レベルで無差別に生命を破壊する可能性がある一方で、地表全体で居住可能な状態を維持するためにも不可欠です。 それは、炭素豊富な物質が、炭素循環の調節に役立つプロセスとして、「沈み込み帯」（あるプレートが別のプレートの下に押し込まれる領域）で地球内部にリサイクルされて戻されるためです。 一方、火山活動によって放出される水蒸気とガスは、地球の気候と大気の状態を安定させるのに役立ちます。

プレートテクトニクスのない岩石惑星で何が起こり得るかを知るには、濃い二酸化炭素と硫酸の雲を含む金星の有害な大気を観察するだけで十分です。 そのため、多くの地球科学者は、地球史の最初の XNUMX 億年間に、生命が誕生するまでにプレート テクトニクスが存在していたに違いないと考えていました。 プレートテクトニクスは本質的に、生命にとって重要な前提条件であると考えられていました。

だけど 新たな知見 国際研究チームによると、生命はプレートテクトニクスよりも先に存在した可能性があり、ある程度のマージンで生命が先に誕生した可能性があることが示唆されています。 この研究が真実であれば、私たちの若い惑星は、「停滞した蓋」として知られるより原始的な形態の地殻変動の下で、可動プレートのない長期間を経験した可能性があります。 このようなシナリオが確認されれば、生命がどのように発生し生存するかについての私たちの理解を一変させ、地球外の生命の探索に役立つ可能性があります。

揺れる地面に

プレート テクトニクスの概念は今日では広く受け入れられているかもしれませんが、長年にわたって議論の余地がありました。 物語は 1912 年にドイツの科学者が始めました。 アルフレッドウェゲナー 「大陸漂流」という考え方を提唱しました。 彼は、現在の大陸はかつてはもっと大きな超大陸の一部だったが、後に地表の現在の位置に漂流したのではないかと示唆した。 彼の本の中で 大陸と海洋の起源, ウェゲナーは、南アメリカとアフリカの海岸線がどのようにジグソーパズルのように組み合わされているかに注目し、世界のまったく異なる地域でどのようにして同様の化石が出現するかを説明したことで有名です。

ウェゲナーの考えは当初、プレートを動かす原因が研究者らに不明だったため、懐疑的な見方もされた。 答えは 20 世紀半ばに現れ始めました。 で作成された地図 1953年、米国の地質学者兼地図製作者による マリー・サープ 大西洋全体に広がり、大陸の海岸線と平行に走る中央海嶺の存在が明らかになりました。 サープ氏は、その中心に巨大な谷があるのが特徴で、これは海底が拡大していることを示していると主張した。

海底拡散の完全な理論 その後提案されました 米国の地質学者による ハリー・ヘス、1962年。 彼は、海洋地殻が中央海嶺で継続的に形成されており、そこでは地球の内部からの溶融物質が対流セルの一部として地表まで湧き出し、その後固まって新しい海底になるのではないかと示唆した。 この新鮮な地殻は、その後の湧昇マグマによって両方向に水平に分流されます。

一方、海洋プレートが大陸と接する場所では、海洋地殻の古い部分が海洋溝で密度の低い大陸地殻の下に押し込まれ、地球内部にリサイクルされて戻されます。 実際、プレートの沈み込んだ先端は、プレートが深淵に落ち込む際にプレートの残りの部分を後ろに引きずり込み、海底の広がりにも寄与している。

[埋め込まれたコンテンツ]

海底拡大の証拠は 1963 年にイギリスの地質学者によって発見されました。 フレデリック・ヴァイン および ドラモンド・マシューズ 彼らは、インド洋の尾根を横切って航行する調査船によって取得された地球の磁場の測定値を調べました。 彼らはフィールドが均一ではないことに気づきましたが、 縞模様に続いた異常 海底に広がる尾根と平行に、そしてその両側でほぼ対称的に。 彼らは、岩石が固まる過程で、新たに形成された海底内の磁性鉱物が地球の磁場と一致する傾向があるため、縞模様が生じると述べた。 地球の磁場が反転するたびに新しい縞が形成されます。これは、北極が突然南極になる現象で、地球の歴史の中で何度も起こりました。

たとえて言えば、動く海底は地磁気の反転を記録する昔ながらのカセットテープのようなものです。 磁場の歴史を示すために、海底から掘削された玄武岩の化石研究と放射分析検査によってそれぞれの反転の年代を特定することができます。 最近では、プレートテクトニクスの存在はほぼ広く受け入れられています。

しかし、プレートテクトニクスがいつ始まったかについての合意ははるかに少ない。 問題の一部は、地球が約 4.54 億 200 千万年前に形成され、現在では XNUMX 億年以上前の海洋地殻の事実上すべてが地球にリサイクルされていることです。 言い換えれば、私たちの地球の歴史の長期アーカイブは、大陸の隠された岩層の中に含まれています。

しかしそこでさえ、最初のXNUMX億年から残っているアクセス可能な少数の岩石は、熱、化学、物理的風化、極度の圧力によって大きく変化しています。 そのため、プレートテクトニクスがいつ始まったかについては誰も確信が持てず、推定値の範囲は 4億年前からわずか700億年前まで 数年前。 それは非常に大きな不確実性であり、満足のいくものではありません。

さらに興味深いのは、生命に関する議論の余地のない最古の化石証拠は 3.5 億年から 3.4 億年前に遡り、堆積岩に生命の痕跡があり、生命が存在した可能性があることを示していることです。 3.95億 数年前。 それでは、プレートテクトニクスが存在する数億年前に生命が誕生した可能性はあるのでしょうか？ この時代のオリジナルの岩石がほとんど残っていないため、地質学者は推測の域に留まることもよくあります。

ジルコン：地球の燃えるような始まりのタイムカプセル

幸いなことに、地球科学者は初期の地球の状態のスナップショットを取得する秘密兵器を持っています。 挨拶してください ジルコン – 化学的に安定した鉱物片 (ZrSiO₄) さまざまな色や地質環境で見られます。 地球科学者にとってジルコンの利点は、母岩の変化の影響をほとんど受けないことです。 まるで遠い昔のタイムカプセルのようなものです。

特に、科学者たちは最近研究を行っています。 古代のジルコン 地球の最初の600億年の間に形成された花崗岩の中で結晶化したもの。 として知られるこの期間中、 冥王代、私たちの惑星は地獄のような場所で、おそらく二酸化炭素が豊富な大気に覆われ、頻繁に地球外天体による攻撃を受けていました。 おそらくそのうちのXNUMXつが月を創造したと考えられます。

しかし、地殻がないにもかかわらず、今日生き残っているのは限られた数であるため、固体の岩石が形成されていたに違いないと思われます。 4億年も前の無傷の岩石が地球に存在する アカスタ片麻岩群 カナダ北西部の産出物で、地球起源の既知の最古の物質は 4.4 億年前のものです。 オーストラリアのジャックヒルズで発見されたジルコンの結晶 (ネイチャージオサイエンス 10 457）。 それらは、はるかに新しい「メタ堆積岩」の中に収容されています。

この新しい研究では (自然 618 531)、研究者らは、3.9 億年から 3.3 億年前の期間にわたるジャック ヒルズ ジルコンと、南アフリカのバーバートン グリーンストーン ベルトで発見された同時期のジルコンを研究しました。によって導かれて ジョン・タルドゥーノ 米国のロチェスター大学の研究者らは当初、ジルコンが当時の地球の磁場の状態について何を明らかにするかに興味を持っていました。 彼らが自分たちの発見がはるかに広範な意味を持つことに気づいたのは、さらに後になってからでした。

オーストラリアと南アフリカの両方の遺跡で採取されたジルコン結晶には、マグネタイトと呼ばれる鉄分が豊富な鉱物の内包物が含まれていることが判明しました。これらの鉱物は、形成時に地球の磁場によって磁化されました。それから何十億年も経ったにもかかわらず、地球の太古の磁場に関するこの情報は、ずっとジルコン結晶の中に閉じ込められたままです。実際、地球の磁場は双極子であり、磁場の強さは緯度によって変化するため、ジルコンの磁鉄鉱含有量の残留磁化の強さを測定することで、それが形成された緯度を明らかにすることができます。

次の課題は、ジルコンサンプルの年代を特定することでした。 都合のよいことに、ジルコンの結晶構造にはウランも含まれており、ウランは既知の速度で徐々に鉛に崩壊します。 したがって、研究者らは、タルドゥーノのチームが測定器を使用して測定したウランと鉛の比率からジルコン結晶の年齢を割り出すことができた。 選択的高分解能イオンマイクロプローブ、またはエビ。

この研究で対象となっている 600 億年の間にプレート テクトニクスが存在していたとしたら、プレートが移動するにつれてさまざまな緯度でジルコン結晶が形成されたと予想されるでしょう。 これは、ジルコン結晶がどれくらい古いかに応じて磁化の強さの範囲があることを意味します。 しかし驚いたことに、タルドゥーノとチームはまったく異なるものを発見しました。

オーストラリアと南アフリカの両方の遺跡では、磁化の強さは3.9億年前から3.4億年前までほぼ一定のままでした。 これは、両方のジルコンのセットが変化しない緯度で形成されたことを示唆しています。 つまり、プレートテクトニクスはまだ始まっていなかった。 この結論の理由の一部は、過去600億年間にプレートが平均して少なくとも8500kmの緯度を移動したためである、と研究者らは説明する。 そしてこの最近の期間において、XNUMXつのプレートが同時に一定の緯度に留まった例は一度もなかった。」

つまり、プレートテクトニクスはまだ始まっていなかった。 研究者らは、地球にはおそらく化学物質のリサイクルや地表の固い岩の破砕など、より原始的なさまざまなテクトニクスがあったと結論づけている。

今日のプレートテクトニクスと今回のプレートテクトニクスの決定的な違い 「停滞した蓋」 テクトニクスの形態は、後者には地表を横切って水平に移動するプレートが含まれていないため、熱が効率的に放出されます。 代わりに、地球は大陸地殻のない、湧昇するマグマの領域によって分離された厚い海洋地殻の孤立した領域が存在する、化膿した世界になっていたでしょう（図1）。 「人々は何も起こっていないと思われるかもしれないので、停滞した蓋という名前は残念かもしれません」とタルドゥーノ氏は言います。 「しかし、実際に存在しているのは、この原始地殻とリソスフェアの底を加熱する可能性のある物質のプルームが上昇していることです。」

研究期間の終わりに向けて（3.4億～3.3億年前）、ジルコン結晶内で観察された磁化が強まり始め、これはプレートテクトニクスの始まりを示す可能性があるとタルドゥーノ教授は示唆している。 その理由は、巨大な地殻のスラブが沈み込み帯で地球の内部に下降し、マントルの冷却が速くなるからです。 このプロセスにより、外核の対流効率が強化され、その結果、より強力な地磁気がもたらされます。

人生初期の「ゴルディロックス状況」？

この研究が示唆するように、テクトニクスが起こるほぼXNUMX億年前に基本的な生命がすでに存在していたとしたら、プレートテクトニクスのない世界で生命はどのように生き残るのかという興味深い疑問が生じる。 この停滞した蓋相からの磁場が弱ければ、地球の表面は宇宙放射線にさらされたままになっていたでしょうが、現在の強い磁場は私たちを宇宙放射線から守ってくれます。 その後、太陽風に含まれる高エネルギーの陽子が大気粒子と衝突し、大気粒子を帯電させてエネルギーを与え、宇宙に逃げられるようにしたと考えられます。原理的には、惑星全体の水を奪い取ることになります。

しかし、タルドゥーノ氏は、この新しい研究で観察された比較的弱い磁場の強さでさえ、ある程度の遮蔽を提供しただろうと述べている。 実際、彼は、このくすぶっている停滞した形態のテクトニクスが、本格的なプレートテクトニクスで起こり得る環境条件の劇的な変化が起こらず、原始生命にとってちょうどぴったりだったであろう「ゴルディロックス状況」を生み出した可能性があると示唆している。

停滞した蓋の形態のテクトニクスは、金星、水星、そして火星にはあまり動的ではない形態で存在し、私たちの太陽系全体に共通していると考えられているため、これは興味深いアイデアです。

研究を発展させるために、タルドゥーノのチームは現在、他の場所で採取された同様の年代のジルコンを研究し、より広範囲のデータポイントを提供することを計画している。 「動きの指標があるため、私たちのアプローチは以前の研究とは異なります」と彼は言います。 「地球史のこの時期以降のプレートテクトニクスに関する議論はすべて地球化学に基づいており、プレートテクトニクスが何であるかを示す主要な指標には基づいていない。」

ピーター・ケイウッド、オーストラリアのモナッシュ大学の地球科学者、彼はこの事件には関与していませんでした。 自然 研究者らは、初期の地球についてのさらなる理解は、プレートテクトニクスによって表面が繰り返しリサイクルされていない太陽系の場所から得られる可能性があると述べている。 「火星、月、隕石は、初期の歴史のより広範な記録を提供します」と彼は言います。 「これらの天体からのサンプル、特に火星からのサンプル帰還ミッションの可能性は、初期の地球に作用したプロセスに関する重要な新たな洞察を提供する可能性があります。」

エポックまたはイベント？ 人新世の定義

この分野での大きな飛躍は、 火星サンプルリターンミッションしかし、おそらく初期生命の発達にとってより重要な問題は、生命の前提条件である水が正確にいつ地球上に初めて出現したかである、とコーウッド氏は考えている。 「酸素同位体を使用したジャックヒルズジルコンに関するこれまでの研究は、少なくとも2027億年前から水が存在していたことを示唆しています」と彼は言う。

コーウッドにとって、この研究は太陽系内や太陽系外の生命の探求、さらには生命がどのようなものであるかという概念にさえ役立つ可能性があります。 「地球上の生命がこの蓋の停滞期に発生したのであれば、おそらくこれは火星でも起こったでしょう。 もし地球が蓋の停滞期に留まり、生命が進化を続けていたら、間違いなく今日の生物圏とは違った姿になっていたでしょう。 つまり、カークに話しているスポックの言葉を言い換えると、「人生はジムだが、私たちが知っているようなものではない」。

• SEO を活用したコンテンツと PR 配信。 今日増幅されます。
• PlatoData.Network 垂直生成 Ai。 自分自身に力を与えましょう。 こちらからアクセスしてください。
• プラトアイストリーム。 Web3 インテリジェンス。 知識増幅。 こちらからアクセスしてください。
• プラトンESG。 自動車/EV、 カーボン、 クリーンテック、 エネルギー、 環境、 太陽、 廃棄物管理。 こちらからアクセスしてください。
• プラトンヘルス。 バイオテクノロジーと臨床試験のインテリジェンス。 こちらからアクセスしてください。
• チャートプライム。 ChartPrime でトレーディング ゲームをレベルアップしましょう。 こちらからアクセスしてください。
• ブロックオフセット。 環境オフセット所有権の近代化。 こちらからアクセスしてください。
• 情報源： https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/