Zirkonen, platentektoniek en het mysterie van het leven – Physics World

De grond onder onze voeten kan stevig en stationair lijken. Maar door de geschiedenis heen is het relatief dunne fineer dat onze planeet bedekt herhaaldelijk uitgeknepen, gebarsten en opnieuw vormgegeven door tektonische krachten. Platentektoniek kan continenten verplaatsen, bergketens bouwen en aardbevingen en vulkanen veroorzaken wanneer opgekropte energie plotseling vrijkomt.

Maar hoewel tektoniek het leven op lokaal niveau zonder onderscheid kan vernietigen, is het ook van vitaal belang voor het in stand houden van bewoonbare omstandigheden op het hele aardoppervlak. Dat komt omdat koolstofrijke materialen worden teruggevoerd naar het binnenste van de aarde in ‘subductiezones’ – gebieden waar de ene plaat onder de andere wordt gedrukt – in een proces dat helpt de koolstofcyclus te reguleren. Ondertussen helpen waterdamp en gassen die vrijkomen door vulkanische activiteit het klimaat en de atmosferische omstandigheden op aarde te stabiliseren.

We hoeven alleen maar naar de schadelijke atmosfeer van Venus te kijken – met zijn dichte koolstofdioxide- en zwavelzuurwolken – om te zien wat er kan gebeuren op een rotsachtige planeet zonder platentektoniek. Dat is de reden waarom veel geowetenschappers er daarom van uitgingen dat platentektoniek al bestond tegen de tijd dat het leven ontstond, tijdens de eerste miljard jaar van de geschiedenis van de aarde. Platentektoniek werd in wezen beschouwd als een belangrijke voorwaarde voor het leven.

Maar nieuwe bevindingen door een internationaal onderzoeksteam geven aan dat het leven aan de platentektoniek had kunnen voorafgaan – en dat het leven met enige marge op de eerste plaats had kunnen komen. Als het werk klopt, heeft onze jonge planeet mogelijk een langere periode zonder beweegbare platen doorgemaakt, onder een meer rudimentaire vorm van tektoniek die bekend staat als een ‘stilstaand deksel’. Als een dergelijk secnario wordt bevestigd, zou het ons begrip van hoe het leven ontstaat en overleeft veranderen – en mogelijk helpen bij de zoektocht naar leven buiten onze planeet.

Op wankele grond

Het begrip platentektoniek is tegenwoordig misschien algemeen aanvaard, maar was jarenlang controversieel. Het verhaal begon in 1912 toen de Duitse wetenschapper alfred wegener stelde het idee van ‘continentale drift’ voor. Hij suggereerde dat de huidige continenten ooit deel uitmaakten van een veel groter supercontinent, maar later afdreven naar hun huidige posities op het aardoppervlak. In zijn boek De oorsprong van continenten en oceanen, merkte Wegener op hoe de kustlijnen van Zuid-Amerika en Afrika als een puzzel in elkaar passen en beschreef hij hoe soortgelijke fossielen in totaal verschillende delen van de wereld opduiken.

Het idee van Wegener stuitte aanvankelijk op scepsis, vooral omdat onderzoekers niet zeker wisten wat de platen zou kunnen hebben bewogen. Een antwoord begon halverwege de 20e eeuw te ontstaan een kaart geproduceerd in 1953 door de Amerikaanse geoloog en cartograaf Marie Tharpe onthulde het bestaan ​​van een mid-oceanische rug die de gehele Atlantische Oceaan overspant en parallel loopt aan de continentale kustlijnen. Met een enorme vallei in het midden, betoogde Tharpe dat dit erop duidde dat de oceaanbodem zich uitbreidde.

Een volledige theorie over de verspreiding van de zeebodem werd vervolgens voorgesteld door de Amerikaanse geoloog Harry Hess in 1962. Hij suggereerde dat oceanische korst voortdurend wordt gevormd op mid-oceanische ruggen, waar gesmolten materiaal uit het binnenste van de aarde naar het oppervlak opwelt als onderdeel van een convectiecel, voordat het stolt tot een nieuwe oceaanbodem. Deze verse korst wordt vervolgens horizontaal in beide richtingen gerangeerd door daaropvolgend opwellend magma.

Ondertussen, waar oceanische platen aan de continenten grenzen, worden oudere delen van de oceanische korst onder de minder dichte continentale korst gedrukt in oceanische loopgraven, en teruggevoerd naar het binnenste van de aarde. In feite draagt ​​de zinkende punt van de plaat ook bij aan de verspreiding van de zeebodem door de rest van de plaat achter zich aan te slepen terwijl deze in de afgrond stort.

[Ingesloten inhoud]

Bewijs voor de verspreiding van de zeebodem kwam in 1963 toen Britse geologen Frederik Vine en Drummond Matthews keek naar metingen van het magnetische veld van de aarde, uitgevoerd door een onderzoeksschip dat over een bergkam in de Indische Oceaan voer. Ze merkten dat het veld niet uniform was, maar dat was het wel afwijkingen die in strepen liepen evenwijdig aan de bergkam – en vrijwel symmetrisch aan weerszijden ervan – over de oceaanbodem. Ze zeiden dat de strepen ontstaan ​​omdat magnetische mineralen in de nieuw gevormde zeebodem de neiging hebben zich uit te lijnen met het magnetische veld van de aarde terwijl het gesteente stolt. Elke keer dat het magnetische veld van de aarde omslaat, worden er nieuwe strepen gevormd – een fenomeen dat zich in de geschiedenis van de aarde vele malen heeft voorgedaan, waarbij de noordpool plotseling de zuidpool werd.

Om een ​​analogie te gebruiken: de bewegende zeebodem lijkt veel op een ouderwetse cassettebandje, waarop elke omkering van het aardmagnetische veld wordt vastgelegd. Elke omkering kan worden gedateerd via fossiele studies en radiometrische tests van basalt dat uit de oceaanbodem is geboord, om de geschiedenis van het magnetische veld in kaart te brengen. Tegenwoordig wordt het bestaan ​​van platentektoniek nu bijna universeel aanvaard.

Maar er is veel minder overeenstemming over het moment waarop de platentektoniek voor het eerst begon. Een deel van het probleem is dat de aarde ongeveer 4.54 miljard jaar geleden is gevormd en dat tegenwoordig vrijwel alle oceanische korst ouder dan 200 miljoen jaar terug in de aarde is gerecycled. Met andere woorden: ons langetermijnarchief van de geschiedenis van de aarde bevindt zich in verborgen rotsformaties op de continenten.

Maar zelfs daar zijn de weinige toegankelijke gesteenten die nog over zijn van de eerste miljard jaar aanzienlijk veranderd door hitte, chemie, fysieke verwering en extreme druk. Daarom weet niemand zeker wanneer de platentektoniek begon, met schattingen variërend van meer dan 4 miljard jaar geleden tot slechts 700 miljoen jaar geleden jaren geleden. Het is een enorme en onbevredigende onzekerheid.

Wat nog merkwaardiger is, is dat het vroegste onbetwiste fossiele bewijs van leven 3.5 tot 3.4 miljard jaar oud is, waarbij tekenen van leven in afzettingsgesteenten erop wijzen dat er mogelijk leven heeft bestaan. 3.95 miljard jaren geleden. Zou het leven dus al honderden miljoenen jaren kunnen ontstaan ​​voordat platentektoniek überhaupt bestond? Omdat er zo weinig originele gesteenten uit deze periode bewaard zijn gebleven, stranden geologen vaak in de sfeer van speculatie.

Zirkonen: tijdcapsules uit het vurige begin van de aarde

Gelukkig beschikken geowetenschappers over een geheim wapen om momentopnamen te maken van de omstandigheden op de vroege aarde. Zeg hallo tegen zirkoon – chemisch stabiele minerale fragmenten (ZrSiO₄) die in verschillende kleuren en geologische omgevingen voorkomen. Het mooie van zirkonen voor geowetenschappers is dat ze grotendeels onaangetast blijven door veranderingen in hun gastgesteente. Ze zijn als een tijdcapsule van die verre periode.

In het bijzonder hebben wetenschappers onlangs onderzoek gedaan oude zirkonen die kristalliseerde in granieten rotsen die tijdens de eerste 600 miljoen jaar van de aarde waren gevormd. Gedurende deze periode, bekend als de Hadeanwas onze planeet een helse plek, waarschijnlijk gehuld in een atmosfeer die rijk was aan koolstofdioxide en die vaak werd gebombardeerd door buitenaardse lichamen. Eén ervan heeft waarschijnlijk de maan geschapen.

Ondanks het ontbreken van een korst lijkt het erop dat zich vast gesteente heeft gevormd, omdat er vandaag de dag nog maar een beperkt aantal overleeft. Er bestaan ​​intacte gesteenten zo oud als 4 miljard jaar Acasta Gneiscomplex van Noordwest-Canada, en de oudst bekende materialen van aardse oorsprong zijn 4.4 miljard jaar oud zirkoonkristallen gevonden in de Jack Hills in Australië (Nature Geoscience 10 457). Ze zijn gehuisvest in veel nieuwere, ‘metasedimentaire’ gesteenten.

In dit nieuwe onderzoek (NATUUR 618 531), bestudeerden onderzoekers Jack Hills-zirkonen uit de periode 3.9-3.3 miljard jaar geleden, evenals zirkonen uit dezelfde periode gevonden in de Barberton Greenstone Belt in Zuid-Afrika. Geleid door Johannes Tarduno van de Universiteit van Rochester in de VS waren de onderzoekers aanvankelijk geïnteresseerd in wat de zirkonen zouden kunnen onthullen over de toestand van het magnetische veld van de aarde in die periode. Pas later beseften ze dat hun bevindingen veel bredere implicaties hadden.

Zirkoonkristallen uit zowel de Australische als de Zuid-Afrikaanse vindplaatsen bleken insluitsels te bevatten van een ijzerrijk mineraal genaamd magnetiet, dat werd gemagnetiseerd door het aardveld op het moment dat ze ontstonden. Hoewel er sindsdien miljarden jaren zijn verstreken, is deze informatie over het oude magnetische veld van de aarde al die tijd opgesloten gebleven in de zirkoonkristallen. Omdat het magnetische veld van de aarde een dipool is – met een veldsterkte die varieert met de breedtegraad – kan het meten van de sterkte van de resterende magnetisatie onder de magnetietinhoud van zirkoon de breedtegraad onthullen waarop het is gevormd.

De volgende uitdaging was het dateren van de zirkoonmonsters. Handig is dat de kristalstructuur van zirkoon ook uranium bevat, dat geleidelijk in een bekende snelheid vervalt tot lood. De onderzoekers konden daarom de leeftijd van het zirkoonkristal berekenen op basis van de verhouding uranium tot lood, die het team van Tarduno heeft gemeten met behulp van een selectieve ionenmicrosonde met hoge resolutie, of GARNALEN.

Als er gedurende de 600 miljoen jaar die in dit onderzoek worden beschreven, plaattektoniek had bestaan, dan zou je verwachten dat de zirkoonkristallen zich op verschillende breedtegraden hebben gevormd terwijl de platen rondbewegen. Dat zou op zijn beurt betekenen dat zirkoonkristallen een reeks magnetisatiesterktes zouden hebben, afhankelijk van hoe oud ze zijn. Tot hun verbazing ontdekten Tarduno en zijn team echter iets heel anders.

Op zowel de Australische als de Zuid-Afrikaanse locatie bleef de magnetisatiesterkte vrijwel constant tussen 3.9 en 3.4 miljard jaar geleden. Dit suggereert dat beide sets zirkonen zich op onveranderlijke breedtegraden vormden. Met andere woorden: de platentektoniek was nog niet begonnen. Een deel van de reden voor deze conclusie, zo leggen de onderzoekers uit, is dat platen gedurende de afgelopen 600 miljoen jaar gemiddeld minstens 8500 km in breedtegraad zijn verschoven. En gedurende de afgelopen periode is er nog nooit een voorbeeld geweest van twee platen die tegelijkertijd op een constante breedtegraad bleven.”

Met andere woorden: de platentektoniek was nog niet begonnen. De onderzoekers concluderen dat de aarde waarschijnlijk een meer rudimentaire verscheidenheid aan tektoniek kende, die nog steeds enige chemische recycling en breuken van vast gesteente aan het aardoppervlak omvatte.

Het cruciale verschil tussen de huidige platentektoniek en deze “stilstaand deksel” vorm van tektoniek is dat deze laatste geen platen omvat die horizontaal over het oppervlak bewegen, waardoor warmte efficiënt vrijkomt. In plaats daarvan zou de aarde een etterende wereld zijn geweest zonder continentale korst, bevolkt door geïsoleerde gebieden met dikke oceanische korst, gescheiden door gebieden met opwellend magma (figuur 1). “Misschien is een stilstaand deksel een ongelukkige naam, omdat mensen denken dat er niets aan de hand is”, zegt Tarduno. ‘Maar wat je wel hebt, zijn pluimen materiaal die naar boven komen en de bodem van deze oorspronkelijke korst en lithosfeer kunnen verwarmen.’

Tegen het einde van de onderzoeksperiode (3.4-3.3 miljard jaar geleden) begint de magnetisatie die wordt waargenomen in de zirkoonkristallen te versterken, wat volgens Tarduno zou kunnen wijzen op het begin van platentektoniek. De reden is dat enorme platen korst die in subductiezones naar het binnenste van de aarde afdalen, ervoor zorgen dat de mantel sneller afkoelt. Dit proces kan op zijn beurt de efficiëntie van de convectie in de buitenste kern versterken, wat resulteert in een sterker geomagnetisch veld.

Een ‘Goudlokje-situatie’ voor het vroege leven?

Als het basisleven al bijna een half miljard jaar vóór de tektoniek aanwezig was, zoals geïmpliceerd door deze studie, roept dit interessante vragen op over hoe het leven zou kunnen overleven in een wereld zonder platentektoniek. Een zwakker magnetisch veld uit deze stagnerende dekselfase zou het aardoppervlak meer hebben blootgesteld aan kosmische straling, waartegen ons huidige sterke veld ons beschermt. Energetische protonen in de zonnewind zouden dan in botsing zijn gekomen met atmosferische deeltjes, waardoor ze worden opgeladen en van energie worden voorzien, zodat ze de ruimte in kunnen ontsnappen – waardoor in principe een hele planeet van zijn water wordt ontdaan.

Maar Tarduno zegt dat zelfs de relatief zwakke magnetische veldsterkte die in dit nieuwe onderzoek werd waargenomen voor enige afscherming zou hebben gezorgd. Hij suggereert zelfs dat deze sluimerende, stagnerende vorm van tektoniek mogelijk een ‘Goudlokje-situatie’ heeft gecreëerd die precies goed zou zijn geweest voor het oorspronkelijke leven, vrij van de dramatische verschuivingen in de omgevingsomstandigheden die kunnen optreden bij volwaardige platentektoniek.

Het is een verleidelijk idee omdat men denkt dat stagnerende dekselvormen van tektoniek veel voorkomen in ons zonnestelsel, en bestaan ​​op Venus, Mercurius en in een minder dynamische vorm op Mars.

Om het onderzoek te ontwikkelen, is het team van Tarduno nu van plan zirkonen van vergelijkbare leeftijd op andere locaties te bestuderen, om een ​​breder scala aan datapunten te verkrijgen. “Onze aanpak verschilt van eerder werk omdat we een indicator van beweging hebben”, zegt hij. “Alle argumenten over platentektoniek uit deze tijd in de geschiedenis van de aarde zijn gebaseerd op geochemie – niet op de belangrijkste indicator van wat platentektoniek is.”

Peter Cawood, een aardwetenschapper aan de Monash University in Australië, die hier niet bij betrokken was NATUUR studie zegt dat een verder begrip van de vroege aarde mogelijk afkomstig is van plaatsen in ons zonnestelsel waarvan de oppervlakken niet herhaaldelijk zijn gerecycled door platentektoniek. “Mars, de maan en meteorieten bieden een uitgebreider verslag van hun vroege geschiedenis”, zegt hij. “Monsters van deze lichamen, en in het bijzonder het potentieel voor monster-terugkeermissies vanaf Mars, kunnen belangrijke nieuwe inzichten opleveren in processen die op de vroege aarde inwerkten.”

Tijdperk of gebeurtenis? Definitie van het Antropoceen

Grote sprongen op dat front kunnen via de Mars Sample Return-missie, gepland voor lancering in 2027. Maar Cawood denkt dat misschien een meer kritische vraag voor de ontwikkeling van het initiële leven is wanneer precies water – een voorwaarde voor leven – voor het eerst op aarde verscheen. “Eerder werk aan de Jack Hills-zirkonen, waarbij gebruik werd gemaakt van zuurstofisotopen, suggereert dat er al minstens 4400 miljoen jaar geleden water is geweest”, zegt hij.

Voor Cawood zou dit onderzoek mogelijk kunnen helpen bij de zoektocht naar leven binnen ons zonnestelsel en daarbuiten – en zelfs bij ons idee van hoe het leven eruit ziet. “Als het leven op aarde zich tijdens deze stagnerende dekselfase ontwikkelde, dan gebeurde dit misschien ook op Mars. Als de aarde in een stagnerende fase was gebleven en het leven was blijven evolueren, zou het er zeker anders uitzien dan de biosfeer die we vandaag hebben. Dus, om Spock in zijn gesprek met Kirk te parafraseren: ‘het is het leven Jim, maar niet zoals wij het kennen’.”

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• ChartPrime. Verhoog uw handelsspel met ChartPrime. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/