Zirconii, tectonica plăcilor și misterul vieții – Lumea Fizicii

Pământul de sub picioarele noastre poate părea solid și staționar. Dar de-a lungul istoriei Pământului, furnirul relativ subțire care acoperă planeta noastră a fost în mod repetat stors, crăpat și resculpat de forțele tectonice. Tectonica plăcilor poate muta continente, construi lanțuri muntoase și poate declanșa cutremure și vulcani atunci când energia reținută este eliberată brusc.

Dar, în timp ce tectonica poate distruge viața fără discernământ la nivel local, este, de asemenea, vitală pentru menținerea condițiilor de locuit pe suprafața Pământului. Acest lucru se datorează faptului că materialele bogate în carbon sunt reciclate înapoi în interiorul Pământului în „zonele de subducție” – regiuni în care o placă este împinsă sub alta – într-un proces care ajută la reglarea ciclului carbonului. Între timp, vaporii de apă și gazele eliberate prin activitatea vulcanică ajută la stabilizarea condițiilor climatice și atmosferice ale Pământului.

Trebuie doar să ne uităm la atmosfera nocivă a lui Venus – cu norii săi denși de dioxid de carbon și acid sulfuric – pentru a vedea ce se poate întâmpla pe o planetă stâncoasă fără plăci tectonice. De aceea, mulți geoștiinți au presupus că tectonica plăcilor trebuie să fi existat până în momentul în care a apărut viața, în timpul primului miliard de ani din istoria Pământului. Tectonica plăcilor, în esență, a fost considerată o condiție prealabilă cheie pentru viață.

dar noi descoperiri de către o echipă internațională de cercetare indică faptul că viața ar fi putut preceda tectonica plăcilor – și că viața ar fi putut veni pe primul loc cu o anumită marjă. Dacă munca este adevărată, tânăra noastră planetă ar fi experimentat o perioadă prelungită fără plăci mobile, sub o formă mai rudimentară de tectonică cunoscută sub numele de „capac stagnant”. Un astfel de scenariu, dacă ar fi confirmat, ne-ar transforma înțelegerea modului în care viața apare și supraviețuiește – și ar ajuta potențial în căutarea vieții dincolo de planeta noastră.

Pe un teren cutremurător

Noțiunea de tectonice a plăcilor poate fi acceptată pe scară largă astăzi, dar a fost controversată timp de mulți ani. Povestea a început în 1912, când savantul german alfred wegener a propus ideea de „derire continentală”. El a sugerat că continentele de astăzi au făcut odată parte dintr-un supercontinent mult mai mare, dar mai târziu s-au îndreptat către pozițiile lor actuale pe suprafața Pământului. În cartea lui Originea continentelor și oceanelor, Wegener a remarcat faimos cum liniile de coastă din America de Sud și Africa se potrivesc ca un puzzle și a descris cum apar fosile similare în părți complet diferite ale lumii.

Ideea lui Wegener a fost primită inițial cu scepticism, în principal pentru că cercetătorii nu erau siguri ce ar fi putut face plăcile să se miște. Un răspuns a început să apară la mijlocul secolului al XX-lea când o hartă produsă în 1953 de către geologul și cartograful american Marie Tharpe a dezvăluit existența unei creste oceanice care se întinde pe întreg Oceanul Atlantic și se întinde paralel cu coastele continentale. Având o vale uriașă în centrul său, Tharpe a susținut că acest lucru a indicat că fundul oceanului se extinde.

O teorie completă pentru răspândirea fundului mării a fost propus ulterior de geolog american Harry Hess în 1962. El a sugerat că crusta oceanică se formează continuu pe crestele oceanice, unde materialul topit din interiorul Pământului ajunge la suprafață ca parte a unei celule de convecție, înainte de a se solidifica într-un nou fund oceanic. Această crustă proaspătă este apoi deviată orizontal în ambele direcții de magma ulterioară în avânt.

Între timp, acolo unde plăcile oceanice se învecinează cu continentele, secțiunile mai vechi ale scoarței oceanice sunt împinse sub crusta continentală mai puțin densă în tranșeele oceanice și reciclate înapoi în interiorul Pământului. De fapt, vârful scufundat al plăcii contribuie, de asemenea, la răspândirea fundului mării, trăgând restul plăcii în spate, în timp ce aceasta se prăbușește în abis.

[Conținutul încorporat]

Dovezile pentru răspândirea fundului mării au ajuns în 1963, când geologii britanici Frederick Vine și Drummond Matthews a analizat măsurătorile câmpului magnetic al Pământului efectuate de o navă de cercetare care călătorește pe o creastă din Oceanul Indian. Au observat că câmpul nu era uniform, dar avea anomalii care curgeau în dungi paralel cu creasta – și practic simetric pe ambele părți ale acesteia – care se întinde pe fundul oceanului. Ei au spus că dungile apar deoarece mineralele magnetice din fundul mării nou formate tind să se alinieze cu câmpul magnetic al Pământului în timp ce roca se solidifică. Noi dungi se formează de fiecare dată când câmpul magnetic al Pământului se răstoarnă – un fenomen care a avut loc de mai multe ori în timpul istoriei Pământului, când polul nord devine brusc polul sud.

Pentru a folosi o analogie, fundul mării în mișcare este mai degrabă ca o casetă de modă veche, înregistrând fiecare inversare a câmpului geomagnetic. Fiecare inversare poate fi datată prin studii de fosile și teste radiometrice ale bazalților forați de pe fundul oceanului, pentru a prezenta o istorie a câmpului magnetic. În zilele noastre, existența plăcilor tectonice este acum aproape universal acceptată.

Dar există mult mai puțin acord cu privire la momentul în care a început tectonica plăcilor. O parte a problemei este că Pământul s-a format cu aproximativ 4.54 miliarde de ani în urmă, iar astăzi aproape toată crusta oceanică mai veche de 200 de milioane de ani a fost reciclată înapoi în Pământ. Arhiva noastră pe termen lung a istoriei Pământului este, cu alte cuvinte, conținută în formațiuni de rocă ascunse de pe continente.

Dar chiar și acolo, puținele roci accesibile care rămân din primul miliard de ani au fost modificate semnificativ de căldură, chimie, intemperii fizice și presiunile extreme. De aceea, nimeni nu este sigur când a început tectonica plăcilor, cu estimări variind de la mai mult de Acum 4 miliarde de ani la doar 700 de milioane cu ani în urmă. Este o incertitudine imensă și nesatisfăcătoare.

Ceea ce este mai curios este că cele mai vechi dovezi fosile incontestabile ale vieții datează de 3.5-3.4 miliarde de ani, cu semnături ale vieții în rocile sedimentare indicând că viața ar fi putut exista. 3.95 miliarde cu ani în urmă. Deci viața ar fi putut apărea cu sute de milioane de ani înainte ca tectonica plăcilor să fie chiar un lucru? Cu atât de puține roci originale care au supraviețuit din această perioadă, geologii sunt adesea blocați în tărâmurile speculațiilor.

Zirconii: capsule ale timpului de la începuturile de foc ale Pământului

Din fericire, oamenii de știință au o armă secretă pentru a obține instantanee ale condițiilor de pe Pământul timpuriu. Salută-l pe zirconii – fragmente minerale stabile chimic (ZrSiO₄) care se găsesc într-o varietate de culori și setări geologice. Frumusețea zirconilor pentru oamenii de știință este că ei rămân în mare parte neafectați de schimbările din roca gazdă. Sunt ca o capsulă a timpului a acelei perioade îndepărtate.

În special, oamenii de știință au studiat recent zirconii antici care s-a cristalizat în roci de granit formate în primii 600 de milioane de ani ai Pământului. În această perioadă, cunoscută sub numele de eon Hadean, planeta noastră era un loc infernal, probabil învăluit într-o atmosferă bogată în dioxid de carbon și bombardată frecvent de corpuri extraterestre. Unul dintre ei a creat probabil Luna.

Cu toate acestea, în ciuda lipsei unei cruste, se pare că roci solide trebuie să se fi format, deoarece un număr limitat supraviețuiește astăzi. Roci intacte vechi de 4 miliarde de ani există în Complexul Gneisului Acasta din nord-vestul Canadei, iar cele mai vechi materiale cunoscute de origine Pământului sunt vechi de 4.4 miliarde de ani cristale de zircon găsite în Jack Hills din Australia (Natura Geoscience 10 457). Sunt adăpostite în roci mult mai noi, „meta-sedimentare”.

În această nouă cercetare (Natură 618 531), cercetătorii au studiat zirconii Jack Hills care acoperă perioada de acum 3.9-3.3 miliarde de ani, precum și zirconii din aceeași perioadă găsite în centura Barberton Greenstone din Africa de Sud. Condus de John Tarduno de la Universitatea din Rochester din SUA, cercetătorii au fost inițial interesați de ceea ce ar putea dezvălui zirconii despre starea câmpului magnetic al Pământului în acea perioadă. Abia mai târziu și-au dat seama că descoperirile lor aveau implicații mult mai largi.

S-a descoperit că cristalele de zircon din ambele situri din Australia și Africa de Sud conțin incluziuni ale unui mineral bogat în fier numit magnetit, care au fost magnetizate de câmpul Pământului în momentul în care s-au format. Chiar dacă au trecut miliarde de ani de atunci, aceste informații despre câmpul magnetic antic al Pământului au rămas blocate în cristalele de zircon în tot acest timp. De fapt, deoarece câmpul magnetic al Pământului este un dipol – cu o intensitate a câmpului care variază în funcție de latitudine – măsurarea puterii magnetizării restului din conținutul de magnetită al zirconului poate dezvălui latitudinea la care s-a format.

Următoarea provocare a fost datarea probelor de zircon. În mod convenabil, structura cristalină a zirconului încorporează și uraniu, care se descompune treptat în plumb la o rată cunoscută. Prin urmare, cercetătorii au putut determina vârsta cristalului de zircon din raportul dintre uraniu și plumb, pe care echipa lui Tarduno l-a măsurat folosind un microsondă ionică selectivă de înaltă rezoluție, sau CREVEȚI.

Dacă tectonica plăcilor ar fi existat în cei 600 de milioane de ani acoperiți în acest studiu, atunci te-ai aștepta ca cristalele de zircon să se fi format la o varietate de latitudini pe măsură ce plăcile se mișcă. Aceasta, la rândul său, ar însemna că cristalele de zircon ar avea o gamă de puteri de magnetizare în funcție de cât de vechi sunt. Spre surprinderea lor, însă, Tarduno și echipa au descoperit ceva foarte diferit.

Atât în ​​cele din Australia, cât și în cele din Africa de Sud, puterea de magnetizare a rămas aproape constantă între 3.9 și 3.4 miliarde de ani în urmă. Acest lucru sugerează că ambele seturi de zirconi se formau la latitudini neschimbate. Cu alte cuvinte, tectonica plăcilor încă nu începuse. O parte din motivul acestei concluzii, explică cercetătorii, este că, în medie, plăcile în ultimii 600 de milioane de ani s-au deplasat cu cel puțin 8500 km în latitudine. Și în această perioadă recentă, nu a existat niciodată un exemplu de două plăci care rămân la latitudine constantă simultan.”

Cu alte cuvinte, tectonica plăcilor încă nu începuse. Cercetătorii au ajuns la concluzia că Pământul a avut probabil o varietate mai rudimentară de tectonice, care încă includea o anumită reciclare chimică și fracturarea rocii solide de la suprafața Pământului.

Diferența crucială dintre tectonica plăcilor de astăzi și aceasta „capac stagnant” forma tectonicei este că aceasta din urmă nu include plăci care se deplasează orizontal pe suprafață, ceea ce permite eliberarea eficientă a căldurii. În schimb, Pământul ar fi fost o lume purulentă, fără crustă continentală, populată de regiuni izolate de crustă oceanică groasă, separate de zone de magmă în creștere (figura 1). „Poate că capacul stagnant este un nume nefericit, deoarece oamenii ar putea crede că nu se întâmplă nimic”, spune Tarduno. „Dar ceea ce aveți sunt penele de material care ies în sus, care pot încălzi fundul acestei cruste și litosferei primordiale.”

Spre sfârșitul perioadei de studiu (acum 3.4–3.3 miliarde de ani), magnetizarea observată în cristalele de zircon începe să se întărească, ceea ce Tarduno sugerează că ar putea indica debutul tectonicii plăcilor. Motivul este că plăcile uriașe de crustă care coboară în interiorul Pământului în zonele de subducție au ca rezultat răcirea mai rapidă a mantalei. La rândul său, acest proces poate întări eficiența convecției în miezul exterior - rezultând un câmp geomagnetic mai puternic.

O „situație cu bucăți de aur” pentru viața timpurie?

Dacă viața de bază ar fi deja prezentă cu aproape jumătate de miliard de ani înainte de tectonică, așa cum sugerează acest studiu, aceasta ridică întrebări interesante despre cum ar putea supraviețui viața într-o lume fără plăci tectonice. Un câmp magnetic mai slab din această fază cu capac stagnant ar fi lăsat suprafața Pământului mai expusă la radiațiile cosmice, de care ne protejează câmpul nostru puternic actual. Protonii energetici din vântul solar s-ar fi ciocnit apoi cu particulele atmosferice, încărcându-le și energizându-le astfel încât să poată scăpa în spațiu – în principiu, dezbrăcând o întreagă planetă de apă.

Dar Tarduno spune că chiar și intensitatea relativ slabă a câmpului magnetic observată în acest nou studiu ar fi oferit o anumită protecție. De fapt, el sugerează că această formă de tectonică fierbinte, stagnantă, ar fi creat o „situație de bucăți de aur” care ar fi fost potrivită pentru viața primordială, lipsită de schimbările dramatice ale condițiilor de mediu care pot apărea în tectonica plăcilor cu drepturi depline.

Este o idee tentantă, deoarece se crede că formele tectonice stagnante ale capacului sunt comune în întreg sistemul nostru solar, existent pe Venus, Mercur și într-o formă mai puțin dinamică pe Marte.

Pentru a dezvolta cercetarea, echipa lui Tarduno intenționează acum să studieze zirconii de vârste similare din alte locații, pentru a oferi o gamă mai largă de puncte de date. „Abordarea noastră este diferită de munca anterioară, deoarece avem un indicator al mișcării”, spune el. „Toate argumentele despre tectonica plăcilor din această perioadă din istoria Pământului s-au bazat pe geochimie – nu pe indicatorul principal al ceea ce este tectonica plăcilor.”

Peter Cawood, un om de știință a pământului de la Universitatea Monash din Australia, care nu a fost implicat în acest lucru Natură studiul, spune că o înțelegere suplimentară a Pământului timpuriu poate veni din locuri din sistemul nostru solar ale căror suprafețe nu au fost reciclate în mod repetat de tectonica plăcilor. „Marte, Luna și meteoriții oferă o înregistrare mai extinsă a istoriei lor timpurii”, spune el. „Eșantioanele din aceste corpuri, și în special potențialul pentru misiuni de returnare a probelor de pe Marte, pot oferi noi perspective importante asupra proceselor care au acționat pe Pământul timpuriu.”

Epocă sau eveniment? Definirea Antropocenului

Salturi uriașe pe acest front pot avea loc prin intermediul Misiunea de returnare a probei pe Marte, programat să fie lansat în 2027. Dar Cawood consideră că poate o întrebare mai critică pentru dezvoltarea vieții inițiale este când exact apa – o condiție prealabilă pentru viață – a apărut pentru prima dată pe Pământ. „Lucrările anterioare asupra zirconilor Jack Hills, folosind izotopi de oxigen, sugerează că a existat apă de acum cel puțin 4400 de milioane de ani”, spune el.

Pentru Cawood, această cercetare ar putea ajuta potențial la căutarea vieții în sistemul nostru solar și dincolo de acesta – și chiar la conceptul nostru despre cum arată viața. „Dacă viața pe Pământ s-a dezvoltat în timpul acestei faze de stagnare a capacului, atunci poate că acest lucru s-a întâmplat și pe Marte. Dacă Pământul ar fi rămas într-o fază stagnantă și viața ar fi continuat să evolueze, cu siguranță ar arăta diferit de biosfera pe care o avem astăzi. Deci, pentru a-l parafraza pe Spock vorbind cu Kirk – „este viața Jim, dar nu așa cum o știm noi”.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• ChartPrime. Crește-ți jocul de tranzacționare cu ChartPrime. Accesați Aici.
• BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/