Цирконы, тектоника плит и тайна жизни

Земля под нашими ногами может казаться твердой и неподвижной. Но на протяжении всей истории Земли относительно тонкая оболочка, покрывающая нашу планету, неоднократно сжималась, трескалась и менялась под воздействием тектонических сил. Тектоника плит может перемещать континенты, создавать горные хребты и вызывать землетрясения и вулканы, когда сдерживаемая энергия внезапно высвобождается.

Но хотя тектоника может уничтожить жизнь без разбора на местном уровне, она также жизненно важна для поддержания пригодных для жизни условий на всей поверхности Земли. Это связано с тем, что богатые углеродом материалы перерабатываются обратно в недра Земли в «зонах субдукции» — регионах, где одна плита подталкивается под другую — в процессе, который помогает регулировать углеродный цикл. Между тем, водяной пар и газы, выделяющиеся в результате вулканической активности, помогают стабилизировать климат Земли и атмосферные условия.

Нам достаточно взглянуть на ядовитую атмосферу Венеры – с ее плотными облаками из углекислого газа и серной кислоты – чтобы увидеть, что может произойти на каменистой планете без тектоники плит. Вот почему многие учёные-геологи предположили, что тектоника плит должна была существовать к моменту возникновения жизни, в течение первого миллиарда лет истории Земли. По сути, тектоника плит считалась ключевым условием существования жизни.

Но новые данные международной исследовательской группой указывают на то, что жизнь могла предшествовать тектонике плит – и что жизнь могла с некоторым отрывом предшествовать. Если работа верна, наша молодая планета, возможно, пережила длительный период без подвижных плит, при более рудиментарной форме тектоники, известной как «застойная крышка». Такой сценарий, если он подтвердится, изменит наше понимание того, как возникает и выживает жизнь – и потенциально поможет в поиске жизни за пределами нашей планеты.

На шаткой земле

Идея тектоники плит может быть широко принята сегодня, но на протяжении многих лет она вызывала споры. История началась в 1912 году, когда немецкий учёный Альфред Вегенер выдвинул идею «дрейфа континентов». Он предположил, что сегодняшние континенты когда-то были частью гораздо более крупного суперконтинента, но позже переместились на свое нынешнее положение на поверхности Земли. В его книге Происхождение континентов и океановВегенер отметил, что береговые линии Южной Америки и Африки сходятся друг с другом, как мозаика, и описал, как похожие окаменелости обнаруживаются в совершенно разных частях мира.

Идея Вегенера поначалу была встречена со скептицизмом, главным образом потому, что исследователи не были уверены в том, что могло заставить плиты двигаться. Ответ начал появляться в середине 20 века, когда карта, созданная в 1953 год, американский геолог и картограф. Мари Тарп выявило существование срединно-океанического хребта, охватывающего весь Атлантический океан и идущего параллельно континентальному побережью. Тарп утверждал, что наличие огромной долины в центре указывает на расширение дна океана.

Полная теория распространения морского дна. впоследствии было предложено американский геолог Гарри Хесс в 1962 году. Он предположил, что океаническая кора непрерывно формируется на срединно-океанических хребтах, где расплавленный материал из недр Земли поднимается на поверхность в составе конвекционной ячейки, прежде чем он затвердевает и образует новое дно океана. Эта свежая кора затем перемещается горизонтально в обоих направлениях в результате последующего восходящего потока магмы.

Между тем, там, где океанические плиты граничат с континентами, более старые участки океанической коры заталкиваются под менее плотную континентальную кору в океанических желобах и возвращаются обратно в недра Земли. Фактически, тонущий кончик плиты также способствует расширению морского дна, увлекая за собой остальную часть плиты, пока она падает в бездну.

[Встраиваемое содержимое]

Доказательства расширения морского дна появились в 1963 году, когда британские геологи Фредерик Вайн и Драммонд Мэтьюз изучил измерения магнитного поля Земли, сделанные исследовательским кораблем, пересекавшим хребет в Индийском океане. Они заметили, что поле не было однородным, но имело аномалии, которые бежали полосами параллельно хребту – и практически симметрично по обе стороны от него – охватывая дно океана. По их словам, полосы возникают из-за того, что магнитные минералы на вновь формирующемся морском дне имеют тенденцию выравниваться с магнитным полем Земли во время затвердевания породы. Новые полосы образуются каждый раз, когда магнитное поле Земли переворачивается – явление, которое случалось много раз в истории Земли, когда северный полюс внезапно становился южным полюсом.

Если использовать аналогию, движущееся морское дно похоже на старомодную кассету, записывающую каждое изменение геомагнитного поля. Каждый разворот можно датировать с помощью исследований окаменелостей и радиометрических испытаний базальтов, пробуренных со дна океана, чтобы составить карту истории магнитного поля. В наши дни существование тектоники плит признано почти повсеместно.

Но гораздо меньше согласия относительно того, когда впервые началась тектоника плит. Частично проблема заключается в том, что Земля образовалась примерно 4.54 миллиарда лет назад, и сегодня практически вся океаническая кора возрастом более 200 миллионов лет вернулась обратно в Землю. Другими словами, наш долгосрочный архив истории Земли содержится в скрытых скальных образованиях на континентах.

Но даже там те немногие доступные породы, которые остались от первого миллиарда лет, были значительно изменены жарой, химией, физическим выветриванием и экстремальным давлением. Вот почему никто не знает наверняка, когда началась тектоника плит, а оценки варьируются от более чем 4 миллиарда лет назад до всего 700 миллионов много лет назад. Это огромная и неудовлетворительная неопределенность.

Что еще более любопытно, так это то, что самые ранние неоспоримые ископаемые свидетельства жизни датируются 3.5–3.4 миллиарда лет назад, а признаки жизни в осадочных породах указывают на то, что жизнь могла существовать. 3.95 млрд штук. много лет назад. Так могла ли жизнь возникнуть за сотни миллионов лет до того, как тектоника плит вообще стала реальностью? Поскольку от этого периода сохранилось так мало оригинальных пород, геологи часто застревают в сфере спекуляций.

Цирконы: капсулы времени из огненного начала Земли

К счастью, у геологов есть секретное оружие, позволяющее получать снимки условий на ранней Земле. Поздороваться с цирконы – химически стабильные минеральные фрагменты (ZrSiO₄), которые встречаются в самых разных цветах и ​​геологических условиях. Прелесть цирконов для геологов в том, что на них практически не влияют изменения вмещающей породы. Они словно капсула времени того далекого периода.

В частности, в последнее время ученые изучают древние цирконы который кристаллизовался в гранитных породах, образовавшихся в течение первых 600 миллионов лет существования Земли. В этот период, известный как Гадейский эонНаша планета была адским местом, вероятно, окутанным атмосферой, богатой углекислым газом, и часто бомбардируемой инопланетными телами. Один из них, вероятно, создал Луну.

Однако, несмотря на отсутствие коры, похоже, что формировались твердые породы, поскольку сегодня сохранилось ограниченное их количество. На Земле существуют нетронутые породы возрастом около 4 миллиардов лет. Комплекс Акаста-Гнейс на северо-западе Канады, а возраст самых старых известных материалов земного происхождения составляет 4.4 миллиарда лет. Кристаллы циркона, найденные в Джек-Хиллз в Австралии. (Nature Geoscience 10 457). Они расположены в гораздо более новых, «метаосадочных» породах.

В этом новом исследовании (природа 618 531), исследователи изучили цирконы Джек-Хиллз, охватывающие период 3.9–3.3 миллиарда лет назад, а также цирконы того же периода, найденные в Зеленокаменном поясе Барбертон в Южной Африке. Под руководством Джон Тардуно Исследователи из Университета Рочестера в США изначально интересовались тем, что цирконы могли рассказать о состоянии магнитного поля Земли в тот период. Лишь позже они поняли, что их выводы имеют гораздо более широкое значение.

Было обнаружено, что кристаллы циркона как из австралийских, так и из южноафриканских месторождений содержат включения богатого железом минерала, называемого магнетитом, который намагничивался полем Земли в момент своего формирования. Хотя с тех пор прошли миллиарды лет, информация о древнем магнитном поле Земли все это время оставалась запертой в кристаллах циркона. Фактически, поскольку магнитное поле Земли представляет собой диполь, напряженность которого меняется в зависимости от широты, измерение силы остаточной намагниченности среди магнетита, содержащегося в цирконе, может определить широту, на которой он сформировался.

Следующей задачей было датировать образцы циркона. Удобно, что в кристаллическую структуру циркона также входит уран, который постепенно распадается на свинец с известной скоростью. Таким образом, исследователи смогли определить возраст кристалла циркона по соотношению урана и свинца, которое команда Тардуно измерила с помощью селективный ионный микрозонд высокого разрешения, или КРЕВЕТКИ.

Если бы тектоника плит существовала в течение 600 миллионов лет, охваченных этим исследованием, то можно было бы ожидать, что кристаллы циркона образовались на разных широтах по мере движения плит. Это, в свою очередь, будет означать, что кристаллы циркона будут иметь диапазон силы намагничивания в зависимости от того, сколько им лет. Однако, к своему удивлению, Тардуно и его команда обнаружили нечто совершенно иное.

И на австралийских, и на южноафриканских участках сила намагничивания оставалась почти постоянной между 3.9 и 3.4 миллиарда лет назад. Это позволяет предположить, что оба набора цирконов формировались на неизменных широтах. Другими словами, тектоника плит еще не началась. Отчасти причина этого вывода, как объясняют исследователи, заключается в том, что в среднем за последние 600 миллионов лет плиты переместились по меньшей мере на 8500 км по широте. И за последнее время никогда не было примера, чтобы две плиты одновременно оставались на постоянной широте».

Другими словами, тектоника плит еще не началась. Исследователи приходят к выводу, что на Земле, вероятно, существовала более рудиментарная разновидность тектоники, которая все еще включала некоторую химическую переработку и разрушение твердых пород на поверхности Земли.

Решающее различие между сегодняшней тектоникой плит и нынешней «застойная крышка» Форма тектоники заключается в том, что в последнюю не входят плиты, движущиеся горизонтально по поверхности, что позволяет эффективно выделять тепло. Вместо этого Земля была бы гноящимся миром без континентальной коры, населенным изолированными областями толстой океанической коры, разделенными областями восходящей магмы (рис. 1). «Возможно, застойное веко — неудачное название, поскольку люди могут подумать, что ничего не происходит», — говорит Тардуно. «Но то, что у вас действительно есть, — это поднимающиеся шлейфы материала, которые могут нагревать дно этой первичной коры и литосферы».

К концу периода исследования (3.4–3.3 миллиарда лет назад) намагниченность, наблюдаемая в кристаллах циркона, начинает усиливаться, что, по мнению Тардуно, может указывать на начало тектоники плит. Причина в том, что огромные плиты земной коры, опускающиеся в недра Земли в зонах субдукции, приводят к более быстрому охлаждению мантии. В свою очередь, этот процесс может повысить эффективность конвекции во внешнем ядре, что приведет к усилению геомагнитного поля.

«Ситуация Златовласки» в молодости?

Если основная жизнь уже существовала почти за полмиллиарда лет до тектоники, как следует из этого исследования, это поднимает интересные вопросы о том, как жизнь могла бы выжить в мире, где нет тектонических плит. Более слабое магнитное поле из этой фазы застойной крышки сделало бы поверхность Земли более подверженной космическому излучению, от которого нас защищает нынешнее сильное поле. Энергичные протоны солнечного ветра затем столкнулись бы с атмосферными частицами, зарядив их и наполнив энергией, чтобы они могли уйти в космос – в принципе, лишив всю планету воды.

Но Тардуно говорит, что даже относительно слабая напряженность магнитного поля, наблюдаемая в этом новом исследовании, обеспечила бы некоторую защиту. Фактически, он предполагает, что эта кипящая, застойная форма тектоники, возможно, создала «ситуацию Златовласки», которая была бы идеальной для первобытной жизни, свободной от резких сдвигов в условиях окружающей среды, которые могут произойти при полноценной тектонике плит.

Это заманчивая идея, поскольку считается, что застойные формы тектоники крышки распространены по всей нашей Солнечной системе, существуют на Венере, Меркурии и в менее динамичной форме на Марсе.

Для развития исследования команда Тардуно теперь планирует изучить цирконы аналогичного возраста из других мест, чтобы получить более широкий диапазон данных. «Наш подход отличается от предыдущей работы, потому что у нас есть индикатор движения», — говорит он. «Все аргументы о тектонике плит этого периода в истории Земли основывались на геохимии, а не на главном индикаторе того, что такое тектоника плит».

Питер Кавуд, учёный-землевед из Университета Монаша в Австралии, который не участвовал в этом природа В исследовании говорится, что дальнейшее понимание ранней Земли может прийти из мест в нашей Солнечной системе, поверхности которых не подвергались неоднократной переработке в результате тектоники плит. «Марс, Луна и метеориты предоставляют более обширную информацию об их ранней истории», — говорит он. «Образцы из этих тел и, в частности, потенциальные возможности миссий по возврату образцов с Марса могут дать важное новое понимание процессов, которые действовали на ранней Земле».

Эпоха или событие? Определение антропоцена

Гигантские скачки на этом фронте могут произойти благодаря Миссия по возвращению образцов с Марса, запуск которого запланирован на 2027 год. Но Кавуд считает, что, возможно, более важным вопросом для развития первоначальной жизни является то, когда именно вода – необходимое условие жизни – впервые появилась на Земле. «Предыдущие исследования цирконов Джек-Хиллз с использованием изотопов кислорода предполагают, что вода существовала по крайней мере 4400 миллионов лет назад», — говорит он.

По мнению Кавуда, это исследование потенциально может помочь в поиске жизни в нашей Солнечной системе и за ее пределами – и даже в нашем представлении о том, как выглядит жизнь. «Если жизнь на Земле развивалась во время этой фазы застойной крышки, то, возможно, то же самое произошло и на Марсе. Если бы Земля оставалась в фазе застойной крышки и жизнь продолжала развиваться, она бы, конечно, выглядела иначе, чем та биосфера, которую мы имеем сегодня. Итак, перефразируя разговор Спока с Кирком: «Это жизнь, Джим, но не такая, какой мы ее знаем».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• ЧартПрайм. Улучшите свою торговую игру с ChartPrime. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/