Циркони, тектоніка плит і таємниця життя – Physics World

Грунт під нашими ногами може здаватися твердим і нерухомим. Але протягом історії Землі відносно тонкий шпон, що вкриває нашу планету, неодноразово стискався, тріскався та відроджувався тектонічними силами. Тектоніка плит може рухати континенти, будувати гірські хребти та викликати землетруси та вулкани, коли накопичена енергія раптово вивільняється.

Але хоча тектоніка може знищити життя без розбору на місцевому рівні, вона також життєво важлива для підтримки умов, придатних для життя на поверхні Землі. Це тому, що багаті вуглецем матеріали переробляються назад у надра Землі в «зонах субдукції» – регіонах, де одна пластина підштовхується під іншу – у процесі, який допомагає регулювати цикл вуглецю. Тим часом водяна пара та гази, що вивільняються внаслідок вулканічної діяльності, допомагають стабілізувати клімат та атмосферні умови Землі.

Нам потрібно лише поглянути на шкідливу атмосферу Венери з її щільними хмарами вуглекислого газу та сірчаної кислоти, щоб побачити, що може статися на кам’янистій планеті без тектоніки плит. Ось чому багато вчених-геологів припустили, що тектоніка плит повинна була існувати до того часу, як виникло життя, протягом першого мільярда років історії Землі. Тектоніка плит, по суті, вважалася ключовою передумовою життя.

але нові висновки міжнародною дослідницькою групою вказують на те, що життя могло передувати тектоніці плит – і що життя могло виникнути першим з певним відривом. Якщо робота відповідає дійсності, наша молода планета, можливо, пережила тривалий період без рухомих плит під більш рудиментарною формою тектоніки, відомою як «застійна кришка». Такий секретар, якщо він буде підтверджений, змінить наше розуміння того, як виникає та виживає життя, і потенційно допоможе в пошуку життя за межами нашої планети.

На хиткому грунті

Поняття тектоніки плит сьогодні може бути широко прийнятим, але багато років воно було суперечливим. Історія почалася в 1912 році, коли німецький учений Альфред Вегенера висунув ідею «дрейфу материків». Він припустив, що сучасні континенти колись були частиною набагато більшого суперконтиненту, але пізніше перемістилися на свої нинішні позиції на поверхні Землі. У своїй книзі Походження материків і океанів, Вегенер відзначив, як берегові лінії Південної Америки та Африки з’єднуються, як мозаїка, і описав, як схожі скам’янілості з’являються в абсолютно різних частинах світу.

Спочатку ідея Вегенера була сприйнята скептично, головним чином через те, що дослідники не були впевнені, що могло змусити пластини рухатися. Відповідь почала з’являтися в середині 20 століття, коли карта, виготовлена ​​в 1953 геологом і картографом США Марі Тарп виявили існування серединно-океанічного хребта, що охоплює весь Атлантичний океан і йде паралельно континентальним узбережжям. Тарп стверджував, що, показуючи величезну долину в її центрі, це свідчить про те, що дно океану розширюється.

Повна теорія поширення морського дна згодом було запропоновано американським геологом Гаррі Гесс у 1962 році. Він припустив, що океанічна кора безперервно утворюється на серединно-океанічних хребтах, де розплавлений матеріал із надр Землі спливає на поверхню як частина конвекційної клітини, перш ніж затвердіти в новому дні океану. Ця свіжа кора потім шунтується горизонтально в обох напрямках наступною висхідною магмою.

Тим часом там, де океанічні плити межують з континентами, старіші ділянки океанічної кори просовуються під менш щільну континентальну кору в океанічних жолобах і повертаються назад у надра Землі. Фактично, верхівка плити, що тоне, також сприяє розповсюдженню морського дна, тягнучи за собою решту плити, коли вона падає в безодню.

[Вбудоване вміст]

Докази поширення морського дна надійшли в 1963 році, коли британські геологи Фредерік Вайн та Драммонд Метьюз дивився на вимірювання магнітного поля Землі, зроблені дослідницьким кораблем, що подорожував через хребет в Індійському океані. Вони помітили, що поле не однорідне, але мало аномалії, які йшли смугами паралельно хребту – і практично симетрично по обидві сторони від нього – охоплюючи дно океану. Вони сказали, що смуги виникають через те, що магнітні мінерали в новоутвореному морському дні мають тенденцію вирівнюватися з магнітним полем Землі, поки порода застигає. Нові смуги утворюються кожного разу, коли магнітне поле Землі змінюється – явище, яке траплялося багато разів протягом історії Землі, коли північний полюс раптово стає південним.

Якщо використовувати аналогію, то рухоме морське дно схоже на старомодну касету, яка записує кожне змінення геомагнітного поля. Кожне розворот можна датувати за допомогою досліджень скам’янілостей і радіометричного тестування базальтів, вибурених з дна океану, щоб скласти історію магнітного поля. Сьогодні майже повсюдно визнано існування тектоніки плит.

Але існує набагато менше згоди щодо того, коли вперше почалася тектоніка плит. Частково проблема полягає в тому, що Земля утворилася приблизно 4.54 мільярда років тому, і сьогодні практично вся океанічна кора старше 200 мільйонів років була перероблена назад у Землю. Наш довгостроковий архів історії Землі, іншими словами, міститься в прихованих скельних утвореннях на континентах.

Але навіть там кілька доступних порід, які залишилися з першого мільярда років, були суттєво змінені спекою, хімією, фізичним вивітрюванням і екстремальним тиском. Ось чому ніхто не впевнений, коли почалася тектоніка плит, оцінки коливаються від більш ніж 4 мільярди років тому до лише 700 мільйонів багато років тому. Це величезна і незадовільна невизначеність.

Більш цікавим є те, що найдавніші незаперечні викопні рештки життя датуються 3.5–3.4 мільярдами років тому ознаки життя в осадових породах вказують на те, що життя могло існувати 3.95 млрд штук. багато років тому. Тож чи могло життя виникнути за сотні мільйонів років до того, як тектоніка плит взагалі була річчю? З огляду на те, що з цього періоду збереглося так мало оригінальних порід, геологи часто опиняються у сфері спекуляцій.

Циркони: капсули часу з полум’яних початків Землі

На щастя, геологи мають секретну зброю, щоб отримати знімки умов ранньої Землі. передай привіт циркони – хімічно стійкі фрагменти мінералів (ZrSiO₄), які зустрічаються в різних кольорах і геологічних умовах. Краса цирконів для геофізиків полягає в тому, що на них майже не впливають зміни у вміщуючій породі. Вони як капсула часу того далекого періоду.

Зокрема, нещодавно досліджували вчені стародавні циркони які кристалізувалися в гранітних породах, утворених протягом перших 600 мільйонів років існування Землі. У цей період, відомий як Гадеанський еон, наша планета була пекельним місцем, ймовірно оповита атмосферою, багатою вуглекислим газом, і часто піддавалася бомбардуванню позаземними тілами. Ймовірно, один із них створив Місяць.

Однак, незважаючи на відсутність кори, схоже, що тверді породи повинні були формуватися, оскільки обмежена їх кількість збереглася сьогодні. Тут існують незаймані гірські породи віком 4 мільярди років Комплекс Акаста Гнейс на північному заході Канади, а найстарішим відомим матеріалам земного походження 4.4 мільярда років кристали циркону, знайдені в Джек-Хіллс в Австралії (Nature Geoscience 10 457). Вони розміщені в набагато новіших, «метаосадових» породах.

У цьому новому дослідженні (природа 618 531), дослідники досліджували циркони Джека Хіллза, що охоплюють період 3.9–3.3 мільярда років тому, а також циркони того ж періоду, знайдені в Грінстоунському поясі Барбертон у Південній Африці. На чолі з Джон Тардуно з Університету Рочестера в США дослідників спочатку цікавило те, що циркони можуть розповісти про стан магнітного поля Землі в той період. Лише пізніше вони зрозуміли, що їхні висновки мають набагато ширші наслідки.

Було виявлено, що кристали циркону з австралійських і південноафриканських місць містять включення багатого на залізо мінералу під назвою магнетит, які були намагнічені полем Землі під час їх формування. Незважаючи на те, що з тих пір минули мільярди років, ця інформація про давнє магнітне поле Землі весь цей час залишалася замкненою в кристалах циркону. Насправді, оскільки магнітне поле Землі є диполем, напруженість поля якого змінюється залежно від широти, вимірювання сили залишкової намагніченості серед вмісту магнетиту циркону може виявити широту, на якій він утворився.

Наступним завданням було датування зразків циркону. Зручно, кристалічна структура циркону також включає уран, який поступово розпадається на свинець із відомою швидкістю. Таким чином, дослідники могли визначити вік кристала циркону за співвідношенням урану та свинцю, яке команда Тардуно виміряла за допомогою селективний іонний мікрозонд високої роздільної здатності, або КРЕВЕТКИ.

Якби тектоніка плит існувала протягом 600 мільйонів років, охоплених цим дослідженням, тоді можна було б очікувати, що кристали циркону утворилися на різних широтах, коли плити рухалися. Це, у свою чергу, означатиме, що кристали циркону матимуть діапазон намагніченості залежно від того, скільки їм років. Однак, на свій подив, Тардуно та команда виявили щось зовсім інше.

Як в Австралії, так і в Південній Африці сила намагніченості залишалася майже постійною між 3.9 і 3.4 мільярдами років тому. Це свідчить про те, що обидва набори цирконів утворювалися на незмінних широтах. Іншими словами, тектоніка плит ще не почалася. Частково причиною такого висновку, пояснюють дослідники, є те, що в середньому плити за останні 600 мільйонів років перемістилися щонайменше на 8500 км по широті. І протягом цього останнього періоду ніколи не було прикладу, щоб дві плити залишалися на постійній широті одночасно».

Іншими словами, тектоніка плит ще не почалася. Дослідники прийшли до висновку, що Земля, ймовірно, мала більш рудиментарний різновид тектоніки, яка все ще включала деяку хімічну переробку та руйнування твердих порід на поверхні Землі.

Вирішальна відмінність між сучасною тектонікою плит і цією «застійна кришка» Форма тектоніки полягає в тому, що остання не включає плити, які рухаються горизонтально поверхнею, що дозволяє ефективно виділяти тепло. Натомість Земля була б гнилим світом без континентальної кори, населеною ізольованими регіонами товстої океанічної кори, розділеними ділянками висхідної магми (рис. 1). «Можливо, застійна кришка — це невдала назва, оскільки люди можуть подумати, що нічого не відбувається», — каже Тардуно. «Але те, що ви маєте, — це шлейфи матеріалу, що піднімається, який може нагріти дно цієї первісної кори та літосфери».

Ближче до кінця періоду дослідження (3.4–3.3 мільярда років тому) намагніченість, яка спостерігається в кристалах циркону, починає посилюватися, що, на думку Тардуно, може вказувати на початок тектоніки плит. Причина в тому, що величезні пластини кори, що опускаються в надра Землі в зонах субдукції, призводять до більш швидкого охолодження мантії. У свою чергу, цей процес може посилити ефективність конвекції у зовнішньому ядрі, що призведе до посилення геомагнітного поля.

«Ситуація Золотовласки» для молодшого віку?

Якщо основне життя вже існувало майже за півмільярда років до тектоніки, як випливає з цього дослідження, це викликає цікаві запитання про те, як життя може вижити у світі без тектонічних плит. Слабше магнітне поле з цієї стагнальної фази зробило б поверхню Землі більш підданою космічному випромінюванню, від якого захищає наше нинішнє сильне поле. Енергійні протони в сонячному вітрі тоді стикалися б з атмосферними частинками, заряджаючи та наповнюючи їх енергією, щоб вони могли вилетіти в космос – в принципі, позбавляючи всю планету води.

Але Тардуно каже, що навіть відносно слабке магнітне поле, яке спостерігалося в цьому новому дослідженні, забезпечило б деякий захист. Фактично, він припускає, що ця кипляча, застійна форма тектоніки могла створити «ситуацію Золотовласки», яка була б якраз підходящою для первісного життя, вільного від різких змін умов навколишнього середовища, які можуть відбуватися в повноцінній тектоніці плит.

Це спокуслива ідея, оскільки вважається, що застійні кришечні форми тектоніки є поширеними в нашій Сонячній системі, існують на Венері, Меркурії та в менш динамічній формі на Марсі.

Щоб розвивати дослідження, команда Тардуно тепер планує вивчити циркони подібного віку з інших місць, щоб отримати ширший діапазон точок даних. «Наш підхід відрізняється від попередньої роботи, оскільки ми маємо індикатор руху», — каже він. «Усі аргументи щодо тектоніки плит з цього часу в історії Землі базувалися на геохімії, а не на головному показнику того, що таке тектоніка плит».

Пітер Кавуд, вчений-геолог з Університету Монаш в Австралії, який не брав участі в цьому природа У дослідженні стверджується, що подальше розуміння ранньої Землі може прийти з місць у нашій Сонячній системі, поверхні яких не були неодноразово перероблені тектонікою плит. «Марс, Місяць і метеорити дають більш розширений запис про свою ранню історію», — каже він. «Зразки з цих тіл, і зокрема потенціал для місій повернення зразків з Марса, можуть дати важливе нове розуміння процесів, які діяли на ранній Землі».

Епоха чи подія? Визначення антропоцену

Гігантські стрибки на цьому фронті можуть відбуватися через Місія з повернення зразків на Марс, запуск якого заплановано на 2027 рік. Але Кевуд вважає, що, можливо, більш критичним питанням для розвитку початкового життя є те, коли саме вода – передумова життя – вперше з’явилася на Землі. «Попередня робота з цирконами Джек-Хіллз з використанням ізотопів кисню свідчить про те, що вода існувала щонайменше 4400 мільйонів років тому», — говорить він.

Для Кавуда це дослідження може потенційно допомогти у пошуку життя в нашій Сонячній системі та за її межами – і навіть у нашому уявленні про те, як виглядає життя. «Якщо життя на Землі розвинулося під час цієї застійної фази кришки, то, можливо, це також сталося на Марсі. Якби Земля залишалася в фазі стагнації кришки і життя продовжувало розвиватися, вона, безумовно, виглядала б інакше, ніж біосфера, яку ми маємо сьогодні. Отже, перефразовуючи розмову Спока з Кірком, «це життя, Джим, але не таке, яке ми знаємо».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• ChartPrime. Розвивайте свою торгову гру за допомогою ChartPrime. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/