Zircon, kiến ​​tạo mảng và bí ẩn của sự sống – Physics World

Mặt đất dưới chân chúng ta có vẻ rắn chắc và đứng yên. Nhưng trong suốt lịch sử Trái đất, lớp vỏ tương đối mỏng bao phủ hành tinh của chúng ta đã nhiều lần bị các lực kiến ​​tạo ép, nứt và tái tạo lại. Kiến tạo mảng có thể di chuyển các lục địa, hình thành các dãy núi và gây ra động đất và núi lửa khi năng lượng bị dồn nén đột ngột được giải phóng.

Nhưng trong khi kiến ​​tạo có thể hủy diệt sự sống một cách bừa bãi ở cấp độ địa phương, thì nó cũng rất quan trọng để duy trì các điều kiện có thể sinh sống được trên bề mặt Trái đất. Đó là bởi vì các vật liệu giàu carbon được tái chế trở lại bên trong Trái đất tại các “vùng hút chìm” – khu vực nơi một mảng bị đẩy xuống dưới một mảng khác – trong một quá trình giúp điều chỉnh chu trình carbon. Trong khi đó, hơi nước và khí thải ra từ hoạt động núi lửa giúp ổn định khí hậu và điều kiện khí quyển của Trái đất.

Chúng ta chỉ cần nhìn vào bầu khí quyển độc hại của Sao Kim – với những đám mây carbon dioxide và axit sulfuric dày đặc – để biết điều gì có thể xảy ra trên một hành tinh đá không có kiến ​​tạo mảng. Đó là lý do tại sao nhiều nhà địa chất học cho rằng kiến ​​tạo mảng phải tồn tại vào thời điểm sự sống xuất hiện, trong một tỷ năm đầu tiên của lịch sử Trái đất. Về bản chất, kiến ​​tạo mảng được coi là điều kiện tiên quyết cho sự sống.

Nhưng phát hiện mới bởi một nhóm nghiên cứu quốc tế chỉ ra rằng sự sống có thể có trước kiến ​​tạo mảng – và sự sống có thể xuất hiện trước ở một mức độ nào đó. Nếu giả thuyết này đúng, hành tinh trẻ của chúng ta có thể đã trải qua một thời kỳ dài không có các mảng kiến ​​tạo có thể di chuyển được, dưới một dạng kiến ​​tạo thô sơ hơn được gọi là “nắp ứ đọng”. Một kịch bản như vậy, nếu được xác nhận, sẽ làm thay đổi hiểu biết của chúng ta về cách sự sống hình thành và tồn tại – đồng thời có khả năng giúp ích trong việc tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh của chúng ta.

Trên mặt đất rung chuyển

Khái niệm kiến ​​tạo mảng có thể được chấp nhận rộng rãi ngày nay, nhưng nó đã gây tranh cãi trong nhiều năm. Câu chuyện bắt đầu vào năm 1912 khi nhà khoa học người Đức alfred wegener đề xuất ý tưởng “trôi dạt lục địa”. Ông cho rằng các lục địa ngày nay từng là một phần của siêu lục địa lớn hơn nhiều nhưng sau đó đã trôi dạt đến vị trí hiện tại trên bề mặt Trái đất. Trong cuốn sách của anh ấy Nguồn gốc của lục địa và đại dương, Wegener đã lưu ý một cách nổi tiếng rằng các đường bờ biển của Nam Mỹ và Châu Phi khớp với nhau như một trò chơi ghép hình và mô tả các hóa thạch tương tự xuất hiện ở những khu vực hoàn toàn khác nhau trên thế giới như thế nào.

Ý tưởng của Wegener ban đầu vấp phải sự hoài nghi, chủ yếu là do các nhà nghiên cứu không chắc chắn điều gì có thể đã khiến các tấm chuyển động. Một câu trả lời bắt đầu xuất hiện vào giữa thế kỷ 20 khi một bản đồ được sản xuất tại 1953 bởi nhà địa chất và người vẽ bản đồ người Mỹ Marie Tharpe tiết lộ sự tồn tại của một sống núi giữa đại dương trải dài toàn bộ Đại Tây Dương và chạy song song với bờ biển lục địa. Với một thung lũng rộng lớn ở trung tâm, Tharpe cho rằng điều này cho thấy đáy đại dương đang mở rộng.

Một lý thuyết đầy đủ về sự tách giãn của đáy biển sau đó đã được đề xuất bởi nhà địa chất Mỹ Harry Hess vào năm 1962. Ông cho rằng lớp vỏ đại dương đang liên tục được hình thành tại các sống núi giữa đại dương, nơi vật chất nóng chảy từ các giếng bên trong Trái đất nổi lên bề mặt như một phần của tế bào đối lưu, trước khi nó đông đặc lại thành đáy đại dương mới. Lớp vỏ tươi này sau đó được chuyển hướng theo chiều ngang theo cả hai hướng bởi magma phun trào tiếp theo.

Trong khi đó, nơi các mảng đại dương tiếp giáp với các lục địa, các phần cũ hơn của lớp vỏ đại dương bị đẩy xuống bên dưới lớp vỏ lục địa ít đậm đặc hơn tại các rãnh đại dương và được tái chế trở lại bên trong Trái đất. Trên thực tế, phần đầu chìm của mảng cũng góp phần làm đáy biển bị tách ra bằng cách kéo phần còn lại của mảng phía sau trong khi nó lao thẳng xuống vực thẳm.

[Nhúng nội dung]

Bằng chứng về sự tách giãn của đáy biển xuất hiện vào năm 1963 khi các nhà địa chất người Anh Frederick Vine và Drummond Matthews đã xem xét các phép đo từ trường Trái đất được thực hiện bởi một tàu nghiên cứu đang di chuyển qua một sườn núi ở Ấn Độ Dương. Họ nhận thấy sân đấu không đồng đều, nhưng có sự bất thường chạy theo sọc song song với sườn núi – và hầu như đối xứng ở hai bên của nó – trải dài dưới đáy đại dương. Họ cho biết các đường sọc xuất hiện do các khoáng chất từ ​​tính bên trong đáy biển mới hình thành có xu hướng phù hợp với từ trường của Trái đất trong khi đá đang đông đặc lại. Các sọc mới được hình thành mỗi khi từ trường Trái đất đảo chiều – một hiện tượng đã xảy ra nhiều lần trong lịch sử Trái đất khi cực Bắc đột nhiên trở thành cực Nam.

Để so sánh, đáy biển chuyển động giống như một cuộn băng cassette kiểu cũ, ghi lại từng chuyển động đảo chiều của trường địa từ. Mỗi lần đảo ngược có thể được xác định niên đại thông qua các nghiên cứu hóa thạch và thử nghiệm đo phóng xạ đối với bazan được khoan từ đáy đại dương, để lập biểu đồ lịch sử của từ trường. Ngày nay, sự tồn tại của kiến ​​tạo mảng gần như đã được chấp nhận rộng rãi.

Nhưng có rất ít sự đồng thuận về thời điểm kiến ​​tạo mảng bắt đầu. Một phần của vấn đề là Trái đất được hình thành cách đây khoảng 4.54 tỷ năm và ngày nay hầu như toàn bộ lớp vỏ đại dương có niên đại hơn 200 triệu năm đã được tái chế trở lại Trái đất. Nói cách khác, kho lưu trữ lâu dài về lịch sử Trái đất của chúng ta được chứa trong các thành hệ đá ẩn giấu ở các lục địa.

Nhưng ngay cả ở đó, một số ít đá có thể tiếp cận được còn sót lại từ một tỷ năm đầu tiên đã bị biến đổi đáng kể do nhiệt, hóa học, phong hóa vật lý và áp suất cực cao. Đó là lý do tại sao không ai chắc chắn về thời điểm kiến ​​tạo mảng bắt đầu, với các ước tính dao động từ hơn 4 tỷ năm trước chỉ còn 700 triệu cách đây nhiều năm. Đó là một sự không chắc chắn rất lớn và không thỏa đáng.

Điều gây tò mò hơn là bằng chứng hóa thạch sớm nhất không thể tranh cãi về sự sống có niên đại từ 3.5–3.4 tỷ năm, với các dấu hiệu của sự sống trong đá trầm tích cho thấy sự sống có thể đã tồn tại. 3.95 tỷ cách đây nhiều năm. Vậy liệu sự sống có thể đã xuất hiện hàng trăm triệu năm trước khi kiến ​​tạo mảng xuất hiện? Với rất ít đá nguyên thủy còn sót lại từ thời kỳ này, các nhà địa chất thường bị mắc kẹt trong lĩnh vực suy đoán.

Zircon: viên nang thời gian từ sự khởi đầu rực lửa của Trái đất

May mắn thay, các nhà địa chất học có một vũ khí bí mật để có được những bức ảnh chụp nhanh về các điều kiện trên Trái đất sơ khai. Gửi lời chào đến đá zircon – các mảnh khoáng ổn định về mặt hóa học (ZrSiO₄) được tìm thấy với nhiều màu sắc và môi trường địa chất khác nhau. Vẻ đẹp của zircon đối với các nhà địa chất học là chúng hầu như không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong đá chủ. Chúng giống như một viên nang thời gian của khoảng thời gian xa xôi đó.

Đặc biệt, gần đây các nhà khoa học đang nghiên cứu zircon cổ kết tinh trong đá granit hình thành trong 600 triệu năm đầu tiên của Trái Đất. Trong thời kỳ này, được gọi là đại kiếp, hành tinh của chúng ta là một nơi địa ngục, có khả năng bị bao phủ trong bầu không khí giàu carbon dioxide và thường xuyên bị các vật thể ngoài Trái đất bắn phá. Một trong số họ có lẽ đã tạo ra Mặt trăng.

Tuy nhiên, mặc dù thiếu lớp vỏ, nhưng có vẻ như những tảng đá rắn chắc hẳn đã được hình thành vì số lượng còn tồn tại cho đến ngày nay là rất hạn chế. Những tảng đá nguyên vẹn có niên đại 4 tỷ năm tồn tại ở đây Khu phức hợp Acasta Gneiss phía tây bắc Canada và các vật liệu có nguồn gốc Trái đất lâu đời nhất được biết đến là 4.4 tỷ năm tuổi tinh thể zircon được tìm thấy ở Jack Hills ở Úc (Nature Geoscience 10 457). Chúng được chứa trong các loại đá “siêu trầm tích” mới hơn nhiều.

Trong nghiên cứu mới này (Thiên nhiên 618 531), các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các zircon Jack Hills kéo dài trong khoảng thời gian 3.9–3.3 tỷ năm trước, cũng như các zircon cùng thời kỳ được tìm thấy ở Vành đai Barberton Greenstone của Nam Phi. Do John Tarduno từ Đại học Rochester ở Mỹ, các nhà nghiên cứu ban đầu quan tâm đến những gì zircon có thể tiết lộ về trạng thái từ trường Trái đất trong thời kỳ đó. Chỉ sau đó họ mới nhận ra rằng phát hiện của họ có ý nghĩa rộng lớn hơn nhiều.

Các tinh thể zircon từ cả hai địa điểm ở Úc và Nam Phi được phát hiện có chứa tạp chất của một khoáng chất giàu sắt gọi là magnetite, được từ trường Trái đất từ ​​hóa vào thời điểm chúng hình thành. Mặc dù hàng tỷ năm đã trôi qua nhưng thông tin về từ trường cổ xưa của Trái đất vẫn được lưu giữ trong các tinh thể zircon suốt thời gian qua. Trên thực tế, vì từ trường Trái đất là một lưỡng cực – với cường độ trường thay đổi theo vĩ độ – việc đo cường độ từ hóa còn sót lại trong hàm lượng từ tính của zircon có thể tiết lộ vĩ độ mà nó hình thành.

Thử thách tiếp theo là xác định niên đại của các mẫu zircon. Điều thuận tiện là cấu trúc tinh thể của zircon cũng kết hợp uranium, chất này dần dần phân hủy thành chì với tốc độ đã biết. Do đó, các nhà nghiên cứu có thể tính ra tuổi của tinh thể zircon từ tỷ lệ uranium và chì mà nhóm của Tarduno đo được bằng cách sử dụng một máy đo. đầu dò ion có độ phân giải cao chọn lọc, hoặc TÔM.

Nếu kiến ​​tạo mảng đã tồn tại trong suốt 600 triệu năm được đề cập trong nghiên cứu này, thì bạn có thể mong đợi các tinh thể zircon đã hình thành ở nhiều vĩ độ khác nhau khi các mảng di chuyển xung quanh. Điều đó có nghĩa là các tinh thể zircon sẽ có một loạt cường độ từ hóa tùy thuộc vào độ tuổi của chúng. Tuy nhiên, trước sự ngạc nhiên của họ, Tarduno và nhóm đã phát hiện ra một điều rất khác.

Tại cả hai địa điểm ở Úc và Nam Phi, cường độ từ hóa gần như không đổi trong khoảng thời gian từ 3.9 đến 3.4 tỷ năm trước. Điều này gợi ý rằng cả hai bộ zircon đều được hình thành ở những vĩ độ không thay đổi. Nói cách khác, hoạt động kiến ​​tạo mảng vẫn chưa bắt đầu. Các nhà nghiên cứu giải thích một phần lý do dẫn đến kết luận này là vì, tính trung bình, các mảng trong suốt 600 triệu năm qua đã di chuyển ít nhất 8500 km theo vĩ độ. Và trong giai đoạn gần đây, chưa bao giờ có ví dụ nào về hai mảng duy trì ở vĩ độ không đổi cùng một lúc.”

Nói cách khác, hoạt động kiến ​​tạo mảng vẫn chưa bắt đầu. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng Trái đất có thể có nhiều dạng kiến ​​tạo thô sơ hơn, vẫn bao gồm một số quá trình tái chế hóa học và nứt vỡ đá rắn trên bề mặt Trái đất.

Sự khác biệt quan trọng giữa kiến ​​tạo mảng ngày nay và hiện tượng này “nắp ứ đọng” Một dạng kiến ​​tạo là loại sau không bao gồm các mảng di chuyển theo chiều ngang trên bề mặt, điều này cho phép nhiệt được giải phóng một cách hiệu quả. Thay vào đó, Trái đất sẽ là một thế giới mưng mủ không có lớp vỏ lục địa, cư trú bởi các vùng biệt lập có lớp vỏ đại dương dày được ngăn cách bởi các khu vực magma dâng lên (hình 1). Tarduno nói: “Có lẽ nắp ứ đọng là một cái tên không may vì mọi người có thể nghĩ rằng không có chuyện gì xảy ra cả”. “Nhưng những gì bạn có là những khối vật chất sắp nổi lên có thể làm nóng phần đáy của lớp vỏ nguyên thủy và thạch quyển này.”

Vào cuối giai đoạn nghiên cứu (3.4–3.3 tỷ năm trước), từ hóa quan sát thấy trong tinh thể zircon bắt đầu mạnh lên, điều mà Tarduno cho rằng có thể chỉ ra sự khởi đầu của kiến ​​tạo mảng. Lý do là những mảng vỏ khổng lồ đi xuống bên trong Trái đất tại các đới hút chìm khiến lớp phủ nguội đi nhanh hơn. Đổi lại, quá trình này có thể tăng cường hiệu quả đối lưu ở lõi ngoài – dẫn đến trường địa từ mạnh hơn.

Một 'tình huống Goldilocks' cho giai đoạn đầu đời?

Nếu sự sống cơ bản đã xuất hiện gần nửa tỷ năm trước khi có kiến ​​tạo, như nghiên cứu này ngụ ý, thì nó đặt ra những câu hỏi thú vị về cách sự sống có thể tồn tại trong một thế giới không có kiến ​​tạo mảng. Từ trường yếu hơn từ pha nắp tĩnh này sẽ khiến bề mặt Trái đất tiếp xúc nhiều hơn với bức xạ vũ trụ, thứ mà trường mạnh hiện tại của chúng ta bảo vệ chúng ta khỏi. Các proton mang năng lượng trong gió mặt trời sau đó sẽ va chạm với các hạt trong khí quyển, tích điện và cung cấp năng lượng cho chúng để chúng có thể thoát ra ngoài không gian – về nguyên tắc, tước đi nước của toàn bộ hành tinh.

Nhưng Tarduno cho biết ngay cả cường độ từ trường tương đối yếu quan sát được trong nghiên cứu mới này cũng có thể mang lại sự che chắn nhất định. Trên thực tế, ông cho rằng dạng kiến ​​tạo sôi sục, trì trệ này có thể đã tạo ra một “tình huống Goldilocks” lẽ ra phù hợp với sự sống nguyên thủy, không có những thay đổi mạnh mẽ về điều kiện môi trường có thể xảy ra trong các kiến ​​tạo mảng hoàn chỉnh.

Đó là một ý tưởng hấp dẫn vì các dạng kiến ​​tạo nắp ứ đọng được cho là phổ biến trong hệ mặt trời của chúng ta, tồn tại trên Sao Kim, Sao Thủy và ở dạng kém năng động hơn trên Sao Hỏa.

Để phát triển nghiên cứu, nhóm của Tarduno hiện có kế hoạch nghiên cứu các zircon có độ tuổi tương tự từ các địa điểm khác để đưa ra phạm vi điểm dữ liệu rộng hơn. Ông nói: “Cách tiếp cận của chúng tôi khác với công việc trước đây vì chúng tôi có chỉ báo về chuyển động. “Tất cả các lập luận về kiến ​​tạo mảng kể từ thời điểm này trong lịch sử Trái đất đều dựa trên địa hóa học – chứ không phải dựa trên chỉ số chính về kiến ​​tạo mảng là gì.”

Peter Cawood, một nhà khoa học trái đất tại Đại học Monash ở Úc, người không tham gia vào việc này Thiên nhiên nghiên cứu, nói rằng sự hiểu biết sâu hơn về Trái đất sơ khai có thể đến từ những nơi trong hệ mặt trời của chúng ta có bề mặt chưa được tái chế nhiều lần bởi kiến ​​​​tạo mảng. Ông nói: “Sao Hỏa, Mặt Trăng và các thiên thạch cung cấp những ghi chép sâu rộng hơn về lịch sử ban đầu của chúng”. “Các mẫu từ những vật thể này, và đặc biệt là tiềm năng của các sứ mệnh trả lại mẫu từ Sao Hỏa, có thể cung cấp những hiểu biết mới quan trọng về các quá trình diễn ra trên Trái đất sơ khai.”

Kỷ nguyên hay sự kiện? Xác định Anthropocene

Những bước nhảy vọt trên mặt trận đó có thể xảy ra thông qua Nhiệm vụ trả lại mẫu sao Hỏa, dự kiến ​​phóng vào năm 2027. Nhưng Cawood cho rằng có lẽ câu hỏi quan trọng hơn đối với sự phát triển của sự sống ban đầu là khi nào chính xác nước – điều kiện tiên quyết cho sự sống – lần đầu tiên xuất hiện trên Trái đất. “Công trình nghiên cứu trước đây về zircon Jack Hills, sử dụng đồng vị oxy, cho thấy rằng đã có nước từ ít nhất 4400 triệu năm trước,” ông nói.

Đối với Cawood, nghiên cứu này có thể giúp ích cho việc tìm kiếm sự sống trong hệ mặt trời của chúng ta và xa hơn nữa – và thậm chí cả khái niệm của chúng ta về cuộc sống trông như thế nào. “Nếu sự sống trên Trái đất phát triển trong giai đoạn nắp trì trệ này thì có lẽ điều này cũng xảy ra trên Sao Hỏa. Nếu Trái đất vẫn ở trạng thái trì trệ và sự sống tiếp tục phát triển thì chắc chắn nó sẽ khác với sinh quyển chúng ta có ngày nay. Vì vậy, để diễn giải việc Spock nói với Kirk – 'đó là cuộc sống của Jim, nhưng không phải như chúng ta biết'.”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• ChartPrime. Nâng cao trò chơi giao dịch của bạn với ChartPrime. Truy cập Tại đây.
• BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/