Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z Penn State sugeruje, że kratony, starożytne struktury stabilizujące ziemskie kontynenty, powstały około 3 miliardy lat temu w wyniku procesów zapoczątkowanych przez atmosferyczne wietrzenie skał, a nie tylko przez pojawienie się stabilnych mas lądowych. Podważa to tradycyjne poglądy i ma konsekwencje dla zrozumienia ewolucji planet i warunków sprzyjających życiu.
Starożytne, rozległe połacie skorupy kontynentalnej, zwane kratonami, stabilizowały ziemskie kontynenty przez miliardy lat poprzez zmiany mas lądowych, budowę gór i rozwój oceanów. Naukowcy z Penn State zaproponowali nowy mechanizm, który mógłby wyjaśnić powstawanie kratonów około 3 miliardy lat temu, rzucając światło na odwieczne pytanie w historii geologicznej Ziemi.
Naukowcy wspomniani w czasopiśmie Natura Kontynenty mogły nie wyłonić się z oceanów Ziemi jako stabilny ląd, a ich cechą wyróżniającą jest bogata w granit górna skorupa. Zamiast tego wystawienie nowych skał na działanie wiatru i deszczu około 3 miliardy lat temu zapoczątkowało serię procesów geologicznych, które ostatecznie ustabilizowały skorupę, umożliwiając jej przetrwanie przez miliardy lat bez zniszczenia lub resetu.
Naukowcy twierdzą, że odkrycia mogą stanowić nowe spojrzenie na ewolucję potencjalnie nadających się do zamieszkania planet podobnych do Ziemi.
Implikacje dla ewolucji planet
„Aby stworzyć planetę taką jak Ziemia, trzeba stworzyć skorupę kontynentalną i ustabilizować tę skorupę” – powiedział Jesse Remink, adiunkt nauk o Ziemi w Penn State i autor badania. „Naukowcy myśleli, że to to samo – kontynenty ustabilizowały się, a następnie wyłoniły się nad poziomem morza. Jednak my mówimy, że te procesy są odrębne.
Naukowcy twierdzą, że kratony rozciągają się na ponad 150 kilometrów od powierzchni Ziemi do górnego płaszcza, gdzie działają jak kil łodzi, utrzymując kontynenty na poziomie morza lub w jego pobliżu przez cały czas geologiczny.
Wietrzenie może ostatecznie skoncentrować pierwiastki wytwarzające ciepło, takie jak uran, tor i potas, w płytkiej skorupie, umożliwiając ochłodzenie i zestalenie głębszej skorupy. Naukowcy twierdzą, że mechanizm ten utworzył grubą, solidną warstwę skał, która mogła chronić dna kontynentów przed późniejszą deformacją, co jest charakterystyczną cechą kratonów.
Procesy geologiczne i produkcja ciepła
„Przepis na tworzenie i stabilizację skorupy kontynentalnej polega na koncentracji pierwiastków wytwarzających ciepło – które można nazwać minisilnikami cieplnymi – blisko powierzchni” – powiedział Andrew Smee, adiunkt nauk o Ziemi w Penn State i autor książki badanie. Zostań. „Musisz to robić za każdym razem kukurydza Uran, tor i potas ulegają rozpadowi, uwalniając ciepło, które może podnieść temperaturę skorupy ziemskiej. Gorący fornir jest niestabilny, podatny na odkształcenia i nie pozostanie na swoim miejscu.
Kiedy wiatr, deszcz i reakcje chemiczne niszczyły skały na wczesnych kontynentach, osady i minerały ilaste przedostały się do strumieni i rzek i zostały przeniesione do morza, gdzie utworzyły podobne do łupków osady zawierające wysokie stężenia uranu, toru i potasu . Naukowcy powiedzieli.
Te starożytne skały metamorficzne zwane gnejsami, znalezione na wybrzeżu Arktyki, reprezentują korzenie kontynentów odsłonięte obecnie na powierzchni. Naukowcy twierdzą, że skały osadowe wplecione w tego typu skały zapewnią silnik cieplny stabilizujący kontynenty. Źródło: Jesse Remink
Zderzenia płyt tektonicznych zakopały te skały osadowe głęboko w skorupie ziemskiej, gdzie ciepło radiacyjne z łupków stopiło dolną skorupę. Stopiony materiał unosiłby się i podnosił z powrotem do górnej skorupy, zatrzymując tam elementy wytwarzające ciepło w skałach takich jak granit i umożliwiając ochłodzenie i zestalenie dolnej skorupy.
Uważa się, że kratony powstały między 3 a 2,5 miliarda lat temu, kiedy pierwiastki radioaktywne, takie jak uran, rozpadały się w tempie około dwukrotnie szybszym, wydzielając dwukrotnie więcej ciepła niż obecnie.
Remink stwierdził, że praca podkreśla, że czas powstawania kratonów we wczesnym Śródziemiu był wyjątkowo dostosowany do procesów, które mogły doprowadzić do ich stabilności.
„Możemy myśleć o tym jak o ewolucji planet” – powiedział Remink. „Pojawienie się kontynentów na stosunkowo wczesnym etapie ich życia może być jednym z kluczowych składników potrzebnych do stworzenia planety takiej jak Ziemia, ponieważ utworzą się bardzo gorące złoża radioaktywne i wytworzy się naprawdę stabilny obszar skorupy kontynentalnej, który żyje blisko poziomu morza jest doskonałym środowiskiem do rozprzestrzeniania się życia.”
Naukowcy przeanalizowali stężenia uranu, toru i potasu w setkach próbek skał z epoki archaiku, kiedy powstawały kratony, aby ocenić produktywność ciepła radiacyjnego na podstawie rzeczywistego składu skał. Wartości te wykorzystali do stworzenia modeli termicznych powstawania kratonu.
„Wcześniej ludzie przyglądali się skutkom zmiany wytwarzania ciepła przez promieniowanie w czasie” – powiedział Smay. „Jednak nasze badanie łączy produkcję ciepła w skałach z wynurzaniem się kontynentów, powstawaniem osadów i różnicowaniem skorupy kontynentalnej”.
Kratony, zwykle spotykane we wnętrzu kontynentów, zawierają jedne z najstarszych skał na Ziemi, ale nadal trudno je zbadać. Na obszarach aktywnych tektonicznie utworzenie pasa górskiego może wynieść na powierzchnię skały zakopane głęboko w Ziemi.
Jednak początki kratonów pozostają głęboko pod ziemią i są niedostępne. Naukowcy twierdzą, że przyszłe prace obejmą pobieranie próbek starożytnych wnętrz kratonów i być może wiercenie próbek rdzeni w celu przetestowania modelu.
„Te metamorficzne skały osadowe, które stopiły się i wytworzyły granit zawierający skoncentrowany uran i tor, przypominają czarne skrzynki rejestratorów lotu rejestrujące ciśnienie i temperaturę” – powiedział Smay. „Jeśli uda nam się otworzyć to archiwum, będziemy mogli przetestować przewidywania naszego modelu dotyczące ścieżki podróży skorupy kontynentalnej”.
Odniesienie: „Kontynenty stabilizowane warunkami atmosferycznymi” Jesse’ego R. Reminka i Andrew J. Sami, 8 maja 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07307-1
Penn State i amerykańska National Science Foundation zapewniły fundusze na tę pracę.