Starożytne, rozległe obszary skorupy kontynentalnej zwane kratonami pomogły utrzymać stabilność kontynentów Ziemi przez miliardy lat, nawet gdy masy lądowe przesuwają się, wznoszą się góry i tworzą się oceany. Nowy mechanizm zaproponowany przez naukowców z Penn State może wyjaśnić, w jaki sposób kratony powstały około 3 miliardy lat temu, co jest stałym pytaniem w badaniach historii Ziemi.
Naukowcy podali dzisiaj (8 maja) w czasopiśmie Nature, że kontynenty mogły nie wyłonić się z ziemskich oceanów jako stabilne masy lądowe, których cechą charakterystyczną jest górna skorupa wzbogacona w granit. Przeciwnie, wystawienie świeżej skały 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.
Odkrycia mogą stanowić nowe spojrzenie na ewolucję potencjalnie nadających się do zamieszkania planet podobnych do Ziemi – twierdzą naukowcy.
„Aby stworzyć planetę taką jak Ziemia, trzeba stworzyć skorupę kontynentalną i ustabilizować tę skorupę” – powiedział Jesse Reimink, adiunkt nauk o Ziemi w Penn State i autor badania. „Naukowcy myśleli o tym tak samo – kontynenty ustabilizowały się, a następnie wyłoniły się ponad poziom morza. Jednak my mówimy, że te procesy są odrębne”.
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 – twierdzą naukowcy.
Wietrzenie mogło ostatecznie spowodować skoncentrowanie pierwiastków wytwarzających ciepło, takich jak uran, tor i potas, w płytkiej skorupie, umożliwiając ochłodzenie i stwardnienie głębszej skorupy. Mechanizm ten utworzył grubą, twardą warstwę skał, która mogła chronić dna kontynentów przed późniejszą deformacją – jak twierdzą naukowcy, jest to charakterystyczna cecha kratonów.
„Przepis na tworzenie i stabilizację skorupy kontynentalnej polega na koncentracji pierwiastków wytwarzających ciepło – które można uznać za małe silniki cieplne – bardzo blisko powierzchni” – powiedział Andrew Smye, profesor nadzwyczajny nauk o Ziemi w Penn State i autor badania. „Musisz to zrobić, ponieważ za każdym razem, gdy atom uranu, toru lub potasu ulega rozpadowi, uwalnia ciepło, które może podnieść temperaturę skorupy. Gorąca skorupa jest niestabilna – jest podatna na deformację i nie będzie się trzymać”.
Gdy wiatr, deszcz i reakcje chemiczne niszczyły skały na wczesnych kontynentach, osady i minerały ilaste przedostawały się do strumieni i rzek i przenoszone do morza, gdzie tworzyły osady osadowe, takie jak łupki, o dużej zawartości uranu, toru i potasu, powiedzieli naukowcy.
Zderzenia płyt tektonicznych zakopały te skały osadowe głęboko w skorupie ziemskiej, gdzie radiogeniczne ciepło uwalniane przez łupki spowodowało topnienie dolnej skorupy. Stopy wykazywały wyporność i wznosiły się z powrotem do górnej skorupy, zatrzymując tam pierwiastki wytwarzające ciepło w skałach takich jak granit i umożliwiając ochłodzenie i stwardnienie dolnej skorupy.
Uważa się, że kratony powstały między 3 a 2,5 miliarda lat temu – w czasie, gdy pierwiastki radioaktywne, takie jak uran, rozpadały się w tempie około dwukrotnie szybszym i wydzielały dwukrotnie więcej ciepła niż obecnie.
Praca podkreśla, że czas, w którym kratony powstały we wczesnym okresie Śródziemia, był wyjątkowo odpowiedni dla procesów, które mogły doprowadzić do ich ustabilizowania się, powiedział Reimink.
„Możemy potraktować to jako kwestię ewolucji planet” – powiedział Reimink. „Jednym z kluczowych składników potrzebnych do stworzenia planety takiej jak Ziemia może być pojawienie się kontynentów na stosunkowo wczesnym etapie jej życia. Ponieważ utworzą się radioaktywne osady, które są bardzo gorące i tworzą naprawdę stabilny obszar skorupy kontynentalnej który żyje na poziomie morza i jest doskonałym środowiskiem do rozmnażania się życia.
Naukowcy przeanalizowali stężenia uranu, toru i potasu w setkach próbek skał z okresu archaiku, kiedy powstawały kratony, aby ocenić produktywność ciepła radiogenicznego na podstawie rzeczywistego składu skał. Wykorzystali te wartości do stworzenia modeli termicznych powstawania kratonu.
„Wcześniej ludzie przyglądali się i rozważali skutki zmieniającej się w czasie produkcji ciepła radiogenicznego” – powiedział Smye. „Ale nasze badanie łączy produkcję ciepła w skałach z pojawieniem się kontynentów, powstawaniem osadów i różnicowaniem skorupy kontynentalnej”.
Kratony, zwykle spotykane we wnętrzu kontynentów, zawierają jedne z najstarszych skał na Ziemi, ale ich zbadanie pozostaje trudne. Na obszarach aktywnych tektonicznie formacja pasów górskich może wynieść na powierzchnię skały, które kiedyś były zakopane głęboko pod ziemią.
Jednak początki kratonów pozostają głęboko pod ziemią i są niedostępne. Naukowcy twierdzą, że przyszłe prace będą obejmować pobieranie próbek starożytnych wnętrz kratonów i być może odwiercenie próbek rdzeni w celu przetestowania modelu.
„Te przemienione skały osadowe, które stopiły się i utworzyły granity koncentrujące uran i tor, przypominają czarne skrzynki rejestratorów lotu rejestrujące ciśnienie i temperaturę” – powiedział Smye. „A jeśli uda nam się odblokować to archiwum, będziemy mogli przetestować przewidywania naszego modelu dotyczące toru lotu skorupy kontynentalnej”.
Penn State i amerykańska National Science Foundation zapewniły fundusze na tę pracę.