Кристаллы возрастом 4 миллиарда лет дают ключ к пониманию того, когда началась тектоника плит

Ученые давно поняли, что тектоника плит, дрейф отдельных, жестких плит, составляющих земную кору, сформировала континенты и горы.

Это имело решающее значение для эволюции поверхности планеты из расплавленной лавы и горных пород в среду, благоприятную для жизни.

Что было менее ясно, так это когда это началось.

Группа исследователей из Гарварда проанализировала некоторые очень редкие, древние и почти неразрушимые кристаллы размером с маленькие песчинки, называемые цирконами, на наличие химических подсказок о начале тектоники плит.

Исследование, опубликованное в AGU Advances, предполагает, что 3,8 миллиарда лет назад в геохимии этих цирконов произошел серьезный сдвиг, который сделал их гораздо более похожими на цирконы, которые образуются сегодня в раскаленной среде, где происходит тектоника плит.

«До 3,8 миллиарда лет назад планета не казалась такой динамичной», — сказала Надя Драбон, доцент кафедры наук о Земле и планетах из Гарварда и первый автор статьи.

«Сегодня есть много коры, которая постоянно разрушается в так называемых зонах субдукции, и создается новая кора.

Многие [previous] цирконы показали, что тогда, когда сформировалась ранняя кора, она жила очень долго — в данном случае около 600 миллионов лет.

Пока была некоторая внутренняя переработка, мы никогда не создавали новую гранитную корку…. Затем 3,8 миллиарда лет назад все меняется».

Думайте о цирконах как о крошечных капсулах времени, в которых хранятся химические подсказки о первых 500 миллионах лет существования Земли. Некоторые образовались в магме планеты более 4 миллиардов лет назад, когда Земля, говоря геологическим языком, была еще в зачаточном состоянии.

Это делает их самыми древними известными материалами на Земле. Их секреты можно понять, поразив их лазерами, что исследователи и сделали для своего анализа.

Ученые увидели, что 3,8 миллиарда лет назад, когда планета охлаждалась, внезапно образовалось много новой коры, и что геохимические признаки цирконов стали напоминать те, что образовались в зонах субдукции, местах, где две сталкивающиеся тектонические плиты встречаются и одна скользит. под другой и в мантию, где он перерабатывается (кодовое слово для сожженного дотла).

Исследователи говорят, что неясно, существовали ли зоны субдукции 3,8 миллиарда лет назад, но известно, что образовавшаяся новая кора, вероятно, была результатом какого-то типа тектоники плит.

Исследование дополняет растущее количество исследований о том, что тектонические движения произошли относительно рано в 4,5-миллиардной истории Земли. Он предлагает подсказки о том, как планета стала пригодной для жизни и в каких условиях развивались самые ранние формы жизни.

Сегодня внешняя оболочка Земли состоит примерно из 15 подвижных блоков земной коры, которые удерживают континенты и океаны планеты.

Этот процесс был ключом к эволюции жизни и развитию планеты, потому что в ходе этого процесса в атмосферу попадали новые горные породы, что приводило к химическим реакциям, стабилизировавшим температуру поверхности Земли на миллиарды лет.

Доказательства того, когда начались изменения, трудно найти, потому что их очень мало. Только 5 процентов всех горных пород на Земле старше 2,5 миллиардов лет, и ни одна порода не старше примерно 4 миллиардов лет.

Вот где появляются цирконы.

Группа исследователей, в которую входили геологи из Стэнфордского университета и Университета штата Луизиана, собрала 3936 новых цирконов из экспедиции 2017 года в Южную Африку. Тридцати трем из них было не менее 4 миллиардов лет.

Это была настоящая добыча, потому что цирконы того периода трудно найти из-за их размера.

Исследователям, по сути, должно повезти после того, как они измельчат камни, которые они собрали, в песок и разделят полученные находки. Цирконы Южной Африки имеют возраст от 4,1 миллиарда до 3,3 миллиарда лет. Команда изучила три различные геохимические характеристики обнаруженных ими кристаллов циркона: изотоп гафния, изотоп кислорода и состав микроэлементов. Каждый дал им свой кусочек головоломки.

Например, изотоп гафния намекнул на формирование и эволюцию земной коры; изотопы кислорода о том, были ли океаны; и микроэлементы о составе земной коры. Данные свидетельствуют о том, что скорость образования земной коры начала увеличиваться почти 4 миллиарда лет назад.

Исследователи также изучили данные других исследований древних цирконов, которые были найдены по всему миру, чтобы увидеть, видели ли они доказательства подобного сдвига. Так и случилось, когда дело дошло до данных по изотопам гафния.

«Все они показывают этот сдвиг между 3,8 и 3,6 миллиардами лет назад», — сказал Дрэбон.

Дрэбон говорит, что данных о двух других геохимических особенностях не так много, и надеется сосредоточиться на следующих, в том числе на том, когда началось формирование океанов.

— Я даже не знаю, с чего начать, — смеясь, сказал Дрэйбон. Так много нужно сделать, сказала она.