Земля – единственная планета, на которой обитает сложная жизнь, и эта способность частично обусловлена другой особенностью, которая делает планету уникальной: тектоникой плит. Никакие другие известные науке планетные тела не имеют динамической коры Земли, которая разделена на континентальные плиты, которые движутся, ломаются и сталкиваются друг с другом на протяжении эонов. Тектоника плит обеспечивает связь между химическим реактором внутри Земли и ее поверхностью, которая создала обитаемую планету, которой люди наслаждаются сегодня, от кислорода в атмосфере до концентраций регулирующего климат углекислого газа. Но когда и как началась тектоника плит, остается загадкой, погребенной за миллиарды лет геологического времени.
В исследовании, опубликованном 14 мая в журнале Geochemical Perspectives Letters, используются цирконы, самые старые минералы, когда-либо обнаруженные на Земле, чтобы заглянуть в древнее прошлое планеты.
Старейшие цирконы, включенные в исследование, поступили из Джек-Хиллз в Западной Австралии, имели возраст около 4 лет.3 миллиарда лет – это означает, что эти почти неразрушимые минералы образовались, когда сама Земля была в зачаточном состоянии, всего около 200 миллионов лет. Наряду с другими древними цирконами, собранными в Джек-Хиллз за всю раннюю историю Земли до 3 миллиардов лет назад, эти минералы являются наиболее близким исследователям к непрерывным химическим записям зарождающегося мира.
«Мы реконструируем, как Земля превратилась из расплавленного шара из камня и металла в то, что мы имеем сегодня», – сказал Акерсон. "Ни на одной из других планет нет континентов, жидких океанов или жизни.
В каком-то смысле мы пытаемся ответить на вопрос, почему Земля уникальна, и мы можем ответить на это в определенной степени с помощью этих цирконов."
Чтобы заглянуть в прошлое Земли на миллиарды лет, Акерсон и группа исследователей собрали 15 камней размером с грейпфрут на Джек-Хиллз и измельчили их до мельчайших составных частей – минералов – измельчая их в песок с помощью машины под названием бурундук. К счастью, цирконы очень плотные, поэтому их относительно легко отделить от остального песка, используя технику, похожую на отливку золота.
Команда протестировала более 3500 цирконов, каждый размером всего в пару человеческих волос, взорвав их лазером, а затем измерив их химический состав с помощью масс-спектрометра.
Эти тесты показали возраст и химический состав каждого циркона. Из тысяч протестированных около 200 были пригодны для изучения из-за разрушительного воздействия миллиардов лет, которые эти минералы пережили с момента их создания.
«Раскрытие секретов, содержащихся в этих минералах, – непростая задача», – сказал Акерсон. «Мы проанализировали тысячи этих кристаллов, чтобы получить несколько полезных данных, но каждый образец может рассказать нам что-то совершенно новое и изменить то, как мы понимаем происхождение нашей планеты."
Возраст циркона можно определить с высокой степенью точности, поскольку каждый циркон содержит уран.
Известная радиоактивная природа урана и хорошо определенная скорость распада позволяют ученым реконструировать, как долго этот минерал существует.
Исследовательская группа также заинтересовалась содержанием алюминия в каждом цирконе. Испытания современных цирконов показывают, что цирконы с высоким содержанием алюминия могут быть получены только ограниченным числом способов, что позволяет исследователям использовать присутствие алюминия, чтобы сделать вывод о том, что могло происходить, говоря геологически, в то время, когда формировался циркон.
Проанализировав результаты для сотен полезных цирконов из тысяч протестированных, Акерсон и его соавторы обнаружили заметное увеличение концентрации алюминия примерно на 3%.6 миллиардов лет назад.
«Этот композиционный сдвиг, вероятно, знаменует собой начало тектоники плит в современном стиле и потенциально может сигнализировать о появлении жизни на Земле», – сказал Акерсон. "Но нам нужно будет провести гораздо больше исследований, чтобы определить связь этого геологического сдвига с происхождением жизни."
Вывод, который связывает цирконы с высоким содержанием алюминия с возникновением динамической коры с тектоникой плит, выглядит следующим образом: один из немногих способов образования цирконов с высоким содержанием алюминия – это плавление горных пород глубже под поверхностью Земли.
«Очень сложно получить алюминий в цирконах из-за их химических связей», – сказал Акерсон. "Вам нужны довольно экстремальные геологические условия."
Акерсон считает, что этот признак того, что горные породы плавятся глубже под поверхностью Земли, означал, что кора планеты становилась толще и начинала остывать, и что это утолщение земной коры было признаком того, что происходит переход к современной тектонике плит.
Предыдущие исследования акаста-гнейса возрастом 4 миллиарда лет на севере Канады также показали, что земная кора утолщалась и заставляла горные породы таять глубже на планете.
«Результаты Acasta Gneiss вселяют в нас больше уверенности в нашей интерпретации цирконов Jack Hills», – сказал Акерсон. «Сегодня эти места разделены тысячами миль, но они рассказывают нам довольно последовательную историю, а именно, что около трех.6 миллиардов лет назад происходило что-то глобально значимое."
Эта работа является частью новой инициативы музея под названием Наша уникальная планета, государственно-частного партнерства, которое поддерживает исследования некоторых из наиболее устойчивых и важных вопросов о том, что делает Землю особенной. Другое исследование будет исследовать источник жидких океанов Земли и то, как минералы, возможно, помогли зажечь жизнь.
Акерсон сказал, что надеется продолжить эти результаты, исследуя древние цирконы Джек-Хиллз на предмет следов жизни и посмотрев на другие в высшей степени старые скальные образования, чтобы увидеть, есть ли на них признаки утолщения земной коры примерно на 3 градуса.6 миллиардов лет назад.
Финансирование и поддержка этого исследования были предоставлены Смитсоновским институтом и Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА).