Jorden begyndte sandsynligvis med en solid skal

Dagens Jord er en dynamisk planet med et ydre lag sammensat af kæmpe plader, der sliber sammen, glider forbi eller dypper under hinanden, forårsager jordskælv og vulkaner. Andre adskiller sig ved undersøiske bjergrygge, hvor smeltet sten breder sig ud fra centrene i de store havbassiner.

Men ny forskning tyder på, at dette ikke altid var tilfældet. I stedet, kort efter at Jorden dannede og begyndte at køle, planetens første ydre lag var et enkelt, solid, men deformerbar skal. Senere, denne skal begyndte at folde og knække mere bredt, giver anledning til moderne pladetektonik.

Forskningen, beskrevet i et papir, der blev offentliggjort den 27. februar, 2017 i journalen Natur , er den sidste salve i en mangeårig debat i det geologiske forskningsmiljø:startede pladetektonik med det samme-en teori kendt som uniformitarisme-eller gik Jorden først igennem en lang fase med en solid skal, der dækkede hele planeten? De nye resultater tyder på, at solid shell -modellen er tættest på, hvad der virkelig skete.

"Modeller for, hvordan den første kontinentale skorpe dannede, falder generelt i to grupper:dem, der påberåber pladetektonik i moderne stil, og dem, der ikke gør det, "sagde Michael Brown, professor i geologi ved University of Maryland og medforfatter af undersøgelsen. "Vores forskning understøtter sidstnævnte - et 'stillestående låg', der danner planetens ydre skal tidligt i Jordens historie."

For at nå disse konklusioner, Brown og hans kolleger fra Curtin University og Geological Survey of Western Australia studerede sten indsamlet fra East Pilbara Terrane, et stort område af gammel granitisk skorpe beliggende i staten Western Australia. Klipper her er blandt de ældste kendte, fra 3,5 til omkring 2,5 milliarder år. (Jorden er cirka 4,5 milliarder år gammel.) Forskerne valgte specifikt granitter med en kemisk sammensætning, der normalt er forbundet med vulkanske buer - et tegn på pladetektonisk aktivitet.

Brown og hans kolleger kiggede også på basaltsten fra den tilhørende Coucal -formation. Basalt er den sten, der produceres, når vulkaner bryder ud, men det danner også havbunden, som smeltet basalt bryder ud ved spredning af kamme i midten af ​​havbassiner. I nutidens pladetektonik, når havbundens basalt når kontinenterne, det dypper - eller subducerer - under Jordens overflade, hvor det genererer væsker, der gør det muligt for den overliggende kappe at smelte og til sidst skabe store granitmasser under overfladen.

Tidligere forskning antydede, at Coucal -basalterne kunne være kildebjergarter for granitterne i Pilbara Terrane, på grund af lighederne i deres kemiske sammensætning. Brown og hans samarbejdspartnere satte sig for at kontrollere dette, men også for at afprøve en anden længe antaget antagelse:kunne Coucal-basalterne have smeltet for at danne granit på anden måde end subduktion af basaltet under jordens overflade? Hvis så, måske skete pladetektonik endnu ikke, da Pilbara -granitterne dannede sig.

For at løse dette spørgsmål, forskerne udførte termodynamiske beregninger for at bestemme fase -ligevægten af ​​gennemsnitlig Coucal basalt. Fase -ligevægt er præcise beskrivelser af, hvordan et stof opfører sig under forskellige temperatur- og trykforhold, herunder temperaturen, ved hvilken smeltningen begynder, mængden af ​​smelte produceret og dens kemiske sammensætning.

For eksempel, et af de enkleste fase -ligevægtsdiagrammer beskriver vandets opførsel:ved lave temperaturer og/eller høje tryk, vand danner fast is, ved høje temperaturer og/eller lave tryk, vand danner gasformig damp. Fase -ligevægt bliver lidt mere involveret i sten, som har komplekse kemiske sammensætninger, der kan antage meget forskellige mineralkombinationer og fysiske egenskaber baseret på temperatur og tryk.

"Hvis du tager en sten fra hylden og smelter den, du kan få et fasediagram. Men du sidder fast med en fast kemisk sammensætning, "Brown sagde." Med termodynamisk modellering, du kan ændre sammensætningen, tryk og temperatur uafhængigt. Det er meget mere fleksibelt og hjælper os med at besvare nogle spørgsmål, vi ikke kan løse med eksperimenter på klipper. "

Brug af Coucal basalter og Pilbara granitter som udgangspunkt, Brown og hans kolleger konstruerede en række modelleringseksperimenter for at afspejle, hvad der kunne være sket på en gammel jord uden pladetektonik. Deres resultater tyder på, at Ja, Pilbara granitterne kunne have dannet sig fra Coucal basalterne.

Mere til sagen, denne transformation kunne have fundet sted i et tryk- og temperaturscenarie i overensstemmelse med et "stillestående låg, "eller en enkelt skal, der dækker hele planeten.

Pladetektonik påvirker væsentligt temperaturen og trykket af sten i Jordens indre. Når en stenplade subducerer under jordens overflade, klippen starter relativt køligt og tager tid at få varme. Når den når en højere temperatur, klippen har også nået en betydelig dybde, hvilket svarer til højt tryk - på samme måde oplever en dykker højere tryk ved større vanddybde.

I modsætning, et "stillestående låg" -regime ville være meget varmt på relativt lave dybder og lavt tryk. Geologer omtaler dette som en "høj termisk gradient."

"Vores resultater tyder på, at Pilbara -granitterne blev fremstillet ved smeltning af Coucal -basalterne eller lignende materialer i et miljø med høj termisk gradient, "Brown sagde." Derudover, sammensætningen af ​​Coucal -basalterne indikerer, at de, også, kom fra en tidligere generation af kildebergarter. Vi konkluderer, at en proces i flere trin frembragte Jordens første kontinenter i et 'stillestående låg'-scenario, før pladetektonik begyndte. "

"Jordens første stabile kontinenter dannede sig ikke ved subduktion, "Tim Johnson, Michael Brown, Nicholas Gardiner, Christopher Kirkland og Hugh Smithies, blev offentliggjort den 27. februar 2017 i journalen Natur .