Afdekning af beviser for pladetektonikkens oprindelse

Mineraler fanget inde i bittesmå krystaller, der har overlevet kontinenternes slibning i milliarder af år, kan være med til at afsløre oprindelsen til pladetektonik og måske endda give spor om, hvor komplekst livet opstod på Jorden.

Teorien om pladetektonik - som beskriver, hvordan jordskorpen er adskilt i plader, der flyder og glider på et lag af formbar sten nedenfor - blev bredt accepteret af videnskaben for omkring 50 år siden. Processen menes at have stort set formet verden omkring os ved at give kontinenter mulighed for at danne, kaster enorme bjergkæder op, når de støder sammen, skaber vulkanske øer og udløser katastrofale jordskælv.

Men der er stadig debat om præcis, hvordan og hvornår i vores planets 4,5 milliarder år lange plader dannede sig, estimater varierer fra mindre end en milliard til 4,3 milliarder år siden.

Det er også uklart, hvor hurtigt pladetektonik udviklede sig, siger Dr. Hugo Moreira, en geolog ved universitetet i Montpellier i Frankrig. Splittede jordskorpen brat i flere plader og begyndte at bevæge sig i løbet af bare titusinder af år, eller var processen langt mere gradvis, tager hundredvis af millioner af år eller mere?

At forstå dette kan vise sig at være afgørende for at forstå ikke bare hvordan planeten selv har udviklet sig, men også hvordan livet kan have været kickstartet på Jorden. Betingelserne skabt af pladetektonik menes at have hjulpet med at gøre Jorden gæstfri i første omgang og også givet vigtige næringsstoffer, der er nødvendige for at komplekse flercellede liv skal blomstre.

Krystal tidskapsler

Dr. Moreira og hans kolleger søger svar på disse spørgsmål inde i små zirkonkrystaller, som er tidskapsler af Jordens fjerne fortid på grund af deres ekstreme robusthed. De findes ofte bevaret i sten på trods af konstant vejrforhold og geologiske begivenheder.

Mange af disse krystaller er tidligere blevet dateret ved at analysere det radioaktive henfald af isotoper - forskellige former for elementer - som de indeholder. Nogle er fundet hidtil helt tilbage for 4,4 milliarder år siden, de tidligste kendte fragmenter af jordskorpen.

"Derfor er zircon fantastisk, fordi selvom klipperne, der sammensætter kontinenterne, blev ødelagt, zirkonen overlevede i sedimentære rekord, "sagde Dr. Moreira. Forskere har tidligere brugt zirkonkrystaller til at studere historien om Jordens kontinentale skorpe, men det har endnu ikke været nok til at give en endelig enighed om, hvordan pladetektonik startede, han siger.

"Efter at have analyseret hundredtusinder af dem, vi har stadig ikke en aftale, "sagde Dr. Moreira, medlem af MILESTONE -projektet ledet af Dr. Bruno Dhuime, en geovidenskabsforsker for det franske nationale center for videnskabelig forskning også ved universitetet i Montpellier.

Forskerne håber at kunne bruge disse krystaller - som typisk måler omkring en tiendedel millimeter, eller nogenlunde tykkelsen af ​​et menneskehår - for at forbedre vores indsigt i timingen og udviklingen af ​​pladetektonik.

MILESTONE -gruppen vil bore ned til en endnu mindre skala - omkring en hundrededel af en millimeter - for at undersøge spor af apatit- og feltspatmineraler, der er fanget inde i zirkonkrystallerne. Strontium- og blyisotoper i disse 'inklusioner' kan tilføje enestående detaljer om zirkonets dannelseskilde, og om dette forekom i de forskellige typer magma under stillestående eller bevægelige plader, siger Dr. Moreira.

"Det vil være et kritisk skridt i retning af en bedre forståelse af, hvordan vores planet udviklede sig, "sagde han." Hvis vi formår at måle den isotopiske sammensætning af disse små inklusioner, vi kan fortælle, hvad der var sammensætningen af ​​den sten, hvorfra zirkonen krystalliserede. Vi kan måske forstå, hvordan skorpen var udviklet på det tidspunkt, og i hvilken type tektoniske indstillinger magmaen blev dannet. "

Denne lille skala analyse blev muliggjort ved oprettelse af et laboratorium, der indeholder et specialiseret, meget følsom massespektrometer, udstyr, der måler atomernes egenskaber.

Teamet håber at begynde at analysere prøver i næste måned, i sidste ende undersøge inklusioner i mere end 5, 000 zirkoner i varierende alder fra hele verden for at opbygge et stort billede. "Det, vi vil gøre, er at fastslå, hvornår pladetektonik blev global i stedet for, da den blev lokaliseret på isolerede punkter hist og her, "sagde Dr. Moreira.

Underjordiske strukturer

I den modsatte ende af skalaen, other researchers have been seeking clues to the origins of plate tectonics in two massive continent-sized structures found deep underground beneath the Pacific and African plates.

These 'thermochemical piles, " mysterious structures located about 2, 900 kilometres below the surface at the boundary between Earth's core and mantle, were discovered in the 1990s with the aid of seismic tomography—imaging from seismic waves produced by earthquakes or explosions. They were detected as potentially warmer areas of material in which seismic waves travel at different speeds than in the surrounding mantle, but there is still much debate about exactly what they are, including their composition, longevity, shape and origins.

Over the past couple of decades, a 'fiery' debate has arisen over their proposed link to movements on the planet's surface and so their potential involvement in the emergence of plate tectonics, explained Dr. Philip Heron, a geoscientist who studied the structures as lead researcher on the TEROPPLATE project at Durham University.

"These piles are thought to have an impact on how material moves within the planet, and therefore how the surface behaves over time, " he said. Events on the surface may in turn drive their activity.

One theory is that these piles are stable for long geological periods and their edges correspond with the position of key features involved in plate tectonics on Earth's surface, such as supervolcanoes.

Imidlertid, their extreme depth makes these piles difficult to observe directly. "Given that these structures are in places 100 times higher than Mount Everest, they may be the largest things in our planet that we know the least about, " said Dr. Heron.

Supercomputer power

The TEROPPLATE project harnessed supercomputer power to investigate. Using more than 1, 000 computers working in tandem, the team developed 3-D models of Earth to show how the assumed chemical composition of large hot regions deep underground might influence the formation and location of deep mantle plumes.

Imidlertid, their models indicated that the piles may be more passive in plate tectonics than initially thought and that the world would still form similar geological features without them. "When looking at the positioning of large plumes of material that form supervolcanoes, our numerical simulations indicated that the chemical piles were not the controlling factor in this, " said Dr. Heron.

But he added that these findings were not fully conclusive and have also opened the door to other interesting avenues for research—such as exploring the implications that these structures are constantly moving through the mantle rather than being largely stationary.

"It gives weight to the theory that the chemical piles may not be rigid and fixed in our planet, and that the deep Earth may evolve as readily as the continents on our surface move around, " he said. "It's a push to start looking deeper."

Some of TEROPPLATE's results also indicate that the piles may have been robust enough to survive Earth's earliest beginnings. That makes it feasible for them to have been around for the start of plate tectonics and thus to have had roles in the process that we don't yet know about, adds Dr. Heron.

All of this could have implications for understanding our own place on Earth too. Hvis, for eksempel, plate tectonics evolved rapidly early in Earth's history, it may raise questions such as why complex life didn't emerge earlier or just how closely the two are linked, says Dr. Moreira.

"To fundamentally understand where plate tectonics comes from is potentially the essence of life, " added Dr. Heron. "On Earth, there's not a thing that hasn't been impacted by it."