Undersøgelse afslører ny mekanisme til at forklare, hvordan kontinenter stabiliserede sig

Gamle, ekspansive områder af kontinental skorpe kaldet kratoner har hjulpet med at holde Jordens kontinenter stabile i milliarder af år, selv når landmasser skifter, bjerge rejser sig og oceaner dannes. En ny mekanisme foreslået af Penn State-videnskabsmænd kan forklare, hvordan kratonerne blev dannet for omkring 3 milliarder år siden, et vedvarende spørgsmål i studiet af Jordens historie.

Forskerne rapporterer i tidsskriftet Nature at kontinenterne måske ikke er opstået fra jordens oceaner som stabile landmasser, hvis kendetegn er en øvre skorpe beriget med granit. Snarere udløste udsættelsen af ​​frisk sten for vind og regn for omkring 3 milliarder år siden en række geologiske processer, der i sidste ende stabiliserede skorpen – hvilket gjorde det muligt for skorpen at overleve i milliarder af år uden at blive ødelagt eller nulstillet.

Resultaterne kan repræsentere en ny forståelse af, hvordan potentielt beboelige, jordlignende planeter udvikler sig, sagde forskerne.

"For at lave en planet som Jorden skal du lave kontinental skorpe, og du skal stabilisere den skorpe," sagde Jesse Reimink, assisterende professor i geovidenskab ved Penn State og forfatter til undersøgelsen. "Forskere har tænkt på disse som det samme - kontinenterne blev stabile og dukkede derefter op over havets overflade. Men det, vi siger, er, at disse processer er adskilte."

Kratoner strækker sig mere end 150 kilometer, eller 93 miles, fra jordens overflade til den øverste kappe – hvor de fungerer som kølen på en båd og holder kontinenterne svævende ved eller nær havoverfladen over geologisk tid, sagde forskerne.

Forvitring kan i sidste ende have koncentreret varmeproducerende elementer som uran, thorium og kalium i den lave skorpe, hvilket tillader den dybere skorpe at afkøle og hærde. Denne mekanisme skabte et tykt, hårdt lag af sten, der kan have beskyttet bunden af ​​kontinenterne mod at blive deformeret senere - et karakteristisk træk ved kratoner, sagde forskerne.

"Opskriften på fremstilling og stabilisering af kontinental skorpe involverer at koncentrere disse varmeproducerende elementer - som kan opfattes som små varmemotorer - meget tæt på overfladen," sagde Andrew Smye, lektor i geovidenskab ved Penn State og forfatter til undersøgelse. "Det er du nødt til at gøre, fordi hver gang et atom af uran, thorium eller kalium henfalder, frigiver det varme, der kan øge temperaturen i skorpen. Varm skorpe er ustabil - den er tilbøjelig til at blive deformeret og vil ikke hænge fast."

Efterhånden som vind, regn og kemiske reaktioner nedbrød klipper på de tidlige kontinenter, blev sedimenter og lermineraler skyllet ind i vandløb og floder og ført til havet, hvor de skabte sedimentære aflejringer som skifer, der var høje i koncentrationer af uran, thorium og kalium. sagde videnskabsmænd.

Kollisioner mellem tektoniske plader begravede disse sedimentære bjergarter dybt i jordskorpen, hvor radiogen varme frigivet af skiferen udløste smeltning af den nederste skorpe. Smelterne var flydende og steg tilbage til den øvre skorpe, fangede de varmeproducerende elementer der i klipper som granit og lod den nedre skorpe afkøle og hærde.

Kratoner menes at være dannet for mellem 3 og 2,5 milliarder år siden - en tid, hvor radioaktive grundstoffer som uran ville være henfaldet med en hastighed omkring dobbelt så hurtigt og frigivet dobbelt så meget varme som i dag.

Arbejdet fremhæver, at den tid, hvor kratonerne blev dannet på den tidlige mellemjord, var unikt egnet til de processer, der kan have ført dem til at blive stabile, sagde Reimink.

"Vi kan tænke på dette som et spørgsmål om planetarisk evolution," sagde Reimink. "En af de vigtigste ingredienser, du skal bruge for at lave en planet som Jorden, kan være fremkomsten af ​​kontinenter relativt tidligt i dens levetid. Fordi du kommer til at skabe radioaktive sedimenter, der er meget varme, og som producerer en virkelig stabil del af kontinental skorpe. der lever lige omkring havoverfladen og er et fantastisk miljø til at udbrede liv."

Forskerne analyserede uran-, thorium- og kaliumkoncentrationer fra hundredvis af prøver af sten fra den arkæiske periode, hvor kratonerne blev dannet, for at vurdere den radiogene varmeproduktivitet baseret på faktiske stensammensætninger. De brugte disse værdier til at skabe termiske modeller for kratondannelse.

"Tidligere har folk set på og overvejet virkningerne af at ændre radiogen varmeproduktion gennem tiden," sagde Smye. "Men vores undersøgelse forbinder stenbaseret varmeproduktion med fremkomsten af ​​kontinenter, dannelsen af ​​sedimenter og differentieringen af ​​kontinental skorpe."

Typisk findes i det indre af kontinenter, kratoner indeholder nogle af de ældste sten på Jorden, men forbliver udfordrende at studere. I tektonisk aktive områder kan dannelsen af ​​bjergbælte bringe klipper, der engang var blevet begravet dybt under jorden, til overfladen.

Men oprindelsen af ​​kratonerne forbliver dybt under jorden og er utilgængelige. Forskerne sagde, at fremtidigt arbejde vil involvere prøvetagning af gammelt interiør af kratoner og måske boring af kerneprøver for at teste deres model.

"Disse metamorfoserede sedimentære bjergarter, der har smeltet og produceret granitter, der koncentrerer uran og thorium, er som sorte boks-flyregistrere, der registrerer tryk og temperatur," sagde Smye. "Og hvis vi kan låse op for det arkiv, kan vi teste vores models forudsigelser for flyvevejen for den kontinentale skorpe."

Flere oplysninger: Jesse Reimink, Subaerial forvitring drev stabilisering af kontinenter, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07307-1. www.nature.com/articles/s41586-024-07307-1

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Pennsylvania State University