Αναλύσεις ορυκτών ηλικίας 4 δισεκατομμυρίων ετών αποκαλύπτουν ενεργή τεκτονική και ανακύκλωση του φλοιού κατά τον Αδαίο μεγααιώνα, αναθεωρώντας όσα γνωρίζαμε για τη βρεφική ηλικία του πλανήτη.
Μια ολοκληρωμένη εξέταση των παλαιότερων ορυκτών του πλανήτη -μικροσκοπικοί κόκκοι ζιρκονίου, πιο ανθεκτικοί και από το διαμάντι- παρείχε τις ισχυρότερες χημικές ενδείξεις μέχρι σήμερα ότι οι διαδικασίες σχηματισμού των ηπείρων και ανακύκλωσης του φλοιού της Γης βρίσκονταν ήδη σε λειτουργία κατά τον πρώτο αιώνα της ύπαρξης του πλανήτη.
Τα παραδοσιακά μοντέλα για την πρώιμη ηλικία της Γης που αμφισβητούνται
Τα αποτελέσματα της έρευνας, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature, αμφισβητούν ευθέως τα κυρίαρχα γεωδυναμικά μοντέλα που επί δεκαετίες παρουσίαζαν τον Αδαίο Μεγααιώνα (την περίοδο μεταξύ του σχηματισμού του πλανήτη πριν από 4,57 δισεκατομμύρια χρόνια και 4,0 δισεκατομμύρια χρόνια πριν) ως μια εποχή τεκτονικής ηρεμίας. Σύμφωνα με αυτά τα παλαιότερα μοντέλα, ο πλανήτης καλυπτόταν από ένα άκαμπτο και αμετάβλητο «κάλυμμα», στερούμενος σημαντικών ηπειρωτικών μαζών.
Η έρευνα, υπό την καθοδήγηση γεωεπιστημόνων από το Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν-Μάντισον, επικεντρώνεται σε μια χούφτα ζιρκονίων που βρέθηκαν στους λόφους Τζακ Χιλς (Jack Hills), σε μια απομακρυσμένη περιοχή της Δυτικής Αυστραλίας. Αυτοί οι κρύσταλλοι, με μέγεθος περίπου όσο ένας κόκκος άμμου και ηλικία άνω των 4 δισεκατομμυρίων ετών, αποτελούν το μοναδικό άμεσο ορυκτολογικό αρχείο που έχει διασωθεί από την πρώτη πύρινη περίοδο του πλανήτη.
Πρόκειται για απίστευτα ανθεκτικές χρονοκάψουλες που εγκλείουν, στην ατομική τους δομή και χημική σύσταση, τις συνθήκες που επικρατούσαν τη στιγμή που κρυσταλλώθηκαν από μάγματα τα οποία έχουν εξαφανιστεί προ πολλού.
Το κλειδί της ανακάλυψης βρίσκεται στην εφαρμογή αναλυτικών τεχνικών αιχμής που αναπτύχθηκαν ειδικά για αυτή την μελέτη. Η ομάδα χρησιμοποίησε το φασματόμετρο μάζας δευτερογενών ιόντων WiscSIMS, ένα όργανο ακριβείας νανομετρικής κλίμακας εγκατεστημένο στην πανεπιστημιούπολη του Μάντισον, ικανό να μετρήσει την αφθονία ιχνοστοιχείων σε μικροσκοπικά αντικείμενα με διάμετρο το ένα δέκατο μιας ανθρώπινης τρίχας.
Πώς τα ζιρκόνια λειτουργούν ως «χρονοκάψουλες»
Μέσω νέων διαδικασιών, οι ερευνητές πέτυχαν να προσδιορίσουν ποσοτικά τις συγκεντρώσεις στοιχείων όπως το άφνιο, το οξυγόνο και τα ισότοπα λιθίου σε μεμονωμένους κόκκους ζιρκονίου – γεωχημικοί δείκτες που λειτουργούν ως αδιαμφισβήτητα αποτυπώματα του μαγματικού περιβάλλοντος στο οποίο σχηματίστηκε ο κάθε κρύσταλλος.
«Αυτό που βρήκαμε στα ζιρκόνια των Jack Hills είναι ότι τα περισσότερα δεν παρουσιάζουν μια χημική υπογραφή συμβατή με άμεση προέλευση από τον πρωτόγονο μανδύα της Γης», εξηγεί ο John Valley, ομότιμος καθηγητής γεωεπιστημών στο UW–Madison και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
Τι αποκαλύπτει η χημεία των ζιρκονίων
Αντίθετα, η χημεία τους είναι χαρακτηριστική ενός εξελιγμένου ηπειρωτικού φλοιού. Φαίνεται ότι σχηματίστηκαν σε ένα γεωδυναμικό πλαίσιο που σχετίζεται με μια ζώνη υποβύθισης. Η υποβύθιση, η διαδικασία κατά την οποία μια πλάκα του φλοιού της Γης βυθίζεται κάτω από μια άλλη, είναι η κύρια “μηχανή” ανακύκλωσης του φλοιού και παραγωγής γρανιτικών μαγμάτων στη σύγχρονη Γη.
Η ριζοσπαστική καινοτομία της μελέτης αναδύεται όταν αυτά τα δεδομένα συγκρίνονται με εκείνα που είχαν ληφθεί προηγουμένως από ζιρκόνια του Αδαίου μεγααιώνα από μια άλλη τοποθεσία-κλειδί: Τον κρατώνα Κάπβααλ (Kaapvaal) στη Νότια Αφρική.
Εκείνα τα αφρικανικά ζιρκόνια δείχνουν πράγματι την πρωτόγονη γεωχημική υπογραφή που αναμένεται σε ένα περιβάλλον όπου ο μαγματισμός θα προερχόταν ουσιαστικά από στήλες του μανδύα, χωρίς σημαντική αλληλεπίδραση με ανακυκλωμένο φλοιό.
Ένας πλανήτης με πολλά τεκτονικά καθεστώτα
Ο Valley τονίζει την εγκυρότητα και των δύο συνόλων δεδομένων. «Πιστεύω ότι τα δεδομένα από τη Νότια Αφρική είναι σωστά, και τα δικά μας δεδομένα είναι επίσης σωστά. Αυτό σημαίνει ότι η Γη κατά την Αδαία περίοδο δεν καλυπτόταν από ένα ομοιόμορφο κάλυμμα. Υπήρχε μια ποικιλομορφία τεκτονικών καθεστώτων που λειτουργούσαν ταυτόχρονα σε διαφορετικές περιοχές του πλανήτη».
Αυτό το σενάριο πρώιμης πολυπλοκότητας επιβάλλει την αναδιατύπωση των υπαρχόντων μοντέλων. Η υποβύθιση που πιθανόν δημιούργησε τα ζιρκόνια των Jack Hills δεν θα ήταν πανομοιότυπη με την τεκτονική των πλακών που λειτουργεί σήμερα, με τα εκτεταμένα όριά της μεταξύ άκαμπτων πλακών.
Το σενάριο για τη δημιουργία των πρωτο-ηπείρων
Ο Valley προτείνει έναν πιο εντοπισμένο μηχανισμό, πιθανώς καθοδηγούμενο από μανδυακές στήλες οι οποίες, κατά την άνοδο και τη μερική τήξη τους, δημιούργησαν πρωτο-ηπείρους και προκάλεσαν ρεύματα μεταφοράς στη βάση ενός αρχέγονου φλοιού, αρκετά ισχυρά ώστε να παρασύρουν υλικό της επιφάνειας προς τα κάτω.
«Αυτό είναι υποβύθιση», δηλώνει ρητά ο Valley. «Δεν είναι τεκτονική πλακών με τη σύγχρονη έννοια, αλλά περιλαμβάνει τη βύθιση επιφανειακών πετρωμάτων στον μανδύα. Είναι ανακύκλωση του φλοιού». Οι προεκτάσεις αυτής της διαδικασίας είναι βαθυστόχαστες. Για να υπάρξει υποβύθιση, πρέπει να υπάρχει υλικό στην επιφάνεια που να μπορεί να βυθιστεί.
Η χημεία των ζιρκονίων υποδεικνύει ότι αυτό το υλικό ήταν υγρός ηπειρωτικός φλοιός. Το νερό αποτελεί κρίσιμο συστατικό – όταν παρασύρεται σε μεγαλύτερα βάθη κατά τη διαδικασία της υποβύθισης, προκαλεί την αφυδάτωση των πετρωμάτων, γεγονός που με τη σειρά του μειώνει το σημείο τήξης των γύρω μανδυακών πετρωμάτων και παράγει μάγματα γρανιτικής σύστασης.
«Αν υπάρχει υλικό στην επιφάνεια, τότε η επιφάνεια είχε υγρό νερό κατά την Αδαία περίοδο», συμπεραίνει ο Valley. «Και όταν μεταφέρεις αυτό το υλικό προς τα κάτω, είναι υγρό και αφυδατώνεται. Το νερό προκαλεί τήξη, και αυτό σχηματίζει γρανίτες».
Οι γρανίτες και τα συναφή με αυτούς πετρώματα αποτελούν τα θεμελιώδη συστατικά των σύγχρονων ηπείρων. Η χαμηλότερη πυκνότητά τους σε σύγκριση με τα βασαλτικά πετρώματα του ωκεάνιου πυθμένα τούς προσδίδει άνωση, επιτρέποντάς τους να αναδύονται ως σταθερές μάζες ξηράς πάνω από τη στάθμη της θάλασσας.
Επαναπροσδιορίζοντας τα όρια της ζωής στον πλανήτη Γη
«Αυτό αποτελεί απόδειξη για τις πρώτες ηπείρους και τις πρώτες οροσειρές», καταλήγει ο Valley. Η ανάδυση στερεάς, στεγνής και σταθερής ξηράς αποτελεί έναν μείζονα πλανητικό σταθμό, με συνέπειες που ξεπερνούν την καθαρή γεωλογία και εκτείνονται στο πεδίο της κατοικησιμότητας και της προέλευσης της ζωής.
Η μελέτη δεν προσδιορίζει πότε ακριβώς εμφανίστηκε η ζωή, αλλά επαναπροσδιορίζει ριζικά το περιβαλλοντικό πλαίσιο εντός του οποίου θα μπορούσε να έχει συμβεί. Τα παλαιότερα αποδεκτά μικροσκοπικά απολιθώματα έχουν ηλικία περίπου 3,5 δισεκατομμυρίων ετών.
Τα ζιρκόνια των Jack Hills, ηλικίας 4 δισεκατομμυρίων ετών ή και περισσότερο, υποδεικνύουν ότι οι επιφανειακές συνθήκες που είναι απαραίτητες για τη ζωή -ένα σταθερό ηπειρωτικό περιβάλλον, η παρουσία υγρού νερού και οι πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ φλοιού και μανδύα- υπήρχαν εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια νωρίτερα από ό,τι υποδεικνύουν τα αρχεία των απολιθωμάτων.
«Προτείνουμε ότι υπήρξαν περίπου 800 εκατομμύρια χρόνια ιστορίας της Γης κατά τα οποία η επιφάνεια ήταν κατοικήσιμη, αλλά δεν έχουμε απολιθωμένες αποδείξεις και δεν γνωρίζουμε πότε πρωτοεμφανίστηκε η ζωή στη Γη», παραδέχεται ο Valley.
