Анализ древних пород региона Пилбара в Западной Австралии предоставляет новые данные о ранней геологической истории Земли. Исследование, опубликованное 19 марта в журнале Science, фокусируется на магнитных кристаллах, заключенных в вулканических породах Купола Северного полюса, возраст которых составляет около 3,5 миллиардов лет. Эти кристаллы сохранили запись палеомагнитного поля планеты.
Палеомагнитные данные указывают на значительное латеральное перемещение изучаемого участка земной коры. Примерно 3,48 миллиарда лет назад эта порода сместилась примерно на 2500 километров к полюсу в течение нескольких миллионов лет. Это открытие отодвигает самые ранние прямые свидетельства горизонтального движения плит на 140 миллионов лет в прошлое по сравнению с предыдущими оценками.
Полученные результаты имеют фундаментальное значение для понимания эволюции тектоники плит и её возможной роли в создании стабильных условий для развития жизни на планете. Исследование подтверждает, что процессы, сходные с современной тектоникой плит, были активны уже в раннем архее.
Породы Купола Северного полюса в Австралии, сформировавшиеся из лавы, излившейся на морское дно около 3,5 миллиардов лет назад, содержат древнейшие на планете свидетельства процессов, аналогичных тектонике плит. Засушливые холмы региона Пилбара в Западной Австралии хранят самые ранние из известных доказательств горизонтального перемещения тектонических плит на поверхности Земли.
Микроскопические магнитные кристаллы, захваченные горной породой, зафиксировали перемещение данной территории в геологическом времени. Согласно исследованию, опубликованному 19 марта в журнале Science, примерно 3,48 миллиарда лет назад эта порода переместилась на расстояние около 2500 километров к полюсу в течение эпизода, длившегося несколько миллионов лет. Это открытие отодвигает самые ранние свидетельства движения плит на 140 миллионов лет в прошлое.
«Это основа известной нам планеты, на которой существует [точно установленная] тектоника», и важно понять, когда это началось, — говорит Алек Бреннер, палеомагнитный геолог из Йельского университета.
Исследователи предполагают, что тектоника стабилизировала окружающую среду Земли, увеличивая нагрузку на жизнь.Но ученые яростно спорят о том, когда это началось. Оценки различаются от 1 до 4 миллиардов лет назад.
Исследователи, вероятно, нашли «единственные камни в мире», которые могли бы убедительно показать движение земной коры так давно, говорит Клэр Николс. Палеомагнетик из Оксфордского университета не участвовал в обучении, но написал сопроводительный комментарий.
В современном тектонике континентальные плиты медленно дрейфуют и притираются друг к другу, в то время как более тонкие и плотные плиты изгибаются, изгибаются и тают под краями континентов — процесс, называемый субдукцией, который подпитывает вулканы и рост горных хребтов, таких как Гималаи и Анды. В результате повторного использования на поверхности Земли образовались новые породы, которые выделяют углекислый газ при разрушении, стабилизируя уровень парниковых газов и климат на Земле в течение геологического времени.
Ученые могут реконструировать прошлые движения континентов, анализируя микроскопические кристаллы минералов под названием магнетит. Эти кристаллы отпечатываются на магнитном поле Земли по мере своего формирования; Изучая их ориентацию, подобную компасу, ученые могут оценить широту — то есть расстояние от экватора — где удерживает камни в момент их формирования. Глядя на горные породы разного возраста, они могли отслеживать, как тектонические плиты перемещались на протяжении миллионов лет.
Но чем выше камни, тем слабее сигнал. Магнетизм — «очень, очень хрупкое свойство», которое легко стирается под воздействием тепла и давления, — говорит Роджер Фу, палеомагнитный геолог из Гарвардского университета.
Фу, Бреннер и его коллеги ранее использовали палеомагнитные измерения в другой части Пилбары, чтобы показать, что эта местность переместилась более чем на 5000 километров за период в 160 миллионов лет, начиная с 3,34 миллиарда лет назад. Но поскольку они отследили только один кусок ядра, они не могли полностью исключить возможность возникновения катастрофы, в результате чего произошло смещение магнитного ядра Земли, а не плиты ядра на поверхность.
Когда лава изверглась на морское дно 3,5 миллиарда лет назад, она столкнулась с холодной морской водой и быстро остыла, образовав видимые здесь капли базальта-подушки (названные так, потому что они часто напоминают подушки). Внутри этих камней спрятаны микроскопические магнитные кристаллы; они показывают, что этот кусок земной коры быстро продвинулся на 2500 километров за короткий период в несколько миллионов лет. На фотографиях для масштаба изображен каменный молот с синей ручкой. Алек Бреннер/Йельский университет, Гарвардский университет.
Чтобы преодолеть эту неопределенность, команда обыскала другую часть Пилбары, называемую Куполом Северного полюса, с камнями в возрасте до 3,48 миллиардов лет. Фу и Бреннер — тогда работавшие в Гарварде — вернулись три года в поисках там магнитного сигнала. Это была «большая авантюра», признал Бреннер. Но это принесло свои плоды.
Анализ ориентации магнетита показал, что за несколько миллионов лет порода дрейфовала от широты современной Берлина до широты центральной Гренландии. И на этот раз их результаты были задержаны другими учеными’ измерение. Это показывает, что в то время, как полюса Северного склона двигались, столь же старые скалы в южном направлении перемещались неподвижными вблизи экватора.
Это означает, что «между двумя разными частями поверхности Земли [было] относительное движение», — говорит Бреннер. «Единственный способ сделать это — лучшие плиты двигаются независимо». Самые ранние свидетельства такого рода внезапного движения были датированы 2,5 миллиарда лет назад для двух частей земной коры, которые находятся на территории современного Вайоминга и Канады.
Во время последнего исследования Купол Северного полюса перемещался на 47 градусов в год — в шесть раз быстрее, чем любые плиты движутся сегодня.
Такая скорость, вероятность, вполне вероятна для данного периода времени, говорит Джон Вэлли, геохимик из Университета Висконсин-Мэдисон, не принимавший участия в работе. «Было больше тепла, которое нужно было рассеять» из недр Земли, поэтому кора была теплее и гибче, чем сегодня.
Вэлли считает, что некоторые части поверхности Земли начали двигаться еще задолго до 3,48 миллиарда лет назад. Используя другой метод — анализируя состав сверхпрочных кристаллов, называемых цирконами, чтобы оценить, как постепенно кора расширялась, плавилась и перерабатывалась — он и его коллеги пришли к выводу, что некоторые части ранней поверхности Земли, казалось, погружались, в то время как другие части находились в неизменном состоянии.
Субдукция и движение плит часто идут рука об руку — поэтому результаты Вэлли могут показать, что часть поверхности Земли начала двигаться 4,2 миллиарда лет назад — всего через 300 миллионов лет после образования планеты. «Но субдукция — это не то же самое, что тектоника плиты», — предупреждает Вэлли. Его результаты по цирконам также могут быть последствиями, в которых кора была стационарной.
Чтобы доказать, что плиты действительно двигались, ученым необходимо найти прямые магнитные доказательства в неповрежденных слоях горных пород. Но большинство возрастом более 3,48 миллиардов лет утратили свои магнитные отпечатки.
«Есть порода возрастом 3,7 или 3,8 миллиарда лет, где это возможно», — говорит Вэлли. «Это будет предел».