En indre utskjæring av den tidlige jorden som fremhever dens store geodynamiske prosesser. Magnetiske feltlinjer er tegnet i blått og rødt som kommer fra den flytende kjernen som genererte dem, mens platetektoniske krefter omorganiserer overflaten og spiller en rolle i den roterende sirkulasjonen til den steinete mantelen under. Kreditt: Alec Brenner
Forskning ledet av Harvard University gir nye, skarpere bevis på tidlig platetektonikk og vending av geomagnetiske poler.
Nye bevis peker på rollen til platetektonikk i tidlig jords frigjøring av indre varme og bytte av geomagnetiske poler.
Noen av de skarpeste bevisene ennå på at jordskorpen presset og trakk på en måte som ligner moderne platetektonikk for minst 3,25 milliarder år siden, er avslørt av ny forskning som analyserte deler av de eldste bergartene på planeten. I tillegg gir studien det tidligste beviset på når planetens magnetiske nord- og sørpoler byttet plass. De to funnene gir ledetråder til hvordan slike geologiske endringer kan ha resultert i et miljø som er mer gunstig for fremveksten av liv på planeten vår.
Beskrevet i journalen PNAS 24. oktober og ledet av Harvard-geologene Alec Brenner og Roger Fu, fokuserte arbeidet på en del av Pilbara-kratonet i Vest-Australia. Dette er en av de eldste og mest stabile delene av jordskorpen. Ved hjelp av banebrytende teknikker og utstyr viser forskerne at noe av jordens tidligste overflate beveget seg med en hastighet på 6,1 centimeter (2,4 tommer) per år og 0,55 grader hver million år.
Denne hastigheten er mer enn det dobbelte av hastigheten den eldgamle skorpen ble vist å bevege seg i en tidligere studie av de samme forskerne. Både hastigheten og retningen til denne breddedriften etterlater platetektonikk som den mest logiske og sterkeste forklaringen på det.
“Det er mye arbeid som synes å tyde på at platetektonikk tidlig i jordens historie faktisk ikke var den dominerende måten planetens indre varme frigjøres på, slik den er i dag, gjennom forskyvning av plater,” sa Brenner, Ph.D. .D. kandidat i Graduate School of Arts and Sciences og medlem av Harvards Paleomagnetics Lab. “Disse bevisene lar oss mye mer trygt utelukke forklaringer som ikke involverer platetektonikk.”
Geologene Alec Brenner og Roger Fu, fokuserte på en del av Pilbara-kratonet i Vest-Australia, en av de eldste og mest stabile delene av jordskorpen. Kreditt: Foto av Roger Fu
For eksempel kan etterforskerne nå argumentere mot fenomener kalt “ekte polarvandring” og “stagnerende lokktektonikk”, som begge kan føre til at jordoverflaten skifter, men som ikke er en del av platetektonikk i moderne stil. Fordi den nylig oppdagede høyere hastigheten er inkonsistent med aspekter ved disse to prosessene, lener resultatene seg mer mot platetektonisk bevegelse.
I papiret beskriver forfatterne også det som antas å være det eldste beviset på når jorden snudde sine geomagnetiske felt, noe som betyr at de magnetiske nord- og sørpolene ble snudd. Denne typen flip-flop er en vanlig forekomst i jordens geologiske historie. Faktisk, ifølge NASAhar polene snudd 183 ganger de siste 83 millioner årene og kanskje flere hundre ganger de siste 160 millioner årene.
Reverseringen forteller mye om planetens magnetfelt for 3,2 milliarder år siden. Nøkkelen blant implikasjonene er at magnetfeltet sannsynligvis var stabilt og sterkt nok til å forhindre at solvinden eroderer atmosfæren. Denne innsikten, kombinert med resultatene om platetektonikk, gir ledetråder til forholdene som de tidligste livsformene utviklet seg under.
“Det maler dette bildet av en tidlig jord som allerede var virkelig geodynamisk moden,” sa Brenner. “Den hadde mange av de samme typene dynamiske prosesser som resulterer i en jord som har mer stabile miljø- og overflateforhold, noe som gjør det mer mulig for liv å utvikle seg og utvikle seg.”
I dag består jordens ytre skall av rundt 15 skiftende skorpeblokker, eller plater, som holder planetens kontinenter og hav. Over evigheter drev platene inn i hverandre og fra hverandre, og dannet nye kontinenter og fjell og eksponerte nye bergarter for atmosfæren, noe som førte til kjemiske reaksjoner som stabiliserte jordens overflatetemperatur over milliarder av år.
Det er vanskelig å finne bevis på når platetektonikken startet, fordi de eldste jordskorpene skyves inn i den indre mantelen, for aldri å dukke opp igjen. Bare 5 prosent av alle bergarter på jorden er eldre enn 2,5 milliarder år gamle, og ingen bergarter er eldre enn rundt 4 milliarder år.
Samlet sett legger studien til økende forskning som viser at tektoniske bevegelser skjedde relativt tidlig i jordens 4,5 milliarder år lange historie, og at tidlige former for liv oppsto i et mer moderat miljø. I 2018 besøkte medlemmer av prosjektet Pilbara Craton, som strekker seg rundt 300 miles på tvers. De boret inn i den opprinnelige og tykke jordskorpen der for å samle prøver som, tilbake i Cambridge, ble analysert for deres magnetiske historie.
Ved å bruke magnetometre, avmagnetiseringsutstyr og Quantum Diamond Microscope – som avbilder magnetfeltene til en prøve og nøyaktig identifiserer naturen til de magnetiserte partiklene – skapte forskerne en rekke nye teknikker for å bestemme alderen og måten prøvene ble magnetisert på. Dette lar forskerne bestemme hvordan, når og i hvilken retning skorpen forskjøv seg, samt den magnetiske påvirkningen som kommer fra jordens geomagnetiske poler.
Kvantediamantmikroskopet ble utviklet i et samarbeid mellom Harvard-forskere ved Institutt for jord- og planetvitenskap (EPS) og for fysikk.
For fremtidige studier planlegger Fu og Brenner å holde fokus på Pilbara-kratonet mens de også ser utover det til andre eldgamle skorper rundt om i verden. De håper å finne eldre bevis på moderne platebevegelse og når jordens magnetiske poler snudde.
“Endelig å kunne lese disse svært gamle bergartene på en pålitelig måte åpner for så mange muligheter for å observere en tidsperiode som ofte er kjent mer gjennom teori enn solide data,” sa Fu, professor i EPS ved Fakultet for kunst og vitenskap. “Til syvende og sist har vi et godt grep om å rekonstruere ikke bare når tektoniske plater begynte å bevege seg, men også hvordan deres bevegelser – og derfor de dyptliggende prosessene i jordens indre som driver dem – har endret seg gjennom tiden.”
Referanse: “Plate motion and a dipolar geomagnetic field at 3.25 Ga” av Alec R. Brenner, Roger R. Fu, Andrew RC Kylander-Clark, George J. Hudak og Bradford J. Foley, 24. oktober 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2210258119