8 Minutės
Giliai Žemės plutose temperatūros, viršijančios 900 °C, pertvarkė planetos chemines ir mechanines savybes bei leido susiformuoti pirmiesiems stabiliems kontinentams. Naujas tyrimas, atliktas Pensilvanijos Valstijos universiteto (Penn State) ir Kolumbijos universiteto mokslininkų, sieja šį ultraaukštą (UHT) karštį su radioaktyvių elementų migracija į viršų — procesu, kuris tiek atvėsino apatines žemės plutos dalis, tiek susikoncentravo mineralus, reikalingus šiuolaikinei technologijai.
Paslėptas krosnis po mūsų kojomis
Miliardus metų Žemės kontinentai buvo kalvų, ekosistemų ir žmogaus civilizacijų arena. Vis dėlto geologai ilgai diskutavo, kaip kontinentinė pluta tapo tokia tvari per geologinį laiką. Naujas straipsnis žurnale Nature Geoscience, vadovaujamas Andrew Smye (Penn State) su bendraautoriu Peter Kelemen (Columbia University), pateikia paprastą, bet radikalų paaiškinimą: apatinei plutai reikėjo tapti žymiai karštesnei — daug karštesnei nei manyta anksčiau.
Mokslininkų skaičiavimai ir analizės rodo, kad tam tikrose apatinių plutų zonose temperatūra pakilo virš 900 °C. Tokiose sąlygose tam tikri mineralai išsilydo ar tampa mobili, o tektoninės jėgos transformuoja uolienų audinį. Svarbiausia: karštį gaminančios radioaktyviosios medžiagos — uranas, torius ir kalis — pradėjo migruoti į viršų per šias ultraaukštos temperatūros fazes. Kylant link paviršiaus ir skaidantis, šie elementai išskyrė šilumą arčiau paviršiaus, o giliau esanti apačioje plutą leido atvėsti, kristalizuotis ir sustiprėti. Galutinis rezultatas buvo kontinentų šaknys, atsparios erozijai ir nuolatiniam plokščių judėjimo kaitinimui.
Šis modelis keičia mūsų supratimą apie žemės plutos brandą ir stabilumą: vietoj to, kad radioaktyvūs elementai ilgai išlaikytų intensyvų vidinį kaitinimą gilioje plutoje, jie buvo efektyviai pašalinti į viršutinį sluoksnį, suteikdami galimybę gilumai vėsti ir sustingti. Tokia dinamika apima termodinamiką, difuziją, dalelių mobilumą ir metasomatozes, o tai reiškia, jog UHT epizodai vertė kompleksinius geocheminius procesus, svarbius plutos stabilumui ir mineraliniam perrašymui.
"Stabilūs kontinentai yra gyvybingumo prielaida, tačiau tam, kad jie taptų tokie, jiems reikia atvėsti," teigė Smye. "Norint atvėsti, reikia perkelti šiuos šilumą gaminančius elementus — uraną, torių ir kalį — link paviršiaus; jeigu jie lieka giliai, jie nuolat generuoja šilumą ir lydys plutą."
Reading the rock record: how scientists tested the idea
Hipotezei patikrinti komanda išanalizavo šimtus metasedimentinių ir metaiginių uolienų pavyzdžių iš plačiai skirtingų plutų skyrių, įskaitant Alpes ir kai kurias pietvakarių JAV dalis. Šios uolienos išsaugo rekordinę informaciją apie maksimalų slėgį ir temperatūrą, kurių jos patyrė būdamos daugiausia kietos — tai yra pagrindinė metamorfizmo žyma. Grupavę mėginius į aukštos temperatūros (HT) ir ultraaukštos temperatūros (UHT) kategorijas, tyrėjai galėjo palyginti, kaip elementų koncentracijos kito su metamorfizmo intensyvumu.
Poreškiausias modelis? Uolienos, kurios patyrė temperatūras virš maždaug 900 °C, nuosekliai turėjo žymiai mažesnes urano ir torio koncentracijas nei tos, kurios pasiekė tik 650–800 °C. Toks išsekimas atitinka šilumą gaminančių elementų perkėlimą į viršų UHT epizodų metu. Kitaip tariant, karščiausios fazės veikė tarsi planetinė distiliacija: giluminė pluta atsikratė radioaktyvaus "kuro", kuris pakilo aukštyn, o tuo pačiu giluminė zona atvėso ir sutvirtėjo.
Šiuos duomenis tyrėjai interpretavo pasitelkdami geochemines analizes, izotopinius santykius ir metamorfines termometrų metodikas. Geochemijos užrašai — pavyzdžiui, U/Pb ar Th/U santykiai, bei tam tikrų mineralų, tokių kaip granatas arba sillimanitas, išlikimas ar transformacija — suteikė nepriklausomą patikrinimą temperatūrų rekonstrukcijai. Tokie termometrai remiasi mineralinių fazių pusiausvyromis, kurios yra jautrios temperatūrai ir slėgiui.
Konteksto suteikimui: tipiniai geoterminiai gradientai — temperatūros padidėjimas su gyliu — yra apie 20 °C per kilometrą. Kadangi stabilios kontinentų šaknys dažniausiai siekia 30–40 km storį, 900 °C gilumose nėra įprastas rodiklis. Autoriai pažymi, kad Žemės vidus buvo karštesnis ankstyvoje istorijoje, o radioaktyviųjų elementų gausa tuo metu buvo maždaug dvigubai didesnė nei šiandien, todėl tokios UHT sąlygos buvo labiau tikėtinos kritiniu laikotarpiu prieš maždaug 3 milijardus metų, kai pradėjo formuotis moderni kontinentinė pluta.
Be to, tyrėjai aptarė procesų laiko skalę: UHT epizodai galėjo trukti nuo dešimčių tūkstančių iki milijonų metų, priklausomai nuo šilumos šaltinių, konvekcinių srautų ir litosferos deformacijos istorijos. Ilgalaikis karštis skatina difuzinį pernašą ir skystųjų fazių migraciją, todėl elementų redistribucija gali būti tiek greita (jei vyksta tirpimo ir skysčių migracija), tiek palaipsnė (jei dominuoja difuzija solidžioje matricoje).
Why this matters: minerals, exploration and planetary habitability
Ultraaukštos temperatūros kontinentų "kalimas" turi pasekmių, kurios išeina už grynos geologijos ribų. Kai uranas, torius ir kalis mobilizuojami, mineralai, kurie juos talpino, dažnai suyra ir atskleidžia kitus vertingus elementus — tarp jų ličio, tin, volframo ir retųjų žemių elementų. Šie kritiškai svarbūs mineralai yra būtini akumuliatoriams, elektronikai ir atsinaujinančios energetikos infrastruktūrai.
"Jei destabilizuojate mineralus, kurie talpina uraną, torį ir kalį, jūs kartu išlaisvinate didelį kiekį retųjų žemių elementų," pažymėjo Smye, siūlydamas, kad UHT epizodai gali palikti geocheminius parašus, naudingus šiuolaikinei mineralų paieškai. Regionai, kurie patyrė gilią kaitrą ir vėlesnį atšalimą, gali būti ypač patrauklūs atrandant koncentracijas kritinių metalų.
Praktinė nauda mineralų žvalgams yra dvi: pirmiausia, UHT metamorfizmas ir susijęs elementų perrašymas gali suformuoti ekonomines koncentracijas; antra, geocheminiai indikatoriai — mažesni urano ir torio kiekiai giliau kartu su anomalijomis viršutiniuose sluoksniuose — gali patarti, kur gilintis su gręžiniu. Tokios strategijos derina geologinį lauko daro, nuotolinį stebėjimą, izotopines analizes ir geofizinius metodus (pvz., magnetinę ar gravitacinę anomalių interpretaciją).
Platesniame planetiniame kontekste stabilūs kontinentai padeda palaikyti ilgalaikes tinkamas gyvybei sąlygas: jie formuoja stabilias žemynines mases, šviežių vandenų sistemas ir atmosferinius ciklus. UHT varoma šilumą gaminančių elementų redistribucija gali būti bendras mechanizmas akmeninėms planetoms: pasauliai, galintys pasiekti gilią kaitrą ir vėliau pašalinti radioaktyvią šilumą į viršų, galėtų sukurti ilgalaikes plutų sistemas, palankias gyvenimui. Planetologai, ieškantys tinkamų egzoplanetų, galėtų atsižvelgti į netiesioginius požymius, rodančius panašias vidines dinamikas planetoje praeityje.
Tyrimo autoriai pabrėžia, kad ankstesni modeliai nuvertino, kiek karštomis turėjo tapti tam tikros apatinių plutų dalys. "Iš esmės radome naują receptą, kaip "sukurti" kontinentus: jie turi įkaitti daug karščiau nei manyta anksčiau — apie 200 °C daugiau," sakė Smye. Jis palygino procesą su plieno gamyba — kaitinimas ir deformacija pertvarko struktūrą, pašalina silpnas fazes ir suteikia tvirtumą. Tektoninė suspaudimo ir kalnų formavimosi veikla UHT sąlygomis veikė kaip "kalvė", formuojanti kontinentus panašiu principu.
What the data say: consistency across locations
Vienas įspūdingas šio darbo bruožas yra signalo nuoseklumas per labai skirtingas geologines sritis. Tyrėjai rado tą patį modelį — UHT uolienos atsigavimo urano ir torio — pavyzdžiuose iš kelių žemynų. Toks pasikartojantis ženklas sustiprina argumentą, kad radioizotopų migracija aukštyn ekstremalaus šildymo metu yra globalus mechanizmas, o ne lokalus reiškinys.
Analitiniai metodai apėmė geochemijos tyrimus ir metamorfines termometrijas, kurios įvertina aukščiausias temperatūras pagal mineralų pusiausvyrą. Nauji laboratoriniai tyrimai, sujungti su dešimtmečių publikuotais duomenimis, leido komandai sudaryti platų duomenų rinkinį, apimantį skirtingas litologijas ir tektonines istorijas. Šio įvairovių derinio dėka autoriai galėjo pereiti nuo plausiblio mechanizmo prie tvirto geologinio modelio, paaiškinančio, kaip kontinentinė pluta stabilizavosi.
Be to, tyrime aptarti izotopiniai pavyzdžiai ir elementų santykiai, kurie leidžia atskirti UHT procesos pasekmes nuo kitų geocheminių perrašymų, pvz., hidroterminės alteracijos ar metamorfizmo žemos temperatūros diapazone. Tokie niuansai yra svarbūs aiškinant, ar retųjų elementų koncentracijos yra tiesioginis UHT produktas, ar galėjo susidaryti vėlesnio ciklo metu.
Expert Insight
"Šis tyrimas pertvarko mūsų mąstymą apie Žemės plutos terminę ir cheminę evoliuciją," sakė dr. Elena Ortiz, planetų geologė (fikcinė), dirbanti lyginamosios planetologijos srityje. "Jeigu šilumos varoma radioelementų mobilizacija yra įprastas kelias link tvirtų kontinentinių šaknų, tai suteikia mums testuojamą ašį planetų palyginimams. Žemėje tai paaiškina tiek plutos tvirtumą, tiek kritinių mineralų koncentraciją; kitose pasaulėse tai gali lemti skirtumą tarp trumpalaikių lavos lygumų ir tektoniškai atsparių kontinentų."
Future prospects: exploration, modeling and planetary probes
Ateityje šis darbas atveria kelias praktines ir mokslines kryptis. Mineralų žvalgymo kompanijos gali patobulinti taikymo strategijas, ieškodamos geologinių terranų, turinčių UHT metamorfizmo įrodymų ir vėlesnės retųjų elementų koncentracijos. Geodinaminiai modeliuotojai į savo simuliacijas įtrauks aukštesnius temperatūros slenkstus, siekdami realistiškiau modeliuoti plutos formavimąsi, kalnų grandinių kėlimą ir kartu vykstantį šilumos gaminančių elementų judėjimą.
Planetų mokslo srityje misijos, tiriančios poviršinę ir povandeninę struktūrą — tiek seisminių tinklų įrengimas ant kitų planetų, tiek nuotolinis plutos sudėties stebėjimas — galėtų ieškoti požymių, suderinamų su praeities giliu įšilimu ir elementų migracija. Tokie ženklai pridėtų svarbią dimensiją gyvybingumo vertinimui Marsui panašiuose kūnuose arba uolėtose egzoplanetose.
Tolimesni darbai turėtų apimti: detalesnius izotopinių santykių tyrimus, eksperimentinę mineralogiją, kuri nustato mobilumo slenksčius aukštose temperatūrose, bei integruotus geofizinius žvalgymus, leidžiančius susieti paviršinius anomalijas su giluminiais geocheminiais procesais. Tokia tarpdisciplininė prieiga padidins galimybes rasti ekonominius išteklius ir suprasti platesnes planetines dinamikas.
Tyrimas, finansuotas Jungtinių Valstijų Nacionalinės mokslo fondo (National Science Foundation) lėšomis ir paskelbtas Nature Geoscience, sujungia techninius metamorfinių petrologijos įžvalgas su didžiosiomis temomis: kaip Žemė tapo stabilia, gyvybei tinkama planeta ir kaip giluminė cheminė "santechnika" sukūrė išteklius bei sąlygas, nuo kurių šiandien priklausome.
Šaltinis: sciencedaily
Palikite komentarą