9 Minutės
Prieš milijardus metų žemės kontinentai formavosi ir įgavo ilgaamžiškumą ne vien dėl lėto atvėsimo, o dėl intensyvių aukštų temperatūrų, kurios keitė planetos žemesnės plutonos savybes. Nauji geochemijos tyrimai atskleidžia, kad ultraaukšta šiluma mobilizavo radioaktyviuosius elementus ir sukietino kontinentų šaknis, taip susidarant ilgalaikėms platformoms, kurios remia kalnus, ekosistemas ir — galų gale — gyvenimą.
Turning up the planetary furnace: the core idea
Penn State ir Kolumbijos universiteto mokslininkai nustatė aiškų mechanizmą, paaiškinantį, kodėl kontinentinė pluta tapo tokia stabili. Straipsnis, paskelbtas Nature Geoscience spalio 13 d., teigia, kad žemesnėje plutono dalyje temperatūros turėjo viršyti maždaug 900 °C — daug karščiau nei numatė daugelis ankstesnių modelių. Esant tokioms ultraaukštoms temperatūroms, šilumą gaminantys elementai, tokie kaip uranas ir toris, buvo verčiami kilti į viršų. Jų migracija aukštyn išnešdavo šilumą iš gilesnių plutonos sluoksnių, nes šie elementai žemiau paviršiaus ardydami skleidė šilumą arčiau seklesnių lygmenų; tai leido žemesnei plutai atvėsti, sukietėti ir vėliau būti atspariai lydymui.
Naujas uolienų cheminės sudėties tyrimas, kuriam vadovauja Penn State ir Kolumbijos universiteto mokslininkai, pateikia aiškiausius iki šiol įrodymus, kaip Žemės kontinentai tapo ir išliko stabiliomis struktūromis — ir pagrindinis veiksnys čia yra šiluma. Credit: Jaydyn Isiminger / Penn State
What the rocks reveal: methods and metamorphism
Tyrėjų komanda derino naujai imtus lauko mėginius su dešimtmečius kauptais paskelbtais geochemijos duomenimis. Buvo išanalizuota šimtai visos uolienos (whole-rock) analizės rezultatų iš metasedimentinių ir metaigneinių uolienų — uolienų, kurios sudaro didžiąją dalį žemesnės žemės plutonos — ir mėginiai buvo rūšiuojami pagal jų didžiausias (peak) metamorfines temperatūras. Metamorfinė piko temperatūra apibūdina aukščiausią temperatūrą, kurią uoliena patiria gilinant ir deformuojant, išlikdama iš esmės kieta; tokios temperatūros palieka cheminius „pėdsakus“, kuriuos galima nuskaito milijonams ar milijardams metų vėliau.
Mėginiai buvo imti iš skirtingų kalnų juostų, tarp jų — Alpėse ir pietvakarių Jungtinėse Valstijose, todėl tyrimas suteikė geografiškai platų bandymą. Visose šiose srityse mokslininkai atrado ryškų modelį: uolienos, kurios patyrė ultraaukštos temperatūros (UHT) metamorfizmą virš maždaug 900 °C, nuosekliai turėjo žymiai mažesnį urano ir torio kiekį nei uolienos, metamorfizuotos žemesnėse temperatūrose. Ši sisteminė šilumą gaminančių elementų išeikvojimo tendencija rodo procesą, fiziniu būdu pernešusį juos link paviršiaus intensyvios kaitros metu.
Why temperature matters: the physics of forging continents
Daugumos mineralų lydymosi pradžia žemės plutonose prasideda apie 650 °C. Tačiau pasiekti 900 °C reikalauja kito energijos biudžeto ir peržiūrėti plutonos šiluminį gradientą. Typinis kontinentinis geoterminis gradientas didėja maždaug 20 °C per kilometrą, todėl 900 °C pasiekti 30–40 km storio plutos dugne pagal vidutines šiuolaikines sąlygas nėra įprasta. Tyrimas siūlo, kad didžiąją Žemės ankstyvosios istorijos dalį aukštesnė vidinė radiogeninė šilumos gamyba ir intensyvesnė tektoninė dinamika padarė tokias ekstremalias temperatūras labiau pasiekiamas.
Andrew Smye, Penn State geosistemų docentas ir darbo vadovas, pateikia naudingą analogiją: plieno kalimas. Metalurgijoje metalo kaitinimas iki ductilumo leidžia mechaninį formavimą ir priemaišų pašalinimą; pakartotinis kalimas išlygina grūdus ir sustiprina galutinį produktą. Panašiai ir tektoninė deformacija kalnų juostose, kartu su ultraaukštomis temperatūromis, mechaniškai pertvarkė ir cheminiu požiūriu išvalė žemesnę plutą — sukurdama tvirtą, stabilų kontinentinį „šaknį“.
Šis mechaninis ir cheminis sujungimas — metamorfozė, mineralų atskyrimas ir migracija — reiškia, kad plutos šerdis gali tapti tankesnė ir atsparesnė geologiniams sukrėtimams. Tokios pertvarkos termodinaminiai modeliai ir geofiziniai duomenys rodo, kad procesai, kuriuos iki šiol laikė retomis anomalijomis, galėjo būti gana paplitę ankstyvoje Žemės evoliucijoje.
From uranium to lithium: modern implications for resources
Uolienų cheminės analizės rezultatai turi aktualių pasekmių šiandienos išteklių paieškai. Ta pati šiluma ir mobilizacija, kuri išplovė uraną ir torį iš gilesnės plutonos, taip pat destabilizavo mineralus, kuriuose kaupiasi ekonominiu požiūriu svarbūs elementai — ličio (ličio junginiai), alavo (tin), volframo (tungsten) ir įvairių retųjų žemių elementų koncentracijos. Jei šie elementai buvo perdistribuoti senovinių ultraaukštos temperatūros įvykių metu, suprasti jų migracijos kelius gali padėti geologams ir geocheminių anomalijų žemėlapių sudarytojams tiksliau lokalizuoti šių mineralų sankaupas šiandien.
Smye ir bendraautoris Peter Kelemen (Kolumbijos universitetas) pažymi, kad ankstyvoji Žemė turėjo maždaug dvigubą radiogeninės šilumos gamybą, palyginti su dabartimi. Didesnis šilumos biudžetas ne tik skatino plutos „kalimą“ ir sutankinimą, bet ir padarė metalų senovinį perskirstymą reikšminga planetos mineralinės sudėties dalimi. Šiuolaikinės geocheminių anomalijų žemėlapio sudarymo metodikos ir struktūrinių kelių (pvz., tektoninių zonų) analizė gali pasinaudoti šiomis įžvalgomis, kad patikslintų vietas, kur verta ieškoti kritinių mineralų, kurie reikalingi baterijoms, elektronikai ir atsinaujinančiai energetikai.
Praktinis pavyzdys: jei ličio, dažnai susijusio su šlapiais aritminiais tirpalais ar specifinėmis uolienų alteracijos zonomis, migracija sutapo su tam tikromis tektoninėmis struktūromis ar UHT zonomis, geologai gali susikurti prioritetines srities paieškos disciplinas. Tai reiškia, kad geofizikiniai tyrimai, gręžimo duomenys ir detalios uolienų cheminės analizės tapo dar svarbesni kuriant tikslias išteklių žvalgybos strategijas.
Tyrimo išvadas pagrindė mėginių ėmimas Alpėse ir pietvakarių JAV bei anksčiau paskelbti literatūros duomenys. Čia matome cheminę analizę, atliktą Smye laboratorijoje Penn State. Credit: Jaydyn Isiminger / Penn State
Implications beyond Earth: clues for planetary habitability
Stabilios kontinentinės platformos yra daugiau nei patogumas biologiniam gyvenimui — jos daro įtaką klimato reguliavimui, maistinių medžiagų ciklams ir ilgalaikiam paviršiaus aplinkos stabilumui. Studija sieja kontinentų stabilumą su procesais, kurie pašalina vidinius šilumos gamintojus iš gilesnės plutonos, siūlydama, kad akmenuoti planetų pasauliai su panašia geodinamine elgsena taip pat galėtų suformuoti stabilias plutonines platformas, palankias gyvybei.
Jeigu tektoninės ir terminės sąlygos, reikalingos kontinentų „kalimui“, yra palankios kitose akmeninėse planetose, tuomet radioaktyviųjų elementų pasiskirstymas ir vidinis šilumos biudžetas tampa matuojamu kriterijumi vertinant planetų tinkamumą gyvybei. Eksoplanetų cheminės sudėties stebėjimai ir modeliai, kartu su geresniu geocheminės mobilumo esant aukštoms temperatūroms supratimu, gali pridėti naują dimensiją ieškant gyvybės už Saulės sistemos ribų.
Tokia perspektyva sujungia Žemės geologiją su astronomija ir planetų mokslais: išmoktos pamokos apie urano ir torio elgseną labai praturtina kriterijus, pagal kuriuos vertiname planetų vidinę dinamiką ir ilgalaikes paviršiaus sąlygas.
Technical nuance: HT versus UHT and the crustal record
Tyrėjai savo mėginius klasifikavo į aukštos temperatūros (HT) ir ultraaukštos temperatūros (UHT) grupes. UHT kategorijai priskirtos uolienos rodė nuoseklų urano ir torio išeikvojimą, tuo tarpu HT uolienos ne visuomet turėjo tokią aiškią cheminę parašą. Šis skirtumas yra svarbus, nes jis sieja chemines transformacijas su specifiniu terminiu langeliu. Geologams nagrinėjant plutos įrašus reikia atsižvelgti ne tik į tai, ar uolienos išsilydė, bet ir į tai, kokios temperatūros buvo pasiektos ir kaip šios temperatūros skatino elementų mobilumą.
Smye pabrėžia, kad toks išaiškintas signalas reiškia ilgą ir kruopštų geologinį darbą: „Retai pasitaiko, kad tiek skirtingų vietovių uolienose būtų toks nuoseklus signalas. Tai vienas iš tų eureka momentų, kai duomenys rodo bendrą fizinį procesą, veikusią per senovines kalnų juostas.“
Techniniai aspektai, tokie kaip fazinė pusiausvyra mineraluose, slėgio ir temperatūros trajektorijos (P–T diagramose), mineralų tekstūros analizė ir izotopų geochemija, visgi reikalingi norint tiksliai rekonstruoti migracijos ir ekstrahavimo procesus. Tokios duomenų kombinacijos leidžia atskirti, kurie cheminiai pokyčiai susiję su aukštomis temperatūromis, o kurie galėjo atsirasti vėlesnių pokyčių metu (pvz., hidroterminės alteracijos ar metasomatizmas).
Expert Insight
Dr. Elena Martínez, geofizikė ir planetų mokslo specialistė (fikcinė persona), pateikia platesnį kontekstą: „Šis tyrimas elegantiškai sujungia petrologiją, geochemiją ir tektoniką. Parodęs, kad ultraaukštos temperatūros buvo plačiai paplitusios ir veiksmingos perkeliant šilumą gaminančius elementus, jis paaiškina, kaip kontinentai galėjo įgyti terminių savybių architektūrą, reikalingą ilgalaikiam stabilumui. Planetų mokslininkams rezultatas pabrėžia būtinybę vertinti vidinius šilumos biudžetus ir elementų migraciją vertinant egzoplanetų gyvybingumą.“
„Iš taikomosios perspektyvos,“ ji priduria, „šie mechanizmai taip pat padeda paaiškinti kritinių metalų koncentracijos kelius. Paieškos strategijos, integruojančios struktūrinę geologiją su geocheminiu žemėlapiu, gaus praktinės naudos iš šių įžvalgų.“
The larger story
Tyrimas peržvelgia esminį Žemės mokslų klausimą: kaip kontinentai tapo patvariomis platformomis, o ne laikinais plutonos fragmentais? Atsakymas, teigia autoriai, slypi ne vien tik lėtu atvėsimu, o kombinacijoje ypatingų terminės būtinosi ir elementų perkėlimo episodų. Šie įvykiai išliko įrašyti uolienų chemijoje, šiandien atidengtose kalnų grandinėse, ir skaitant šį įrašą atsiveria tiek fundamentali Žemės evoliucijos istorija, tiek praktinės gairės išteklių ir gyvybingumo paieškai.
Šiuolaikiniam stebėtojui mintis, kad planetos plutą kartkartėmis kaitino kaip kalvę, gali pasirodyti įspūdinga — tačiau tai padeda suprasti, kodėl kontinentai išliko kertiniu Žemės paviršiaus elementu milijardus metų. Integruojant petrologinius duomenis, geofizikinius stebėjimus ir geocheminius žemėlapius, gauname nuoseklią naratyvą apie tai, kaip termodinamika, tektonika ir cheminė mobilizacija kartu formavo mūsų planetos paviršių.
Tyrėjai išanalizavo šimtų metasedimentinių ir metaigneinių uolienų visos uolienos cheminius duomenis — tokių uolienų tipai sudaro didžiąją dalį žemesnės žemės plutonos — ir vėliau klasifikavo mėginius pagal jų aukščiausias metamorfines temperatūras, kai uolienos patiria fizinius ir cheminius pokyčius išlikdamos daugiausia kietos. Andrew Smye, kairėje, geosistemų docentas, nuotraukoje analizuoja uolienų mėginį su savo studentų tyrimų komanda. Credit: Jaydyn Isiminger / Penn State
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą