Die frühe Plattentektonik war überraschend schnell – Ars Technica

Hat sich die Geschwindigkeit tektonischer Platten in den letzten drei Milliarden Jahren verändert? Die Antwort hat weitreichende Auswirkungen, da die Plattentektonik alles beeinflusst hat, von der Versorgung mit lebenswichtigen Nährstoffen für das frühe Leben bis hin zum Sauerstoffanstieg. Wir wissen, dass das Erdinnere zu Beginn seiner Geschichte viel heißer war, aber es enthielt Platten Bewege dich schneller Denn der heißeste Mantel war matschig, oder es war der heißeste Mantel Sie enthalten weniger Wasserwas hilft den Mineralien zu fließen, verlangsamt die Platten?

A Neue StudieUnter der Leitung von Dr. Jennifer Kasbaum von der Yale University haben alte Magnetfelder gemessen und Gesteine ​​aus Westaustralien datiert, um zu zeigen, dass sich der Pilbara-Kraton – ein früher Kontinent – ​​vor etwa 2,7 Milliarden Jahren mit großer Geschwindigkeit bewegte. Während die schnellste Boardbewegung heute ist ca. 12 cm (4,7 Zoll) pro Jahr, der Pilbara-Kraton bewegte sich bis zu 64 cm (25 Zoll) pro Jahr.

Ein seltenes Relikt aus der frühen Erde

In der archäischen Ära, einer Zeit, die näher an der Entstehung unseres Sonnensystems lag als heute, strömte Basalt auf die gleiche Weise wie heute über das Gebiet, das später Westaustralien werden sollte. Island Und Hawaii Heute. Die tektonischen Platten waren still verhältnismäßig neuund die Kontinente befanden sich im Anfangsstadium, aus dem herauszukommen, was sehr schlimm war Wasserwelt. Die Luft war sauerstoffarm und das am weitesten fortgeschrittene Leben kam in Form mikrobieller Gemeinschaften vor, die heute in Megafossilien konserviert sind, die als „Stromatolithen. „

„Wir wissen, dass die Erde heißer wird. Bedeutet das also, dass die Konvektion im Erdmantel schneller erfolgt?“ fragten ihre Verdiener. „Mantelkonvektion ist der zugrunde liegende Prozess der Plattentektonik.“

Kasbaum und Kollegen aus Princeton, Yale und MIT machten sich daran, mehr über die Natur der Plattentektonik des Archäikums zu erfahren, indem sie genaue Daten über die Bildung alter Basaltlava mit Messungen des Erdmagnetfelds verbanden, das in diesen Basalten beim Abkühlen immobilisiert wurde. Ziel war es, die Bewegung und Geschwindigkeit der Pilbara aufzuzeichnen, während sie über der Erdoberfläche schwebte.

Da die Plattentektonik auf unserem Planeten größtenteils wieder aufgetaucht ist, sind archäische Gesteine ​​relativ selten und den meisten geht es nach Milliarden von Jahren tektonischen Missbrauchs deutlich schlechter. Die Pilbara blieb jedoch von der Erhitzung und Verformung verschont, unter der die meisten anderen archäischen Gesteine ​​leiden.

„Gott sei Dank hat die Pilbara die letzten vier Milliarden Jahre der Geschichte überlebt!“ Ihre Verdiener äußerten sich.

Heartbreaker-Projekt

Kasbaums Studie dauerte ein Jahrzehnt. Die Gesteinsdatierung und magnetischen Analysen waren mühsam. In den Jahren 2013 und 2014 wurden vierzehn Wochen lang Proben entnommen und im australischen Outback gezeltet, gefolgt von jahrelanger Laborarbeit. Und trotz all dieser Mühe blieben ihr nur wenige Proben, mit denen sie arbeiten konnte.

„In Bezug auf die Geochronologie war es ein herzzerreißendes Projekt“, sagte sie zu Ars.

Kasbaum brauchte Proben mit Zirkonkristallen für die Uran-Blei-Datierungstechnik, aber Basalt hatte nicht die richtige Chemie für einen Zirkonkristall, also musste sie Zirkon in der Asche finden, die aus heutigen Vulkanen ausgebrochen war, die sich auf einzelnen Basaltflüssen niedergelassen hatten. Auch dort hatte sie Glück: Die meisten der Zirkone, die sie fand, stammten später aus altem Granit und nicht aus zeitgenössischen Vulkanausbrüchen.

Am Ende lieferten von den 21 Ascheschichten zwischen pyroklastischen Strömen, die beprobt wurden, nur vier relevante Daten: „Viel Arbeit, aber nicht viel zu zeigen“, sagte Kasbaum. Diese vier Daten waren jedoch genau genug, um die Bewegung der Pilbara über vier Zeitpunkte hinweg zu verfolgen.

Die Probenahme der magnetischen Daten war ebenso mühsam, brachte aber mehr Ergebnisse. Kasbaum erzählte Ars, dass es sich dabei um das Bohren von 846 Gesteinszylindern an 75 verschiedenen Stellen in der Lavaabfolge handelte, und zwar mit „einem Kettensägenmotor, der auf eine 1-Zoll-Diamantbohrkrone reduziert war“. Bevor einer dieser Zylinder von der Felsoberfläche abgeschnitten wurde, wurden vor allem Magnet- und Sonnenkompasse verwendet, um ihre genaue dreidimensionale Ausrichtung aufzuzeichnen.

Um die in den Proben erhaltene alte Magnetfeldrichtung herauszufinden, analysierte Kasbaum sie im Paläomagnetismuslabor des MIT in einer Kammer, die von allen externen Magnetfeldern, einschließlich der der Erde, abgeschirmt war. Das Magnetfeld in den Proben wurde mit nachgewiesen Hochempfindliches Magnetometer Basierend auf einem „Tintenfisch“ (supraleitendes Quanteninterferenzgerät), der durch flüssiges Helium auf -269 °C (−452 °F) gekühlt wird. Das Instrument zeichnete die Richtung des alten Magnetfelds auf, und dann berücksichtigte die Software die Ausrichtung der Probe bei der Entnahme, um den Breitengrad zu berechnen, als die Lava abkühlte.

Der Breitengrad (wie weit nördlich oder südlich) kann bestimmt werden, weil die magnetischen Feldlinien der Erde am Äquator horizontal verlaufen, aber zunehmend nach unten, Richtung Norden oder Süden, zeigen. Leider kann uns die Technologie den Längengrad des Standorts (Ost-West) nicht mitteilen.

stellt Verschleiß dar

Bei sehr alten Gesteinen besteht die Gefahr, dass die Daten oder das Magnetfeld durch geologische Ereignisse in 2,7 Milliarden Jahren verschoben wurden.

Um Veränderungen in ihrem Magnetfeld zu erkennen, erhitzte Kasbaum die Proben und analysierte sie in 20 verschiedenen Temperaturerhöhungsschritten erneut, immer noch in der abgeschirmten Kammer, mit einer Technik, die keine Überprägung des Magnetfelds seit dem ersten Abkühlen der Lava erkennen ließ.

„Wenn Sie Glück haben, stehen sie alle in einer Reihe und geben Ihnen die gleiche Richtung“, sagte Kasbaum.

Einige der Proben hatten eine andere Feldausrichtung, die beim Erhitzen der Proben entfernt wurde. Die meisten von ihnen wurden jedoch durch Erhitzungsschritte stabilisiert, was darauf hindeutet, dass die Richtung des alten Magnetfelds nicht geändert wurde.

Zur Datierung der Zirkone verwendete Kasbaum ein Massenspektrometer TIMS-Labor der Princeton University Um zu berechnen, wann sich die Zirkonkristalle gebildet haben, wird das Verhältnis von radioaktiv zerfallenem Uran zu Blei seit der Kristallisation zugrunde gelegt.

Dabei wird radioaktiver Zerfall emittiert Alphateilchen die die Struktur des Zirkonkristalls beschädigen; In solch alten Kristallen können angehäufte Schäden dazu führen, dass Blei verloren geht und das Datum verloren geht. Um dies zu vermeiden, bereiteten ihre Gewinner die Kristalle mit einer Säure vor, die vorzugsweise die beschädigten Teile des Kristalls wegfraß und die unbeschädigten Teile intakt ließ. Als letzte Überprüfung der Genauigkeit der Daten habe ich das Verhältnis zwischen zwei verschiedenen Uranisotopen und zwei verschiedenen Uranisotopen auf der „ConcordiaGrafik. Bei einem Leitungsverlust fallen die Daten auf der Seite der Concordia-Linie ab.

„Jedes Korn in meinen Daten überschneidet sich mit der Concordia-Linie“, sagte Kasbaum und erklärte, dass die Daten nicht gehackt wurden.

Schnellpanel

Die kombinierten Daten zeigen, dass sich die Pilbara über einen Zeitraum von 10 Millionen Jahren zwischen 2,772 und 2,762 Milliarden Jahren von einem Breitengrad von etwa 51 auf 68, dann auf 76 und zurück auf 49 Grad bewegte.

Es ist möglich, aus den Daten eine Plattengeschwindigkeit von nur 23 cm pa zu extrapolieren, dies erfordert jedoch eine Rotation für den größten Teil der Plattenbewegung, gefolgt von einer abrupten Richtungsänderung am Ende der Sequenz. Selbst wenn dies wahr wäre, würde diese Geschwindigkeit die heutige Höchstgeschwindigkeit übertreffen etwa 12 cm pro Jahrund geht über Indien hinaus 18 cm pro Jahr Bevor es nach Asien stürzte, fand die schnellste Plattenbewegung der letzten 200 Millionen Jahre statt.

Trotz Drehung In tektonischen Platten kommt es zu Richtungsänderungen, Plattenbewegung in den letzten Milliarden Jahren Es driftete größtenteils direkter auf der Oberfläche des Planeten, und man kann durchaus davon ausgehen, dass die Pilbara das Gleiche getan hätte, ohne plötzlich ihre Richtung zu ändern. Wenn ja, hätte er sich über den Pol bis zum letzten Breitengrad der Sequenz fortgesetzt, was einer höheren Schätzung von 64 cm pro Jahr entspricht.

„Und er ist schnell verrückt!“ Er sagte, sie hätten sie gewonnen. Aber selbst das könnte eine Unterschätzung sein.

Das liegt daran, dass wir nur wissen, wie weit nördlich oder südlich der Standort liegt, aber nichts darüber, wie weit er sich nach Osten oder Westen bewegt. „Zu sagen, dass die Panels niemals die Meridiane ändern, ist eindeutig falsch“, sagte Kasbaum. Da es sehr unwahrscheinlich ist, dass sich die Pilbara ausschließlich in Nord-Süd-Richtung bewegte und möglicherweise etwas diagonal gewandert ist, hat sie möglicherweise eine größere Strecke zurückgelegt und sich somit schneller als 64 cm pro Jahr bewegt.

Diese Geschwindigkeit ist auch viel schneller als die Bewegung der Pilbara Vor 400 Millionen Jahrenwas darauf hindeutet, dass die Geschwindigkeit der tektonischen Platte in der frühen Erde nicht gleichmäßig war, ebenso wie sie heute nicht gleichmäßig ist.

Professor Alan Collins von der University of Adelaide, der nicht an Kasbaums Studie beteiligt war, sagte gegenüber Ars: „Casbaum und Co-Autoren haben eine bemerkenswerte Studie erstellt … die die Präzision und Genauigkeit der Datierung und des antiken Magnetismus erheblich verbessert … die dieses Niveau erreicht.“ der impliziten Rotation und lateralen Translation berechnet werden.

Früher Erdzustand

Kasbaum fand außerdem heraus, dass sich das Erdmagnetfeld zwischen 2,772 und 2,721 Milliarden Jahren mindestens viermal umkehrte. „Es scheint, dass wir Beweise dafür haben, dass sich das Magnetfeld in diesem Zeitraum umkehrte … im Einklang mit der Art und Weise, wie sich das Magnetfeld derzeit verhält“, sagte Kasbaum.

Andere Studien Er argumentierte, dass Magnetfeldumkehrungen bedeuteten, dass das Erdmagnetfeld zu dieser Zeit wie heute hätte sein müssen, mit einem magnetischen Nord- und Südpol, die jeweils ungefähr auf der Rotationsachse der Erde zentriert waren, und nicht mit einem ungeraden mehrpoligen Feld einige Gelehrte Sie argumentierten dafür. Das ähnliche Magnetfeld weist darauf hin, dass sich der Erdkern so verhielt wie heute und dass die Atmosphäre bereits damals stark vor Erosion durch den Sonnenwind geschützt war.

Zur Klärung der Frage, ob der Erdmantel in der archaischen Zeit eher schwammig oder steifer war, weist Collins auf die Notwendigkeit ähnlicher Studien zu anderen antiken Plattentektoniken hin. „Wenn diese die tatsächliche Plattenbewegung widerspiegeln und es parallele Studien von anderen zeitgenössischen Platten erfordern würde, um dies zu bestätigen, dann ist es überraschend, dass die Plattengeschwindigkeiten vor 2,7 Milliarden Jahren so hoch waren“, sagte er. Dies könnte auf eine erhöhte Konvektionskraft im Mantel zurückzuführen sein [a] Das heißeste der Erde. „

Präkambrische Forschung, 2023. DOI: 10.1016/j.precamres.2023.107114