Studieren Sie Nullen im Startdatum der Plattentektonik

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Anonim

Die Erde hat einige Besonderheiten, die sie von ihren nahen Verwandten im Sonnensystem unterscheiden, einschließlich großer Ozeane mit flüssigem Wasser und einer reichen Atmosphäre mit genau den richtigen Zutaten, um das Leben, wie wir es kennen, zu unterstützen. Die Erde ist auch der einzige Planet, der eine aktive äußere Schicht aus großen tektonischen Platten hat, die sich aneinander reihen und unter einander eintauchen, wodurch Berge, Vulkane, Erdbeben und große Kontinente entstehen.

Geologen haben lange darüber debattiert, wann diese Prozesse, kollektiv als Plattentektonik bekannt, zum ersten Mal begonnen haben. Einige Wissenschaftler schlagen vor, dass der Prozess bereits vor 4, 5 Milliarden Jahren begann, kurz nach der Entstehung der Erde. Andere schlagen einen viel jüngeren Anfang in den letzten 800 Millionen Jahren vor. Eine Studie der University of Maryland liefert neue geochemische Beweise für einen Mittelweg zwischen diesen beiden Extremen: Eine Analyse von Spurenelementverhältnissen, die mit dem Magnesiumgehalt korrelieren, legt nahe, dass die Plattentektonik vor etwa 3 Milliarden Jahren begann. Die Ergebnisse erscheinen in der Ausgabe der Zeitschrift Science vom 22. Januar 2016.

"Durch die Verbindung von Krustenzusammensetzung und Plattentektonik haben wir geochemische Beweise erster Ordnung für den Beginn der Plattentektonik geliefert, was eine fundamentale geowissenschaftliche Frage ist", sagte Ming Tang, Doktorand in Geologie an der UMD und Hauptautor der Studie. "Da die Plattentektonik für den Aufbau von Kontinenten notwendig ist, ist diese Arbeit auch ein weiterer Schritt, um zu verstehen, wann und wie sich die Erdkontinente gebildet haben."

Die Studie konzentriert sich auf eine Schlüsseleigenschaft der Erdkruste, die sie geochemisch von anderen terrestrischen Planeten im Sonnensystem unterscheidet. Verglichen mit Mars, Merkur, Venus und sogar unserem eigenen Mond enthält die kontinentale Kruste der Erde weniger Magnesium. Früh in seiner Geschichte ähnelte jedoch die Erdkruste ihren Cousins ​​mehr, mit einem höheren Anteil von Magnesium.

Irgendwann entwickelte sich die Erdkruste zu mehr Granit, einem magnesiumarmen Gestein, das die Grundlage der Erdkontinente bildet. Viele Geowissenschaftler sind sich einig, dass der Beginn der Plattentektonik diesen Übergang angetrieben hat, indem sie Wasser unter die Kruste gezogen hat, was ein notwendiger Schritt zur Herstellung von Granit ist.

"Man kann keine Kontinente ohne Granit haben, und man kann keinen Granit haben, ohne Wasser tief in die Erde zu bringen", sagte Roberta Rudnick, ehemalige Vorsitzende der Abteilung für Geologie an der UMD und leitende Autorin der Studie. Rudnick, der heute Professor für Geowissenschaften an der University of California in Santa Barbara ist, führte diese Forschung während der UMD durch. "Irgendwann begann die Plattentektonik und begann, viel Wasser in den Mantel zu bringen. Die große Frage ist, wann ist das passiert?"

Ein logischer Ansatz wäre es, den Magnesiumgehalt in alten Gesteinen zu betrachten, die sich über einen langen Zeitraum gebildet haben, um zu bestimmen, wann dieser Übergang zu Krustengestein mit niedrigem Magnesiumgehalt begann. Dies hat sich jedoch als schwierig erwiesen, da der direkte Beweis - Magnesium - eine lästige Angewohnheit hat, sich in den Ozean zu waschen, sobald Felsen der Oberfläche ausgesetzt sind.

Tang, Rudnick und Kang Chen, ein Doktorand an der China University of Geosciences an einem anderthalbjährigen Forschungsaufenthalt bei UMD, haben dieses Problem umgangen, indem sie Spurenelemente untersucht haben, die in Wasser nicht löslich sind. Diese Elemente - Nickel, Kobalt, Chrom und Zink - bleiben lange zurück, nachdem das meiste Magnesium weggewaschen ist. Die Forscher fanden heraus, dass die Verhältnisse dieser Elemente den Schlüssel darstellen: höhere Verhältnisse von Nickel zu Kobalt und von Chrom zu Zink korrelieren beide mit einem höheren Magnesiumgehalt im ursprünglichen Gestein.

"Nach unserem Wissen sind wir die Ersten, die diesen Zusammenhang entdecken und diesen Ansatz nutzen", sagte Tang. "Da die Verhältnisse dieser Spurenelemente mit Magnesium korrelieren, dienen sie als sehr zuverlässiger" Fingerabdruck "des Magnesiumgehalts der Vergangenheit."

Tang und seine Koautoren stellten Spurenelementdaten aus einer Vielzahl alter Gesteine ​​aus dem Archäischen Äon, einem Zeitraum zwischen 4 und 2, 5 Milliarden Jahren, zusammen und bestimmten damit den Magnesiumgehalt in den Gesteinen bei ihrer Entstehung. Sie verwendeten diese Daten, um ein Computermodell der geochemischen Zusammensetzung der frühen Erde zu konstruieren. Dieses Modell erklärt, wie sich der Gehalt von Magnesium (speziell Magnesiumoxid) in der Kruste im Laufe der Zeit verändert hat.

Die Ergebnisse legen nahe, dass vor 3 Milliarden Jahren die Erdkruste etwa 11 Prozent Magnesiumoxid aufwies. Innerhalb von einer halben Milliarde Jahren war diese Zahl auf etwa 4 Prozent gefallen, was sehr nahe an den 2 oder 3 Prozent Magnesiumoxid in der heutigen Kruste liegt. Dies legte nahe, dass die Plattentektonik vor etwa 3 Milliarden Jahren begann, was zu den Kontinenten führte, die wir heute sehen.

"Es ist wirklich eine radikale Idee, darauf hinzuweisen, dass die kontinentale Kruste in Archean so viel Magnesium hat", sagte Rudnick und wies darauf hin, dass Tang als erster die Korrelation zwischen Spurenelement-Verhältnissen und Magnesium herausgefunden habe. "Mings Entdeckung ist kraftvoll, weil er feststellte, dass Spuren nicht lösbarer Elemente mit einem Hauptelement korrelieren, was es uns ermöglicht, eine lange bestehende Frage in der Erdgeschichte anzugehen."

"Da die Entwicklung der kontinentalen Kruste mit vielen wichtigen geologischen Prozessen auf der Erde verbunden ist, könnte diese Arbeit eine Grundlage für eine Vielzahl von zukünftigen Studien zur Erdgeschichte bieten", sagte Tang. "Zum Beispiel könnte die Verwitterung dieser magnesiumreichen Kruste die Chemie des alten Ozeans, wo sich das Leben auf der Erde entwickelt hat, beeinflusst haben. Was den Beginn der Plattentektonik betrifft, glaube ich nicht, dass diese Studie das Argument schließen wird, aber sicherlich fügt der Diskussion eine überzeugende neue Dimension hinzu. "

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