Štúdia z University of Rochester pomocou kryštálov zirkónu zistila, že tektonické platne boli neaktívne v období, keď sa na Zemi prvýkrát objavil život. Namiesto toho fungoval mechanizmus „stagnujúceho uzáveru“, ktorý uvoľňoval teplo cez povrchové trhliny. Tento objav spochybňuje tradičné presvedčenie, že dosková tektonika je nevyhnutná pre vznik života a potenciálne mení naše chápanie podmienok potrebných pre život na iných planétach.

Vedci sa vydali na cestu späť v čase, aby odhalili záhady ranej histórie Zeme, pričom použili drobné minerálne kryštály nazývané zirkóny na štúdium doskovej tektoniky pred miliardami rokov. Výskum vrhá svetlo na podmienky, ktoré existovali na ranej Zemi, a odhaľuje komplexnú interakciu medzi zemskou kôrou, jadrom a vznikom života.

Dosková tektonika umožňuje teplu z vnútra Zeme uniknúť na povrch, čím sa formujú kontinenty a ďalšie geologické prvky potrebné pre vznik života. V súlade s tým „existoval predpoklad, že tektonika platní je nevyhnutná pre život,“ hovorí John Tarduno, profesor na Katedre zemských a environmentálnych vied na University of Rochester. Nový výskum však tento predpoklad spochybňuje.

Tarduno, profesor geofyziky na William R. Keenan Jr., ktorý je hlavným autorom článku publikovaného v časopise. prírody Študujte doskovú tektoniku pred 3,9 miliardami rokov, keď sa vedci domnievajú, že sa na Zemi objavili prvé stopy života. Vedci zistili, že počas tejto doby nedošlo k žiadnemu pohybu mobilných tektonických platní. Namiesto toho zistili, že Zem uvoľňuje teplo prostredníctvom systému známeho ako stagnujúci plášťový systém. Výsledky naznačujú, že hoci je dosková tektonika kľúčovým faktorom pre pokračovanie života na Zemi, nie je podmienkou pre vznik života na planéte podobnej Zemi.

„Zistili sme, že neexistovala žiadna dosková tektonika, keď sa prvýkrát predpokladalo, že život vznikol, a ešte stovky miliónov rokov potom neexistovala žiadna dosková tektonika,“ hovorí Tarduno. „Naše údaje naznačujú, že keď hľadáme exoplanéty, ktoré obsahujú život, planéty nevyhnutne nepotrebujú doskovú tektoniku.“

Nečakaný obrat zo zirkónovej pracovne

Výskumníci sa pôvodne nepustili do skúmania platňovej tektoniky.

„Študovali sme magnetizáciu zirkónov, pretože sme študovali magnetické pole Zeme,“ hovorí Tarduno.

Zirkóny sú drobné kryštály, ktoré obsahujú magnetické častice, ktoré dokážu zachytiť magnetizáciu Zeme v čase, keď zirkóny vznikali. Datovaním zirkónov môžu výskumníci vytvoriť časovú os na sledovanie vývoja magnetického poľa Zeme.

Sila a smer magnetického poľa Zeme sa mení v závislosti od zemepisnej šírky. Napríklad súčasné magnetické pole je silnejšie na póloch a slabšie na rovníku. Vedci vyzbrojení informáciami o magnetických vlastnostiach zirkónov môžu odvodiť relatívne zemepisné šírky, v ktorých sa zirkóny vytvorili. To znamená, že ak je účinnosť geodynama – procesu, ktorý generuje magnetické pole – konštantná a intenzita poľa sa v priebehu času mení, potom sa musí zmeniť aj zemepisná šírka, v ktorej sa tvoria zirkóny.

Tarduno a jeho tím však zistili opak: zirkóny, ktoré študovali z Južnej Afriky, ukázali, že približne pred 3,9 až 3,4 miliardami rokov sa intenzita magnetického poľa nezmenila, čo znamená, že sa nezmenili ani zemepisné šírky.

Keďže dosková tektonika zahŕňa zmeny zemepisnej šírky pre rôzne pevniny, Tarduno hovorí, „je pravdepodobné, že počas tejto doby nenastali pohyby platní a musí existovať nejaký iný spôsob, ako odobrať teplo zo Zeme.“

Na posilnenie svojich zistení vedci našli rovnaké vzory v zirkónoch, ktoré študovali v západnej Austrálii.

„Nehovoríme, že zirkóny vznikli na tom istom kontinente, ale zdá sa, že sa vytvorili v rovnakej nemennej zemepisnej šírke, čo posilňuje náš argument, že v tomto čase nedošlo k žiadnemu tektonickému pohybu platní,“ hovorí Tarduno.

Stagnujúca čiapočková tektonika: alternatíva k doskovej tektonike

Zem je tepelný stroj a dosková tektonika je v konečnom dôsledku uvoľňovaním tepla zo Zeme. Ale tektonická stagnácia plášťa – ktorá má za následok praskliny na zemskom povrchu – je ďalším spôsobom, ako umožniť únik tepla z vnútra planéty, aby sa vytvorili kontinenty a iné geologické prvky.

Dosková tektonika zahŕňa horizontálny pohyb a interakciu medzi veľkými doskami na zemskom povrchu. Tarduno a jeho kolegovia uvádzajú, že v priemere sa platne za posledných 600 miliónov rokov posunuli v zemepisnej šírke najmenej o 8 500 kilometrov (5 280 míľ). Naproti tomu tektonika stagnujúceho plášťa opisuje, ako sa najvzdialenejšia vrstva Zeme správa ako stagnujúci plášť bez aktívneho pohybu horizontálnych platní. Namiesto toho vonkajšia vrstva zostáva na mieste, kým sa vnútro planéty ochladzuje. Veľké oblaky roztaveného materiálu stúpajúce hlboko do vnútra Zeme môžu spôsobiť prasknutie vonkajšej vrstvy. Pohyb stagnujúcej tektoniky plášťa nie je taký efektívny ako pohyb tektonických platní pri uvoľňovaní tepla zo zemského plášťa, ale stále vedie k formovaniu kontinentov.

„Skorá Zem nebola planétou, kde bolo všetko na povrchu mŕtve,“ hovorí Tarduno. Na povrchu zeme sa stále diali veci; Náš výskum naznačuje, že sa nevyskytovali prostredníctvom platňovej tektoniky. Mali sme aspoň dosť geochemických cyklov poskytovaných stagnujúcimi čiapkovými procesmi, aby sme vytvorili podmienky vhodné pre vznik života.“

Zachovanie obývateľnej planéty

Zatiaľ čo Zem je jedinou známou planétou, ktorá zažíva doskovú tektoniku, iné planéty ako napr[{“ attribute=““>Venus, experience stagnant lid tectonics, Tarduno says.

“People have tended to think that stagnant lid tectonics would not build a habitable planet because of what is happening on Venus,” he says. “Venus is not a very nice place to live: it has a crushing carbon dioxide atmosphere and sulfuric acid clouds. This is because heat is not being removed effectively from the planet’s surface.”

Without plate tectonics, Earth may have met a similar fate. While the researchers hint that plate tectonics may have started on Earth soon after 3.4 billion years, the geology community is divided on a specific date.

“We think plate tectonics, in the long run, is important for removing heat, generating the magnetic field, and keeping things habitable on our planet,” Tarduno says. “But, in the beginning, and a billion years after, our data indicates that we didn’t need plate tectonics.”

Reference: “Hadaean to Palaeoarchaean stagnant-lid tectonics revealed by zircon magnetism” by John A. Tarduno, Rory D. Cottrell, Richard K. Bono, Nicole Rayner, William J. Davis, Tinghong Zhou, Francis Nimmo, Axel Hofmann, Jaganmoy Jodder, Mauricio Ibañez-Mejia, Michael K. Watkeys, Hirokuni Oda and Gautam Mitra, 14 June 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06024-5

The team included researchers from four US institutions and institutions in Canada, Japan, South Africa, and the United Kingdom. The research was funded by the US National Science Foundation.