كانت الصفائح التكتونية المبكرة سريعة بشكل مذهل – Ars Technica

هل تغيرت سرعة الصفائح التكتونية في الثلاثة مليارات سنة الماضية؟ الجواب له آثار بعيدة المدى ، حيث أثرت الصفائح التكتونية على كل شيء من توفير العناصر الغذائية الأساسية للحياة المبكرة إلى ارتفاع الأكسجين. نحن نعلم أن باطن الأرض كان حارًا في وقت مبكر من تاريخه ، لكن الصفائح كانت كذلك تتحرك بسرعة لأن الوشاح الأكثر دفئًا ضعيف ، أو أن الوشاح الأكثر دفئًا كان ضعيفًا يحتوي على كمية أقل من الماءهل يساعد تدفق معادن الوشاح على إبطاء الصفائح؟

أ دراسة جديدةييل د. بقيادة جينيفر جازبوم ، قاموا بقياس الحقول المغناطيسية القديمة وصخور من غرب أستراليا ، مما يدل على أن “بيلبارا كراتون” – أقدم قارة – تحركت في مقطع قبل حوالي 2.7 مليار سنة. أسرع حركة للوحة اليوم حوالي 12 سم (4.7 بوصة) في السنة ، تحرك Pilbara Craton 64 سم (25 بوصة) في السنة.

بقايا نادرة من بدايات الأرض

في Archaean Eon ، وهي فترة أقرب بكثير إلى تكوين نظامنا الشمسي مما هي عليه اليوم ، تم نضح البازلت بنفس الطريقة التي كانت بها أستراليا الغربية في وقت لاحق. أيسلندا و هاواي اليوم. كانت الصفائح التكتونية لا تزال موجودة نسبيا جديدوكانت القارات غالبًا في المراحل الأولى من الخروج من عالم الماء. لم يكن هناك أكسجين في الهواء ، وجاءت الحياة الأكثر تقدمًا في شكل مجتمعات ميكروبية محفوظة اليوم في “أحافير هاموكي”.ستروماتوليتس. “

“نحن نعلم أن الأرض كانت أكثر سخونة ، لذا كان الحمل الحراري في الوشاح يحدث بشكل أسرع؟” سأل كاسبوم. “الحمل الحراري هو عملية تكمن وراء الصفائح التكتونية.”

قام جازبوم وزملاؤه من برينستون وييل ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بدمج البيانات الدقيقة حول تكوين الحمم البازلتية مع قياسات المجال المغناطيسي للأرض ، والتي تجمدت في هذه البازلت أثناء تبريدها. والغرض منه هو رسم حركة وسرعة Pilbara على سطح الأرض.

نظرًا لأن الصفائح التكتونية عادت إلى الظهور في الغالب على كوكبنا ، فإن الصخور من Archean نادرة نسبيًا ، ويتم الحفاظ عليها بشكل سيئ بعد مليارات السنين من سوء الاستخدام التكتوني. ومع ذلك ، نجا بيلبارا من الحرارة والتعرية التي تسببها صخور أرشوس الأخرى.

“خرجت بيلبارا سالمة من الأربعة مليارات سنة الماضية من التاريخ!” وأشار كاسبوم.

مشروع مفجع

استغرقت دراسة جازبوم عقدًا من الزمن. أربعة عشر أسبوعًا من أخذ العينات والتخييم في المناطق النائية الأسترالية في عامي 2013 و 2014 ، جنبًا إلى جنب مع عدة سنوات من العمل المخبري ، شمل تأريخ الصخور والتحليلات المغناطيسية المكثفة. كل هذا الجهد تركها مع عدد قليل من العارضات للعمل معها.

قال لـ Ars: “إنه نوع من المشروع المفجع من ناحية الجغرافيا”.

احتاجت شركة جازبوم إلى عينات تحتوي على بلورات الزركون لتقنية تأريخ اليورانيوم والرصاص ، لكن البازلت لم يكن لديه الكيمياء الصحيحة لبلورة الزركون ، لذلك كان عليها العثور على الزركون في الرماد المنبثق من البراكين المعاصرة التي استقرت فوق تدفقات البازلت المنفصلة. هناك ، أيضًا ، كانت محظوظة: اتضح لاحقًا أن معظم الزركون الذي عثرت عليه تم إلقاؤه من الجرانيت القديم ، وليس من الانفجارات البركانية المعاصرة.

في النهاية ، من بين 21 طبقة من الرماد بين الحمم ، أعطت أربعة فقط تواريخ مناسبة: “ليس هناك الكثير من العمل لإظهاره” ، قال كاسبوم. ومع ذلك ، كانت تلك التواريخ الأربعة دقيقة بما يكفي لتتبع حركة Pilbara على أربع نقاط.

كان أخذ العينات للبيانات المغناطيسية أكثر صعوبة ، لكنه أسفر عن المزيد من النتائج. تضمنت سلسلة تدفقات الحمم البركانية حفر 846 أسطوانة من الصخور من 75 موقعًا مختلفًا ، “باستخدام آلة بالمنشار مزودة بمثقاب ماسي يبلغ قطره حوالي بوصة واحدة” ، كما قال كاسبوم لآرس. الأهم من ذلك ، قبل كسر هذه الأسطوانات من السطح الصخري ، استخدم البوصلات المغناطيسية والشمس لتسجيل اتجاهها الدقيق ثلاثي الأبعاد.

للعثور على اتجاه المجال المغناطيسي القديم المحفوظ في العينات ، قام جازبوم بتحليلها في مختبر المغناطيسية القديمة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في غرفة محمية من جميع المجالات المغناطيسية الخارجية ، بما في ذلك مجال الأرض. تم الكشف عن المجال المغناطيسي في العينات باستخدام مقياس مغناطيسي حساس للغاية استنادًا إلى “الحبار” (جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل) المبرد إلى -269 درجة مئوية (-452 درجة فهرنهايت) بواسطة الهيليوم السائل. سجل الجهاز اتجاه المجال المغناطيسي القديم ، ثم أخذ البرنامج في الاعتبار اتجاه العينة عندما تم جمع الحمم البركانية لحساب خط العرض أثناء تبريدها.

إلى أي مدى يمكن تحديد خط العرض (شمالًا أو جنوبًا) هو أن خطوط المجال المغناطيسي للأرض تكون أفقية عند خط الاستواء ، ولكنها عموديًا بشكل متزايد نحو الشمال أو الجنوب. لسوء الحظ ، لا يمكن لهذه التقنية معرفة خط الطول (شرق-غرب) للموقع.

محاسبة الاستهلاك والإطفاء

نظرًا لأن الصخور قديمة جدًا ، فهناك خطر من أن التواريخ أو المجال المغناطيسي قد تمت إعادة ضبطه بواسطة الأحداث الجيولوجية في 2.7 مليار سنة ما بين.

للكشف عن أي تغيير في مجالها المغناطيسي ، قامت شركة Gazbom بتسخين العينات وإعادة تحليلها في 20 خطوة منفصلة لزيادة درجة الحرارة ، ولا تزال في غرفة محمية ، في تقنية تكشف عن الطباعة الفوقية للمجال المغناطيسي منذ تبريد الحمم لأول مرة.

وقالت جازبوم: “إذا كنت محظوظًا ، فسيصطفون جميعًا وسيعطونك نفس الاتجاه”.

كان لبعض العينات اتجاه مجال آخر مختلف ، تمت إزالته عند تسخين العينات. لكن معظمها ظل مستقرًا من خلال خطوات التسخين ، مما يدل على أن اتجاه المجال المغناطيسي القديم لم يتم استعادته.

لتاريخ الزركون ، استخدمت جازبوم مطياف الكتلة مختبر “تيم” بجامعة برينستون لحساب متى تكونت بلورات الزركون على أساس نسبة اليورانيوم المتحلل إشعاعيًا بعد التبلور.

هذا يطلق الاضمحلال الإشعاعي جسيمات ألفا يمكن أن يؤدي ذلك إلى إتلاف بنية بلورة الزركون ؛ في مثل هذه البلورات القديمة ، يؤدي الضرر المتراكم إلى فقدها للرصاص ، مما يؤدي إلى التخلص من التاريخ. لتجنب ذلك ، أعدت جازبوم البلورات بالحمض ، والذي يفضل أن يأكل الأجزاء التالفة من البلورة ، تاركًا الأجزاء غير التالفة سليمة. كاختبار نهائي لموثوقية التواريخ ، تم حساب النسبة بين نظيرين مختلفين من نظائر اليورانيوم المختلفة على أنها “كونكورديا“الرسم البياني. في حالة فقدان الرصاص ، ستسقط البيانات من جانب خط كونكورديا.

وقالت جازبوم: “كل الحبوب في بياناتي تتداخل مع خط كونكورديا” ، مما يدل على أن التواريخ لم يتم التنازل عنها.

نقرة سريعة

تظهر البيانات المجمعة أن بيلبارا انتقلت من خط عرض 51 درجة إلى 68 ، ثم 76 ، ثم 49 درجة على مدى 10 ملايين سنة بين 2.772 و 2.762 مليار سنة.

من الممكن بناء سرعات صفيحة منخفضة تصل إلى 23 سم / سنة من البيانات ، ولكن هذا يتطلب أن تكون معظم حركة اللوحة دورية ، متبوعة بتغيير مفاجئ في الاتجاه في نهاية التسلسل. حتى لو كان هذا صحيحًا ، فإن هذه السرعة تتجاوز معدل السرعة اليوم حوالي 12 سم في السنةإنها تتفوق على الهند 18 سم في السنة خلال الـ 200 مليون سنة الماضية كانت حركة صفائح سريعة قبل أن تصطدم بآسيا.

بالرغم من دورة وتحدث تغيرات اتجاهية في حركة الصفائح التكتونية ، حركة الصفيحة على مدى المليار سنة الماضية غالبًا ما يكون هناك انزلاق مباشر إلى حد ما عبر سطح الكوكب ، ويبدو من المعقول أن نتوقع أن بيلبارا كانت ستفعل الشيء نفسه دون تغيير الاتجاه فجأة. إذا كان الأمر كذلك ، فسيستمر الخط فوق القطب للوصول إلى خط العرض الأخير ، مما يعطي تقديرًا عاليًا يبلغ 64 سم سنويًا.

“إنه سريع الجنون!” قال كاسبوم. ولكن حتى هذا هو بخس.

هذا لأن الموقع لا يعرف سوى المسافة بين الشمال والجنوب ، ولكن لا يعرف شيئًا عن الشرق أو الغرب. وقالت “جازبوم”: “من الخطأ القول إن الصفائح لا تغير خطوط الطول”. نظرًا لأن Pilbara تحركت بالكامل من الشمال إلى الجنوب ، ومن غير المرجح أن تكون قد سافرت جزئيًا بشكل عرضي ، فقد كانت ستسافر لمسافة أبعد بكثير ، وبالتالي تحركت أكثر من 64 سم في السنة.

هذه السرعة هي أيضًا أسرع بكثير من حركات بيلبارا قبل 400 مليون سنةيُظهر أن سرعات الصفائح التكتونية لم تكن موحدة في بدايات الأرض ، تمامًا كما لم تكن موحدة اليوم.

البروفيسور آلان كولينز من جامعة أديلايد ، الذي لم يشارك في دراسة كاسبوم ، قال لآرس ، “لقد طور كاسبوم والمؤلفون المشاركون مسبارًا جميلًا … يحسن بشكل كبير من دقة ودقة تحديدات التاريخ والمغناطيسية القديمة … مستوى الدوران الضمني ويمكن حساب الترجمة الجانبية “.

حالة الأرض المبكرة

وجدت شركة غازبوم أيضًا أن المجال المغناطيسي للأرض انعكس أربع مرات على الأقل بين 2.772 و 2.721 مليار سنة مضت. وقالت جازبوم: “يبدو أن لدينا دليلًا على أن المجال المغناطيسي ينعكس في هذا الوقت … بما يتماشى مع سلوك المجال المغناطيسي في هذا الوقت”.

دراسات اخرى وجادلوا بأن انعكاسات المجال المغناطيسي تعني أن المجال المغناطيسي للأرض يجب أن يكون كما هو اليوم ، مع قطب مغناطيسي شمالي وجنوبي ، يتركز كل منهما تقريبًا على محور دوران الأرض ، وليس مجالًا غريبًا متعدد الأقطاب. بعض العلماء جادل. يشير المجال المغناطيسي الشبيه بالحديث إلى أن نواة الأرض نشطة اليوم وأن الغلاف الجوي محمي بقوة بالفعل من التآكل بفعل الرياح الشمسية.

يشير كولينز إلى الحاجة إلى إجراء دراسات مماثلة للصفائح التكتونية القديمة الأخرى لحل مسألة ما إذا كان وشاح الأرض ضعيفًا أو متصلبًا في العصر الأركي. وقال: “إذا كانت هذه تعكس حركة صفيحة حقيقية ، وستكون هناك حاجة لدراسات موازية لألواح معاصرة أخرى لتأكيد ذلك ، فمن المدهش أن تظهر سرعات الصفائح بسرعة كبيرة قبل 2.7 مليار سنة”. “قد يعكس هذا زيادة نشاط الحمل الحراري في الوشاح [a] سخونة الأرض “.

أبحاث ما قبل الكمبري ، 2023. DOI: 10.1016 / j.precamres.2023.107114