Die ältesten Gesteine der Erde
Wann wurde die Erde wirklich zur Erde? In der Fallstudie zur Erforschung der Nebeltheorie und der Entstehung des Sonnensystems haben wir erfahren, wie sich das Sonnensystem gebildet hat und welche frühesten Stadien der Erdbildung es gab. Die frühe Erde wuchs durch den Prozess der Kollision und Akkretion von Nebelmaterial, dessen Größe von Weltraumstaub bis zu Planetesimalen reichte, vielleicht einige so groß wie kleine Planeten. Wir haben die Erde auf 4,567 Milliarden Jahre (Ga) datiert, basierend auf Bleiisotopendaten von Meteoriten . Meteoriten sind die „Zutaten“, die die Erde und die anderen terrestrischen Planeten gebildet haben. Dieses Datum der „Geburt der Erde“ wird dem Beginn der Akkretion zugewiesen, nicht an einem Punkt, an dem die Erde weitgehend ihre volle erreicht hatte, akkretierte Masse , .
Das erste Äon der Erde der geologischen Zeit wird in Anlehnung an Hades, den Gott der Unterwelt in der griechischen Mythologie, passend „Hadean“ genannt. Der Hadean wird oft als „Hölle auf Erden“ beschrieben, die Zeit, in der eine extrem feindliche Umgebung mit Magma-Ozeanen existierte, die auf der Oberfläche kochten, und schädlichen Gasen und Dampf, die den jungen Planeten umhüllten. Vielleicht ist das begleitende Bild eine Analogie. In dieser extremen Umgebung könnte kein Leben, wie wir es kennen, überleben.
Wann können wir also sagen: „Da hast du es – die Erde ist jetzt die Erde!”? Vielleicht, wenn wir das erste Gestein auf der Erde finden könnten, könnten wir das wahre Alter der Erde als Beginn einer festen Oberfläche zuordnen.
Die geologische Zeitspanne von Hadean enthält keine Epochen oder Perioden, weil wir so wenig über das Geschehene wissen, dass nur noch kleine Teile des Erdmaterials übrig sind. Der Hadean, wie er auf der geologischen Zeitskala unten erscheint, zeigt an, dass sein Anfang ungefähr ist. Die kleine Uhr an der Zeitteilung auf der rechten Seite der Skala über dem Hadean zeigt an, dass die gewählten Daten etwas willkürlich sind, da Geologen weiterhin Mineral- und Gesteinsreste untersuchen.
Differenzierung des Erdinneren
Welche Beweise haben wir für Erdformungsereignisse im Hadean? Planetengeologen theoretisieren, dass gegen Ende der Akkretionsstufe in der Erdbildung, 4,5 – 4,6 Ga, die Erde von größeren, planetesimal großen Weltraummüll getroffen wurde. Planetesimale waren andere „Möchtegern“ -Planeten, die sich in derselben Umlaufbahn wie die sich entwickelnde Erde bewegten. Sie waren für sich genommen massiv, aber die sich entwickelnde Erde war größer und in der Lage, ihren Auswirkungen standzuhalten und intakt zu bleiben. Die Energie dieser massiven Kollisionen schmolz die Oberfläche des jungen Planeten, was zur Bildung riesiger „Magma-Ozeane“ führte.“ Der energetische radioaktive Zerfall instabiler Elemente trug zur Wärmeproduktion aus dem Inneren der frühen Erde bei. Dieser Doppelschlag aus innerer und äußerer Wärmeerzeugung könnte den gesamten Planeten geschmolzen oder in eine dicke, matschige Masse aus hochkonvektivem geschmolzenem Gesteinsmaterial verwandelt haben. , .Dies ermöglichte es der Erde und anderen sich entwickelnden Planeten in unserem Sonnensystem, einen Differenzierungsprozess zu durchlaufen, bei dem die schwersten, siderophilen (eisenassoziierten) Elemente in Richtung des zentralen Kerns wanderten, während die leichteren lithophilen (lithosphärenkonzentrierten) Elemente zur Oberfläche stiegen. Die Differenzierung erfolgte sehr schnell in Bezug auf die Unermesslichkeit der geologischen Zeit – über einen Zeitraum von mehreren zehn Millionen Jahren. Dies war kein Großhandelsumsatz des gesamten Inneren des Planeten, sondern eher eine Versickerung siderophiler Elemente durch den matschigen Magmaozean (siehe Bild unten).Die Analyse seismischer Wellen, die durch Erdbeben erzeugt werden, hat uns geholfen, die Dichteunterschiede und die relative Zusammensetzung der Materialien zu verstehen, die in der modernen Erde in verschiedenen Tiefen existieren. Diese seismischen Wellengeschwindigkeitsanalysen über fast die letzten 100 Jahre haben es uns ermöglicht, ein sehr klares Bild des geschichteten Erdinneren zu sehen .
Erste Erdkruste
Im Verlauf der Differenzierung wurde der mit Lichtelementen angereicherte Magmaozean an der Oberfläche der Kälte des Weltraums ausgesetzt und eine dünne, frühe Kruste begann sich zu bilden. Meteore, Asteroiden und Kometen setzten ihren Aufprall unvermindert fort, durchbohrten die früheste Kruste und ließen das darunter verborgene Magma wieder fließen. Die Zusammensetzung dieser frühesten Kruste ähnelte dem sehr seltenen ultramafischen Gestein Komatiit, ein Vulkangestein, das größtenteils aus dem Mineral Olivin besteht. Komatiiten sind in der Gesteinsaufzeichnung der Erde sehr selten, fast ausschließlich auf Gestein archaischen Alters beschränkt. Die Komatiiten stammten größtenteils aus dem sehr heißen Mantel der jungen Erde und sammelten sich als Lava an der Oberfläche. Als die Erde weiter abkühlte und sich der Mantel verfestigte, Die Erzeugung von hochgradig ultramaftigem Magma, das seinen Weg an die Oberfläche gefunden hat, war selten.
Ein kurzer Überblick über die Zusammensetzung des Magmas
Wir haben unseren eisendominierten inneren und äußeren Kern und das silikatdominierte Gesteinsmaterial des Mantels und letztendlich der Kruste hergestellt. Silikate sind Mineralien, die größtenteils aus den Elementen Silizium und Sauerstoff bestehen, die zusammen mit anderen lithophilen Elementen wie Aluminium, Kalzium, Kalium, Natrium und Magnesium gebunden sind. Nicht alles Eisen wanderte in den Kern. Im frühen Hadean wurde die Erde ständig von Weltraummüll bombardiert, der alle natürlichen Elemente der Erde in unterschiedlichen Prozentsätzen enthielt. Wir können uns vorstellen, dass die Zusammensetzung des Magmaozeans von Kieselsäure (Silizium und Sauerstoff) dominiert und relativ homogen ist. Die erste Kruste, bestehend aus Komatiit, repräsentierte diese Zusammensetzung. Dieser sich konvektierende Ozean aus Silikatbrei brachte Diapire (aufsteigende tropfenförmige Blobs) aus tiefem Magma-Ozeanmaterial an die Oberfläche, wo es sich in dicken Komatiitmassen sammelte und abkühlte. Diese schweren, dichten Komatiitmassen tropften zum Recycling in den Magmaozean zurück. Dieser Umschmelzprozess differenzierte die frühe Kruste weiter. Eddys von konvektierendem Magma in der Nähe der Oberfläche schmolzen den Komatiit teilweise. Diese „Teilschmelze“ war mehr Kieselsäure angereichert, weil die Mineralien im Komatiit mit der meisten Kieselsäure zuerst schmelzen würden (siehe Diskussion über Bowens Reaktionsreihe, um diesen Prozess zu verstehen). Dies wird als „entwickeltes Magma“ bezeichnet, nicht primär, sondern umgeschmolzen und mehr mit Kieselsäure angereichert. Mit Kieselsäure angereicherte Magmen haben eine geringere Dichte und sind schwimmfähiger und können wie Eiscreme in einem Wurzelbier-Schwimmer an die Oberfläche steigen. Diese Entwicklung des Magmas führt zu den unterschiedlichen Zusammensetzungen, die wir heute in der Klassifizierung von magmatischem Gestein erkennen. Beachten Sie, wo Komatiit im Diagramm unten angezeigt wird. Mit fortschreitender Magmaentwicklung wird die Zusammensetzung mit Kieselsäure angereichert, wodurch Magma entsteht, das in seiner Zusammensetzung zunehmend „felsischer“ wird.
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The Hadean
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Die ältesten Gesteine der Erde
Was auf die Bildung einer dünnen, gestörten Komatiitkruste folgte, ist hoch umstritten und ein Gebiet leidenschaftlicher geologischer Forschung. Ein Einblick in die Entwicklung der frühesten Kruste war bis zur Entdeckung von Zirkonen aus der Hadean-Zeit aus dem Gebiet der Jack Hills im Südwesten Australiens unbekannt (siehe Karte). Zirkon ist ein kleines, langlebiges Mineral mit der chemischen Formel ZrSiO4. Es ist ein häufiges Mineral in felsischem Gestein mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie die kontinentale Kruste, wie Granit. Es ist kein gewöhnliches Mineral des Gesteins der Ozeankruste, wie Basalt und kommt nicht im frühesten Gestein der Kruste vor, Komatiit.
Mitte der 1980er Jahre probierten Feldgeologen ein metamorphosiertes Sedimentgestein (Metaconglomerate) aus den Jack Hills. Das Metakonglomerat ist als archaisch datiert, ungefähr 3,6 Ga. Die detritalen Sedimentpartikel im Metakonglomerat sind natürlich älter als ihre Ablagerung als Kies. Es wird angenommen, dass die Umgebung der Ablagerung des ursprünglichen Konglomerats ein Schwemmfächer ist, in dem Sedimente, die aus der Verwitterung und Erosion von Bergen stammen, durch Wasser bewegt und in einem angrenzenden Tal abgelagert wurden. Kleine Zirkonkristalle wurden zur Analyse aus dem Metakonglomerat extrahiert. Die Zirkone waren ursprünglich Teil des Gesteins, aus dem diese früheren Berge bestanden. Überreste dieser Berge wurden nicht entdeckt und höchstwahrscheinlich durch Erosion von der Erdoberfläche gelöscht.
Zirkon ist ein kleines, aber mächtiges Mineral. Es ist einer der kleinen Zeitmesser der Erde. Zirkon bildet sich typischerweise während der Kristallisation von Magma, wo radioaktives Uran Zirkonium im Mineralgitter ersetzen kann. Nach der Kristallisation beginnt die radiometrische Uhr zu ticken. Die instabilen radioaktiven Uranatome brechen durch einen Prozess ab, der als „Zerfall“ bekannt ist.“ Die Atome verlieren subatomare Teilchen und geben Energie ab. Der Partikelverlust beinhaltet eine Abnahme der Anzahl von Protonen, die letztendlich das Uran in Blei umwandelt. Die Rate dieses Zerfalls ist bekannt und ermöglicht es Wissenschaftlern, den Zirkon sehr genau zu datieren. Radiometrische Datierungsanalyse der Jack Hills Detrital Zirkonkörner ergibt Daten so alt wie 4.404 Ga! Dies ist das älteste bisher entdeckte Erdmaterial, das nur ~ 150 Ma nach der Entstehung der Erde gebildet wurde. Das ist unglaublich!!! Dies sagt uns, dass in diesen 150 Millionen Jahren die gesamte Erde weitgehend gebildet wurde, ihr Inneres differenziert war, sie kühlte genug ab, um eine feste Kruste aus Komatiit zu haben, und beim Umschmelzen entstand Magma, in dem der Zirkon kristallisierte in festem Gestein ähnlich der Zusammensetzung unserer heutigen kontinentalen Kruste. Toll!!! (Die Methode der Datierung des Zirkons wird im Kapitel über die geologische Zeit ausführlicher erörtert).
Diese Entdeckung hat unser Verständnis der Hadean-Umgebung und der Entwicklung der Kruste während der Hadean-Zeit erheblich verbessert. Die Entdeckung des Zirkons bedeutet, dass innerhalb der ersten hundert Millionen Jahre der Existenz der Erde, Kruste unterschiedlicher Zusammensetzung existierte, Einige davon waren felsischer in der Zusammensetzung, sehr ähnlich wie die kontinentale Kruste, die heute existiert. Dies bietet einen bedeutenden Einblick in die Prozesse bei der Arbeit in der Hadean als diese Art von Gestein kontinuierlich durch plattentektonische Prozesse gebildet und reformiert wird heute.
Die Analyse von Sauerstoffisotopendaten aus dem Zirkon hat noch unglaublichere Beweise über die Umwelt ergeben, die während des sehr frühen Hadean existierten. Sauerstoff hat mehrere Isotope, 16O ist am häufigsten mit 8 Protonen und 8 Neutronen im Kern vorhanden. 17O und 18O existieren auch in viel geringerer Fülle. 18O wird in einer wässrigen Umgebung wie Ozeanen konzentriert, da die leichteren 17O und 16O vorzugsweise verdampfen. Analyse der relativen Mengen verschiedener Isotope von Sauerstoff 16O und 18O (Verhältnis bezeichnet mit dem Kleinbuchstaben griechischen Delta δ18O) in den Jack Hills Zirkon sind in Richtung „schwer“ 18O verzerrt, im Gegensatz zu den häufigeren „Licht“ 16O. Diese schwere Sauerstoffsignatur im Gestein ist ein Hinweis darauf, dass es durch kühle gebildet, nass, sedimentäre Prozesse an der Erdoberfläche. Somit, Das Magma, aus dem schließlich die Zirkone hervorgingen, wurde theoretisch aus Sedimenten gebildet, die sich einst auf dem Boden eines alten Ozeans abgelagert hatten . Die sehr junge Erde war also nicht nur in der Lage, eine felsige Kruste zu bilden, sondern auch kühl genug, um flüssiges Wasser in den Ozeanen zu haben. Dies sind überraschend bekannte Schlussfolgerungen über einen „höllischen“ jungen Planeten.
Seit der Entdeckung des Zirkons aus der Hadean-Zeit in den Jack Hills in Australien wurden auch andere detritale Zirkone in Gesteinen aus der archaischen Zeit in anderen Teilen der Welt entdeckt. Siehe die Karte rechts.
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Jack Hills Zircon
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Der Acasta-Gneiskomplex
Während die Detritalzirkone von Jack Hills uns sagen, dass Gesteine definitiv bei 4.404 Ga waren, wurden tatsächliche Gesteine, die alt sind, noch nicht gefunden. Tatsächlich gibt es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft einige Kontroversen über die ältesten bisher entdeckten Gesteine. Der Acasta-Gneiskomplex im Sklavenkraton im Nordwesten Kanadas (siehe Karte der archaischen Kratonen oben) bewahrt das älteste unbestrittene isotopisch datierte Gestein, das bisher auf der Erde gefunden wurde. Dieser Komplex umfasst eine Vielzahl von stark deformierten und metamorphosierten Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit (TTG) -Gesteinen. Diese Art von Gestein wird in der Fallstudie über Grünsteingürtel, Urtektonik, ausführlicher diskutiert. TTGs ähneln Granit mit einigen chemischen und mineralogischen Unterschieden. Sie sind typische magmatische Gesteine, die heute als Intrusionskörper entlang tektonisch aktiver Kontinentalränder produziert werden.
Der Acasta-Gneis wurde mit U / Pb-Isotopendatierungstechniken auf Zirkon datiert, der während der Kristallisation dieser Gesteine in ihrer ursprünglichen magmatischen Umgebung gebildet wurde. Das Vorhandensein von Zirkon in einem magmatischen Gestein zeigt an, dass sich das Magma „entwickelt“ hat – es wurde durch das Umschmelzen eines bereits vorhandenen Gesteins gebildet. Die Isotopendaten liefern eine Aufzeichnung mehrerer verschiedener intrusiver magmatischer Ereignisse im Alter zwischen 2,94 Ga und 4,02 Ga. Die älteste Episode magmatischer Aktivität, die im Gneiskomplex aufgezeichnet wurde, trat zwischen 3,92 und 4,02 Ga auf, was die willkürliche Hadean / Eoarchean Division auf der geologischen Zeitskala (oben) überspannt.
Die Interpretation des Acasta-Gneis-Zirkonalters liefert den Nachweis, dass die kontinentale Kruste im Hadean existierte. Umfangreiche geochemische Analysen vieler verschiedener Isotopenpaare und Vergleiche der Element- / Isotopenkonzentration haben zu der Interpretation geführt, dass das älteste Gestein des Acasta-Gneiskomplexes aus dem teilweisen Schmelzen der 4,3 Milliarden Jahre alten mafischen Hadean-Kruste stammt .
Der Nuvvuagittuq-Grünsteingürtel
Die Datierung des Gesteins aus dem Nuvvuagittuq Greenstone Belt (NGB) war umstritten, könnte aber, wenn sie akzeptiert wird, tatsächlich einen Einblick in die früheste Kruste der Erde geben. (Lesen Sie hier mehr über Greenstone Belts). Der NGB befindet sich im Norden von Quebec, am Ostufer der Hudson Bay (Siehe Archean Craton Karte oben). Metamorphosiertes mafisches und ultramafisches Vulkangestein dominieren den NGB. Die Tatsache, dass es sich um Vulkangesteine handelt, die in einem alten Ozean ausgebrochen sind, wird durch das Vorhandensein von Lavakissen dokumentiert. Lava, die unter Wasser ausbricht, bildet auffällige Kissenformen, da sich eine Kruste sofort um die nässende Lava verfestigt, wenn sie unter Wasser austritt.
Eine weitere Gesteinsart, die in der NGB enthalten ist, ist die Banded Iron Formation. BIFs (wie sie liebevoll genannt werden) sind Sedimentgesteine, die auch auf eine Meeresumgebung hinweisen, da sich diese sedimentären Eisenmineralien bilden und sich aus der Wassersäule absetzen. (Lesen Sie hier mehr über die Bildung von BIFs). Intrusive mafische und ultramafische Deiche treten auch innerhalb des NGB auf.
Der NGB wird von einem felsischen Intrusionsgestein begrenzt, das als Tonalit bekannt ist (siehe Karte unten). Sowohl der NGB als auch der Tonalit werden von einer ähnlichen Art von felsischem Gestein, einem Pegmatit, durchschnitten. Die Tonalit- und Pegmatit-Intrusionskörper enthalten Zirkon, der für die radiometrische U / Pb-Datierung benötigt wird, was ein genaues Datum von 3,77 Ga ergibt. Aufgrund der Querschnittsbeziehung des intrusiven Gesteins zum NGB ergibt dies nur ein Mindestalter für den NGB von 3,77 Ga . Weitere Untersuchungen sind notwendig, um das maximale Alter zu verstehen.
Die Grünsteinfelsen des NGB sind Überreste der alten Ozeankruste mit einer mafischen bis ultramafischen Zusammensetzung (siehe Kompositionstabelle oben). Gesteine mit ultramafischer Zusammensetzung enthalten keinen Zirkon und mafische Gesteine selten. Zirkon ist ein Mineral, das typischerweise in magmatischem Gestein gefunden wird, dessen Zusammensetzung felsischer ist, wie Granit. Die Isotopendatierung von Uran-Blei (U / Pb) ist der „Goldstandard“ für Genauigkeit, insbesondere in sehr altem Gestein. Ein Mangel an Zirkon im NGB wird jede andere Methode zur Bereitstellung von Daten in Frage stellen.
Im Jahr 2008 stellte Jonathan O’Neil, ein junger Doktorand der McGill University in Quebec, Kanada, das angenommene Datum für NGB in Frage, indem er einen seltsam aussehenden Amphibolitfleck im NGB untersuchte (Bild). Ein Amphibolit ist daher ein metamorphosiertes mafisches Gestein, Zirkon ist nicht vorhanden. O’Neil verwendete eine Datierungstechnik und Vergleiche des Isotopenverhältnisses der seltenen, aber allgegenwärtigen Elemente Samarium (Sm) und Neodym (Nd). Mit dieser Technik bestimmte O’Neil das tatsächliche Alter des NGB auf 4,28 Ga . Die weitere Analyse zusätzlicher Proben hat das Datum seitdem noch weiter auf 4.31 Ga zurückgeschoben . Wenn wahr, Das NGB-Gestein würde das älteste erhaltene Gestein aus dem Hadean-Zeitalter darstellen, das auf dem Planeten gefunden wurde.
Nicht alle Geologen, die diese Gesteine untersuchen, stimmen mit O’Neils Ergebnissen überein. Ihre Interpretation der Isotopendaten und Vergleiche legen nahe, dass die Isotopensignaturen nur darstellen, dass der NGB aus bereits vorhandenem Gestein des Hadean-Zeitalters abgeleitet wurde und dass das NGB-Bildungsalter eoarchäisch ist (3.7 Ga). Diese Kontroverse wird sicher weitergehen, bis Zirkon innerhalb der NGB gefunden wird. Sind Sie fasziniert von der Suche nach den ältesten Gesteinen der Erde? Erwägen Sie ein Studium in Geologie. Ein Großteil des NGB-Ausmaßes muss noch beprobt werden.
Die ältesten Fossilien der Erde?
Der Grünsteingürtel von Nuvvuagittuq gibt weiter nach. Im Jahr 2017 präsentierte ein Forscherteam seine Ergebnisse zu den Spuren des Lebens in der gebänderten Eisenformation des NGB . Ihre mikroskopische Untersuchung des BIF ergab kleine Röhrchen aus dem Eisenmineral Hämatit. Diese Rohre entsprechen der Form und Größe derjenigen, die von Bakterien in modernen hydrothermalen Belüftungsumgebungen hergestellt werden. Die Bakterien nutzen das Eisen für ihren Stoffwechsel. Die Forscher entdeckten auch das Mineral Graphit im BIF, das vollständig aus Kohlenstoff besteht. Der Graphit wird wahrscheinlich durch Metamorphose von organischem Material gebildet, da er reduzierte Mengen des schweren Kohlenstoffisotops Kohlenstoff-13 (13C) enthält. Lebensformen sind bevorzugt bei der Auswahl des leichteren Isotops Kohlenstoff, Kohlenstoff-12 (12C).
Wenn diese Entdeckung wahr ist, wird dies der älteste Beweis für fossiles Leben sein, der bisher entdeckt wurde. Die NGB Banded Iron Formation existiert innerhalb des NGB und kann so interpretiert werden, dass sie auf dem alten Meeresboden abgelagert wurde, der durch den Grünstein dargestellt wird. Dieser NGB wurde zweifellos durch querschnittliche magmatische Intrusionen bei 3,77 Ga datiert. Dies würde alle zuvor entdeckten fossilen Beweise um mehrere hundert Millionen Jahre vordatieren (siehe am Anfang). Wenn O’Neils Alter für die NGB hält, dann können die Fossilien vielleicht so alt wie 4,31 Ga sein.
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Acasta Gneiss and Nuvvuagittuq Greenstone Belt
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Zusammenfassung
Die ältesten bisher entdeckten Mineralien aus der Erdkruste sind die Zirkone, die in archaisch metamorphosiertem Sedimentgestein aus den Jack Hills im Südwesten Australiens gefunden wurden. Die Analyse des Zirkons liefert konsistent Daten über 4.0 Ga, wobei das älteste 4.4 Ga ist. Das Gestein, in dem sich der Zirkon ursprünglich gebildet hatte, wäre eine der ältesten kontinentalen Krusten gewesen; Unglücklicherweise, Die ursprünglichen Gesteine, die diese Zirkone lieferten, sind höchstwahrscheinlich längst verschwunden. Das älteste intakte Gestein, das bisher auf der Erde gefunden wurde, stammt aus dem Acasta-Gneiskomplex im Nordwesten Kanadas. U / Pb-Daten von Zirkon aus dem Gneis reichen bei 4,02 Ga in das Hadean-Äon. Gestein aus dem Nuvvuagittuq Greenstone Belt im Norden von Quebec, Kanada enthält keinen Zirkon, da er mafisch bis ultramafisch ist und eine alte Ozeankruste darstellt. Alternative Isotopendatierungstechniken ergeben eine viel ältere Reichweite zurück in den frühen Hadean von 4.31 Ga. Innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft gibt es Kontroversen über dieses Datum, und die Untersuchung wird fortgesetzt.
Geologen suchen weiterhin in archaischen Kratonen nach Bruchstücken der hadäischen Kruste. Weitere Entdeckungen sind gesichert, die unser Verständnis und Wissen über die Umwelt der frühesten Zeit der Erde weiter vorantreiben werden.
Referenzen und weiterführende Literatur
Dziewonski, A. M. & Anderson, D. L. Preliminary reference Earth model. Phys. Erde Planeten. Inter. 25, 297–356 (1981).
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