Rocas más antiguas de la Tierra
¿Cuándo se convirtió realmente la Tierra en Tierra? Hemos aprendido sobre cómo se formó el sistema solar y las primeras etapas de la formación de la Tierra en el estudio de caso que explora la teoría nebular y la formación del sistema solar. La Tierra primitiva creció a través del proceso de colisión y acreción de material nebular que variaba en tamaño desde polvo espacial hasta planetesimales, quizás algunos tan grandes como planetas pequeños. Hemos fechado la Tierra en 4.567 mil millones de años (Ga) basados en datos de isótopos de plomo de meteoritos . Los meteoritos son los» ingredientes » que formaron la Tierra y los otros planetas terrestres. Esta fecha de «nacimiento de la Tierra» se asigna al inicio de la acreción, no a un punto en el que la Tierra haya alcanzado en gran medida su masa total y acumulada,.
El primer eón de tiempo geológico de la Tierra se llama apropiadamente el «Hadeo» en referencia a Hades, el Dios del Inframundo en la mitología griega. El Hadeano a menudo se describe como» El Infierno en la Tierra», el tiempo en que existía un ambiente extremadamente hostil con océanos de magma hirviendo en la superficie y gases nocivos y vapor envolviendo al joven planeta. Tal vez la imagen que lo acompaña sea una analogía. En este entorno extremo, ninguna vida, como la conocemos, podría sobrevivir.
Entonces, ¿cuándo podemos decir, «ahí lo tienes – la Tierra es ahora la Tierra!”? Tal vez si pudiéramos encontrar la primera roca formada en la Tierra, podríamos asignar la verdadera edad de la Tierra como el inicio de una superficie sólida.
El lapso de tiempo geológico del Hadeano no contiene Eras ni Períodos porque sabemos muy poco sobre lo que sucedió, ya que solo quedan pequeños trozos de material terrestre. El Hadeano tal como aparece en la escala de tiempo geológico a continuación indica que su comienzo es aproximado. El pequeño reloj ubicado en las divisiones de tiempo en el lado derecho de la escala por encima del Hadeano indica que las fechas elegidas son algo arbitrarias, ya que los geólogos continúan examinando las pruebas de minerales y rocas remanentes.
Diferenciación del Interior de la Tierra
¿Qué evidencia tenemos de eventos de conformación de la Tierra que ocurren en el Hadeano? Los geólogos planetarios teorizan que hacia el final de la etapa de acreción en la formación de la Tierra, 4.5 – 4.6 Ga, la Tierra fue golpeada por desechos espaciales de tamaño planetesimal más grandes. Los planetesimales eran otros planetas» aspirantes » que viajaban en la misma órbita que la Tierra en desarrollo. Eran enormes por derecho propio, pero la Tierra en desarrollo era más grande y capaz de soportar sus impactos y permanecer intacta. La energía de estas colisiones masivas derritió la superficie del joven planeta, lo que resultó en la formación de vastos «océanos de magma».»Desintegración radiactiva energética de elementos inestables añadidos a la producción de calor desde el interior de la Tierra primitiva. Este doble golpe de generación de calor interior y exterior puede haber derretido todo el planeta, o haberlo convertido en una masa gruesa y fangosa de material de roca fundida altamente convectiva. , .
Esto permitió a la Tierra, y a otros planetas en desarrollo de nuestro sistema solar, pasar por un proceso de diferenciación en el que los elementos siderófilos (asociados al hierro) más pesados migraban hacia el núcleo central, mientras que los elementos litófilos (concentrados en la litosfera) más ligeros se elevaban hacia la superficie. La diferenciación ocurrió muy rápidamente con respecto a la inmensidad del tiempo geológico, en el lapso de varias decenas de millones de años. La diferenciación no era una rotación al por mayor de todo el interior del planeta, sino más bien una percolación de elementos siderófilos a través del océano de magma fangoso (vea la imagen de abajo).
El análisis de las ondas sísmicas producidas por terremotos nos ha ayudado a comprender las diferencias de densidad y la composición relativa de los materiales que existen dentro de la Tierra moderna a diferentes profundidades. Estos análisis de la velocidad de las ondas sísmicas durante casi los últimos 100 años nos han permitido ver una imagen muy clara del interior estratificado de la Tierra .
La primera corteza terrestre
A medida que avanzaba la diferenciación, el océano de magma enriquecido con elementos ligeros en la superficie se expuso al frío del espacio y comenzó a formarse una corteza delgada y temprana. Meteoros, asteroides y cometas continuaron su impacto sin cesar, perforando la corteza más temprana y permitiendo que el magma, escondido justo debajo, fluyera de nuevo. La composición de esta primera corteza era similar a la muy rara komatiita de roca ultramáfica, una roca volcánica compuesta en gran parte por el mineral olivino. Los komatiites son muy raros en el registro de rocas de la Tierra, casi exclusivamente restringidos a rocas de la edad arquea. Los komatiitas se derivaban en gran medida del manto muy caliente de la Tierra joven, y se agrupaban en la superficie como lava. A medida que la Tierra continuó enfriándose y el manto se solidificó, la generación de magma altamente ultramáfico que ha llegado a la superficie ha sido rara.
Una revisión rápida de la composición de magma
La diferenciación produjo nuestro núcleo interno y externo dominado por hierro y material rocoso dominado por silicatos del manto y, en última instancia, de la corteza. Los silicatos son minerales que se componen en gran medida de elementos de silicio y oxígeno unidos entre sí con otros elementos litófilos, como el aluminio, el calcio, el potasio, el sodio y el magnesio. No todo el hierro migró al núcleo. En los primeros Hadeos, la Tierra estaba siendo bombardeada continuamente por desechos espaciales que contenían todos los elementos naturales de la Tierra en porcentajes variables. Podemos pensar que la composición del océano de magma está dominada por la sílice (silicio y oxígeno) y es relativamente homogénea. La primera corteza, compuesta de komatiita, representaba esta composición. Este océano en convección de papilla de silicato trajo diapiros (gotas en forma de lágrima en ascenso) de material oceánico de magma profundo hacia la superficie, donde se acumuló y enfrió en gruesas masas de komatita. Estas pesadas y densas masas de komatita goteaban de vuelta al océano magmático para reciclarlas. Este proceso de refundición diferenció aún más la corteza temprana. Los Eddys de magma convectante cerca de la superficie fundieron parcialmente la komatiita. Esta «fusión parcial» estaba más enriquecida con sílice porque los minerales de la komatiita con la mayor cantidad de sílice serían los primeros en fundirse (ver discusión sobre la serie de reacciones de Bowen para entender este proceso). Esto se conoce como un» magma evolucionado», no primario, sino refundido y más enriquecido con sílice. Los magmas enriquecidos con sílice son de menor densidad y más flotantes, y se pueden imaginar que suben a la superficie como un helado en un flotador de raiz. Esta evolución del magma conduce a las composiciones variables que reconocemos hoy en la clasificación de la roca ígnea. Observe dónde aparece la komatita en el diagrama de abajo. A medida que avanza la evolución del magma, la composición se enriquece más con sílice, creando magma que se vuelve cada vez más «felsico» en composición.
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The Hadean
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Las rocas más antiguas de la Tierra
Lo que siguió a la formación de la corteza de komatiita delgada y perturbada es muy debatido y un área de ferviente investigación geológica. El conocimiento de la evolución de la corteza más temprana era desconocido hasta el descubrimiento de circones de la edad de los hadeos en el área de Jack Hills en el suroeste de Australia (ver mapa). El circón es un mineral pequeño y duradero con la fórmula química ZrSiO4. Es un mineral común en la roca felsica con una composición similar a la de la corteza continental, como el granito. No es un mineral común de la roca de la corteza oceánica, como el basalto y no se produce en las primeras rocas de la corteza, komatiite.
A mediados de la década de 1980, geólogos de campo muestrearon una roca sedimentaria metamorfoseada (metaconglomerado) de Jack Hills. El metaconglomerado está fechado como arqueo, aproximadamente 3,6 Ga. Las partículas sedimentarias detríticas que se encuentran dentro del metaconglomerado son, por supuesto, más antiguas que su deposición como grava. Se cree que el ambiente de deposición del conglomerado original es un abanico aluvial, donde los sedimentos derivados de la erosión y la erosión de las montañas fueron movidos por el agua y depositados en un valle adyacente. Se extrajeron pequeños cristales de circón del metaconglomerado para su análisis. Los circones eran originalmente parte de la roca que componía estas montañas anteriores. Los restos de estas montañas no han sido descubiertos y lo más probable es que hayan sido borrados de la superficie de la Tierra por la erosión.
El circón es un mineral pequeño pero poderoso. Es uno de los pequeños cronometradores de la Tierra. El circón se forma típicamente durante la cristalización del magma, donde el uranio radiactivo puede sustituir al circonio en la red mineral. Después de la cristalización, el reloj radiométrico comienza a hacer tictac. Los átomos inestables de uranio radioactivo se descomponen a través de un proceso conocido como «desintegración».»Los átomos pierden partículas subatómicas y emiten energía. La pérdida de partículas incluye una disminución en el número de protones que, en última instancia, transforma el uranio en plomo. La velocidad de esta descomposición es bien conocida y permite a los científicos fechar con mucha precisión el circón. Análisis de datación radiométrica de las fechas de producción de granos de circón detríticos de Jack Hills tan antiguas como 4.404 Ga! Este es el material terrestre más antiguo descubierto hasta la fecha, formado simplemente ~150 Ma después del inicio de la Tierra. ¡Eso es increíble!!! Esto nos dice que en esos 150 millones de años, toda la Tierra se formó en gran medida, su interior se diferenció, se enfrió lo suficiente como para tener una corteza sólida de komatiita, y, la refundición produjo magma evolucionado donde el circón cristalizó en roca sólida similar a la composición de nuestra corteza continental hoy en día. ¡Órale!!! (El método de datación del circón se discute más a fondo en el capítulo sobre el Tiempo Geológico).
Este descubrimiento ha avanzado significativamente nuestra comprensión del entorno hadeano y la evolución de la corteza durante el Hadeano. El descubrimiento del circón significa que dentro de los primeros cientos de millones de años de existencia de la Tierra, existía una corteza de composición variable, algunas de las cuales tenían una composición más felsica, muy parecida a la corteza continental que existe hoy en día. Esto proporciona una visión significativa de los procesos en funcionamiento en el Hadeano, ya que este tipo de roca se está formando y reformando continuamente a través de procesos tectónicos de placas en la actualidad.
El análisis de los datos de isótopos de oxígeno del circón ha revelado evidencia aún más increíble sobre el medio ambiente que existía durante los primeros Hadeos. El oxígeno tiene varios isótopos, el 16O es el más abundante con 8 protones y 8 neutrones existentes en el núcleo. 17O y 18O también existen en mucha menos abundancia. El 18O se concentra en un ambiente acuoso, como los océanos, ya que el 17O y el 16O más ligeros se evaporarán preferentemente. El análisis de las cantidades relativas de diferentes isótopos de oxígeno 16O y 18O (relación denotada con el delta griego en minúsculas δ18O) en el circón de Jack Hills está sesgado hacia el 18O «pesado», en oposición al 16O «ligero» más común. Esta firma de oxígeno pesado en la roca es una indicación de que se formó por procesos sedimentarios fríos, húmedos y en la superficie de la Tierra. Por lo tanto, se teoriza que el magma que eventualmente dio origen a los circones se formó a partir de lo que una vez fueron sedimentos depositados en el suelo de un océano antiguo . Así que no solo la joven Tierra era capaz de hacer una corteza de composición felsica, sino que también era lo suficientemente fría como para tener agua líquida en los océanos. Estas son conclusiones sorprendentemente familiares sobre un planeta joven «infernal».
Desde el descubrimiento del circón de la edad Hadea en el área de Jack Hills de Australia, también se han descubierto otros circones detríticos en rocas de la edad Arquea en otras partes del mundo. Vea el mapa a la derecha.
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Jack Hills Zircon
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El Acasta Gneis Complejo
Mientras que el Jack Hills detrítica de circones nos dicen que las rocas fueron, sin duda, en torno a 4.404 Ga, real rocas de edad que aún no se han encontrado. De hecho, existe cierta controversia en la comunidad científica sobre las rocas más antiguas descubiertas hasta la fecha. El Complejo Gneis de Acasta, ubicado en el Cratón Esclavo del noroeste de Canadá (ver mapa de Cratones Arqueos, arriba), conserva la roca isotópicamente datada más antigua e incuestionable que se encuentra en cualquier lugar de la Tierra. Este complejo incluye una variedad de roca tonalita-trondjemita-granodiorita (TTG) altamente deformada y metamorfoseada. Este tipo de roca se discute con más detalle en el Estudio de Caso sobre Cinturones de Piedras Verdes, Tectónica Primordial. Los TTG son similares al granito con algunas diferencias químicas y mineralógicas. Son rocas ígneas típicas producidas como cuerpos intrusivos a lo largo de los márgenes continentales tectónicamente activos hoy en día.
El Gneis de Acasta se ha datado utilizando técnicas de datación isotópica U/Pb en circón formado durante la cristalización de estas rocas en su entorno ígneo original. La presencia de circón en una roca ígnea indica que el magma ha «evolucionado» -se formó a través de la refundición de una roca preexistente. Las fechas isotópicas arrojan un registro de varios eventos magmáticos intrusivos diferentes que varían en edad entre 2.94 Ga y 4.02 Ga. El episodio más antiguo de actividad ígnea registrado en el complejo gneis ocurrió entre 3,92 y 4,02 Ga, que se extiende a caballo entre la división arbitraria Hadea/Eoarquea en la escala de tiempo geológica (arriba).
La interpretación de las edades de circones del Gneis de Acasta proporciona la verificación de que la corteza continental existía en el Hadeano. Un extenso análisis geoquímico de muchos pares isotópicos diferentes y comparaciones de concentración de elementos / isótopos han llevado a la interpretación de que la roca más antigua del Complejo Gneis de Acasta se derivó de la fusión parcial de la corteza máfica hadiana que tenía 4,3 mil millones de años .
El cinturón de piedra verde Nuvvuagittuq
La datación de la roca del Cinturón de Piedras Verdes de Nuvvuagittuq (NGB) ha sido controvertida, pero, si se acepta, en realidad puede proporcionar una visión de la corteza más antigua de la Tierra. (Lea más sobre los Cinturones de Piedra Verde aquí). El NGB se encuentra en el norte de Quebec, en la costa oriental de la Bahía de Hudson (Véase el mapa del Cratón Arqueo arriba). La roca volcánica máfica y ultramáfica metamorfoseada domina el NGB. El hecho de que se trata de rocas volcánicas en erupción en un océano antiguo está documentado por la presencia de almohadas de lava. La lava que entra en erupción bajo el agua forma llamativas formas de almohada a medida que una corteza se solidifica instantáneamente alrededor de la lava que exuda a medida que se derrama bajo el agua.
Otro tipo de roca incluido en el NGB es la formación de hierro con bandas. Los BIFs (como se les conoce cariñosamente) son rocas sedimentarias que también indican un entorno oceánico, ya que estos minerales sedimentarios de hierro se forman y se asientan fuera de la columna de agua. (Lea más sobre la formación de BIFs aquí). Diques máficos y ultramáficos intrusivos también ocurren dentro de la NGB.
El NGB está delimitado por un félsica intrusivo roca conocida como tonalitas (ver mapa abajo). Tanto la NGB como la tonalita están cortadas por un tipo similar de roca felsica llamada pegmatita. Los cuerpos intrusivos de tonalita y pegmatita contienen circón necesario para la datación radiométrica de U/Pb, que ha proporcionado una fecha precisa de 3,77 Ga. Debido a la relación transversal de la roca intrusiva con el NGB, esto proporciona solo una edad mínima para el NGB de 3,77 Ga . Es necesario investigar más a fondo para comprender la edad máxima.
Las rocas de piedra verde del NGB son restos de corteza oceánica antigua con una composición máfica a ultramáfica (ver tabla de composición anterior). Las rocas de composición ultramáfica no contienen circón y las rocas máficas rara vez lo hacen. El circón es un mineral que se encuentra típicamente en rocas ígneas de composición más felsica, como el granito. La datación isotópica de uranio-plomo (U/Pb) es el «estándar de oro» para la precisión, particularmente en rocas muy antiguas. La falta de circón en el NGB cuestionará cualquier otro método utilizado para proporcionar fechas.
En 2008, Jonathan O’Neil, un joven estudiante de doctorado de la Universidad McGill en Quebec, Canadá, desafió la fecha supuesta para NGB investigando un parche de anfibolita de aspecto extraño en el NGB (imagen). Una anfibolita es un metamorfoseada de rocas máficas por lo tanto, circón no está presente. O’Neil utilizó una técnica de datación y comparaciones de la relación isotópica de los elementos raros pero ubicuos de samario (Sm) y neodimio (Nd). Usando esta técnica, O’Neil determinó que la edad real del NGB era de 4,28 Ga . El análisis posterior de muestras adicionales desde entonces ha retrasado aún más la fecha a 4,31 Ga . Si es cierto, la roca NGB representaría la roca de la edad Hadea más antigua conservada que se encuentra en el planeta.
No todos los geólogos que investigan estas rocas coinciden con los hallazgos de O’Neil. Su interpretación de los datos isotópicos y comparaciones proponen que las firmas isotópicas representan solo que el NGB se derivó de rocas preexistentes de la edad hadea y que la edad de formación del NGB es eoarquiana (3,7 Ga). Esta controversia seguramente continuará hasta que se encuentre circón dentro del NGB. ¿Le intriga la búsqueda de las rocas más antiguas de la Tierra? Considere la posibilidad de realizar estudios de posgrado en geología. Gran parte de la extensión de NGB aún no se ha muestreado.
¿Los fósiles más antiguos de la Tierra?
El Cinturón de Piedra Verde de Nuvvuagittuq sigue dando. En 2017, un equipo de investigadores presentó sus hallazgos sobre lo que creen que son rastros de vida encontrados en la formación de hierro en bandas del NGB . Su investigación microscópica del BIF reveló pequeños tubos hechos de hematita mineral de hierro. Estos tubos coinciden con la forma y el tamaño de los fabricados por bacterias en ambientes de respiraderos hidrotermales modernos. Las bacterias usan el hierro para su metabolismo. Los investigadores también descubrieron el grafito mineral en el BIF, que está compuesto enteramente de carbono. Grafito probablemente formado por metamorfismo de material orgánico, ya que contiene niveles reducidos del isótopo de carbono pesado, carbono-13 (13C). Las formas de vida son preferentes en la selección del isótopo más ligero de carbono, carbono-12 (12C).
Si este descubrimiento es cierto, esta será la evidencia más antigua de vida fósil hasta ahora descubierta. La formación de hierro con bandas de NGB existe dentro del NGB y se puede interpretar como depositada en el antiguo fondo marino representado por la piedra verde. Este NGB ha sido indudablemente fechado por intrusiones ígneas transversales a 3.77 Ga. Esto sería anterior a cualquier evidencia fósil previamente descubierta por varios cientos de millones de años (ver Al Principio). Si la edad de O’Neil para el NGB se mantiene, entonces los fósiles tal vez sean tan antiguos como 4.31 Ga.
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Acasta Gneiss and Nuvvuagittuq Greenstone Belt
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Resumen
El más antiguo de los minerales de la corteza terrestre han descubierto que son los circones se encuentra en Arcaico metamorfoseada de las rocas sedimentarias a partir de la toma de las Colinas del suroeste de Australia. El análisis del circón proporciona consistentemente fechas superiores a 4.0 Ga, siendo la más antigua 4.4 Ga. La roca en la que se formó originalmente el circón habría sido una de las costras continentales más antiguas que existen; desafortunadamente, las rocas originales que suministraron estos circones probablemente desaparecieron hace mucho tiempo. La roca intacta más antigua encontrada en la Tierra hasta la fecha es del Complejo Acasta Gneis del noroeste de Canadá. Las fechas U / Pb de circón del gneis llegan al Eón Hadeano a 4.02 Ga. La roca del Cinturón de Piedras Verdes de Nuvvuagittuq en el norte de Quebec, Canadá, no contiene circón, ya que es de composición máfica a ultramáfica y representa la corteza oceánica antigua. Las técnicas alternativas de datación isotópica producen un alcance mucho más antiguo en el Hadeano temprano de 4.31 Ga. Existe controversia dentro de la comunidad científica con respecto a esta fecha y la investigación continúa.
Los geólogos continúan buscando cratones de Arqueo en busca de astillas de corteza de Hadano. Se aseguran más descubrimientos que continuarán avanzando en nuestra comprensión y conocimiento del medio ambiente de los primeros tiempos de la Tierra.
Referencias y Lectura adicional
Dziewonski, A. M. & Anderson, D. L. Modelo terrestre de referencia preliminar. Phys. Planeta Tierra. Inter. 25, 297–356 (1981).
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