Quando la Terra è diventata davvero la Terra? Abbiamo imparato come si è formato il sistema solare e le prime fasi della formazione della Terra nel caso studio che esplora la teoria nebulosa e la formazione del sistema solare. La Terra primitiva crebbe attraverso il processo di collisione e accrescimento di materiale nebuloso che variava in dimensioni dalla polvere spaziale ai planetesimi, forse alcuni grandi come piccoli pianeti. Abbiamo datato la Terra a 4.567 miliardi di anni (Ga) sulla base di dati isotopici di piombo da meteoriti . I meteoriti sono gli “ingredienti” che hanno formato la Terra e gli altri pianeti terrestri. Questa data di “nascita della Terra” è assegnata all’inizio dell’accrescimento, non in un punto in cui la Terra aveva in gran parte raggiunto la sua piena massa accresciuta .

Il primo eone del tempo geologico della Terra è appropriatamente chiamato “Hadean” con riferimento ad Ade, il Dio degli Inferi nella mitologia greca. L’Hadean è spesso descritto come “Inferno sulla Terra”, il tempo in cui esisteva un ambiente estremamente ostile con oceani di magma che bollivano sulla superficie e gas nocivi e vapore che avvolgevano il giovane pianeta. Forse l’immagine che accompagna è un’analogia. In questo ambiente estremo, nessuna vita, come la conosciamo, potrebbe sopravvivere.

Quindi quando possiamo dire: “eccolo qui – La Terra è ora Terra!”? Forse se riuscissimo a trovare la prima roccia formata sulla Terra, potremmo assegnare la vera età della Terra come l’inizio di una superficie solida.

L’intervallo di tempo geologico di Hadean non contiene epoche o Periodi perché sappiamo così poco di ciò che è successo poiché rimangono solo piccoli frammenti di materiale terrestre. L’Hadean come appare sulla scala temporale geologica sottostante indica che il suo inizio è approssimativo. Il piccolo orologio situato alle divisioni di tempo sul lato destro della scala sopra l “Hadean indicano che le date scelte sono un po” arbitraria come geologi continuano ad esaminare minerale residuo e prove di roccia.

Differenziazione dell’interno della Terra

Quali prove abbiamo degli eventi di formazione della Terra che si verificano nell’Hadean? I geologi planetari teorizzano che verso la fine dello stadio di accrescimento nella formazione della Terra, 4,5 – 4,6 Ga, la Terra fu colpita da detriti spaziali di dimensioni planetesimali più grandi. I planetesimi erano altri pianeti “desiderosi” che viaggiavano nella stessa orbita della Terra in via di sviluppo. Erano enormi di per sé, ma la Terra in via di sviluppo era più grande e in grado di resistere ai loro impatti e rimanere intatta. L’energia di queste collisioni massicce fuso la superficie del giovane pianeta con conseguente formazione di vasti ” oceani magma.”Decadimento radioattivo energetico di elementi instabili aggiunti alla produzione di calore dall’interno della Terra primitiva. Questo doppio smacco della generazione di calore interno ed esterno potrebbe aver fuso l’intero pianeta o averlo trasformato in una massa densa e fangosa di materiale roccioso fuso altamente convettivo. , .

Ciò ha permesso alla Terra, e ad altri pianeti in via di sviluppo nel nostro sistema solare, di passare attraverso un processo di differenziazione in cui gli elementi siderofili più pesanti (associati al ferro) migravano verso il nucleo centrale mentre gli elementi litofili più leggeri (concentrati di litosfera) salivano verso la superficie. La differenziazione è avvenuta molto rapidamente rispetto all’immensità del tempo geologico – nell’arco di diverse decine di milioni di anni. La differenziazione non era un giro d’affari all’ingrosso dell’intero interno del pianeta, ma più simile a una percolazione di elementi siderofili attraverso l’oceano di magma fangoso (vedi immagine sotto).

L’analisi delle onde sismiche prodotte dai terremoti ci ha aiutato a capire le differenze di densità e la composizione relativa dei materiali che esistono all’interno della Terra moderna a diverse profondità. Queste analisi della velocità delle onde sismiche negli ultimi 100 anni ci hanno permesso di vedere un quadro molto chiaro dell’interno stratificato della Terra .

La prima crosta terrestre

Mentre la differenziazione procedeva, l’oceano magma arricchito da elementi di luce sulla superficie fu esposto al freddo dello spazio e iniziò a formarsi una sottile crosta iniziale. Meteore, asteroidi e comete continuarono il loro impatto senza sosta, perforando la prima crosta e permettendo al magma, nascosto appena sotto, di fluire di nuovo. La composizione di questa prima crosta era simile alla rarissima komatiite di roccia ultramafica, una roccia vulcanica in gran parte composta dal minerale olivina. Komatiites sono molto rari nella roccia record della Terra, quasi interamente limitato alla roccia di età archeana. I komatiiti erano in gran parte derivati dal mantello molto caldo della giovane Terra e raggruppati in superficie come lava. Mentre la Terra continuava a raffreddarsi e il mantello si solidificava, la generazione di magma altamente ultramafico che si è fatto strada in superficie è stata rara.

Una rapida revisione della composizione del magma

La differenziazione ha prodotto il nostro nucleo interno ed esterno dominato dal ferro e il materiale roccioso dominato dai silicati del mantello e, in definitiva, della crosta. I silicati sono minerali che sono in gran parte composti dagli elementi di silicio e ossigeno legati insieme ad altri elementi litofili tra cui alluminio, calcio, potassio, sodio e magnesio. Non tutto il ferro migrato al nucleo. Nei primi Hadean, la Terra veniva continuamente bombardata da detriti spaziali che contenevano tutti gli elementi naturali della Terra in percentuali variabili. Possiamo pensare che la composizione dell’oceano magmatico sia dominata dalla silice (silicio e ossigeno) e relativamente omogenea. La prima crosta, composta da komatiite, rappresentava questa composizione. Questo oceano convettore di poltiglia di silicati ha portato diapiri (blob a forma di lacrima in aumento) di materiale oceanico di magma profondo verso la superficie dove si è riunito e raffreddato in masse di komatiite spesse. Queste masse di komatiite pesanti e dense gocciolavano nell’oceano magmatico per il riciclaggio. Questo processo di rifusione ha ulteriormente differenziato la crosta iniziale. Eddys di convezione magma vicino alla superficie parzialmente fuso komatiite. Questa “fusione parziale” era più silice arricchita perché i minerali nella komatiite con più silice sarebbero stati i primi a sciogliersi (vedi discussione sulla serie di reazioni di Bowen per capire questo processo). Questo è indicato come un “magma evoluto”, non primario, ma rifuso e più silice arricchita. I magmi arricchiti di silice sono più bassi nella densità e più galleggianti e possono essere immaginati come aumento alla superficie come gelato in un galleggiante della radica. Questa evoluzione del magma porta alle diverse composizioni che riconosciamo oggi nella classificazione delle rocce ignee. Si noti dove komatiite appare sullo schema qui sotto. Man mano che l’evoluzione del magma procede, la composizione si arricchisce di silice, creando un magma che diventa sempre più “felsico” nella composizione.

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The Hadean

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Le rocce più antiche della Terra

Ciò che seguì la formazione di una sottile crosta di komatiite è molto dibattuto e un’area di fervente ricerca geologica. La comprensione dell’evoluzione della prima crosta era sconosciuta fino alla scoperta di zirconi di età hadean dalla zona di Jack Hills nel sud-ovest dell’Australia (vedi mappa). Lo zircone è un minerale piccolo e resistente con la formula chimica ZrSiO4. È un minerale comune nella roccia felsica con una composizione simile a quella della crosta continentale, come il granito. Non è un minerale comune della roccia della crosta oceanica, come il basalto e non si verifica nella prima roccia della crosta, la komatiite.

A metà degli anni 1980 campo geologi campionato si è tramutato roccia sedimentaria (metaconglomerate) dal Jack Hills. Il metaconglomerato è datato come Archeano, circa 3,6 Ga. Le particelle sedimentarie detritiche trovate all’interno del metaconglomerato sono, ovviamente, più vecchie della loro deposizione come ghiaia. L’ambiente di deposizione del conglomerato originale è pensato per essere un ventilatore alluvionale, dove i sedimenti derivati dagli agenti atmosferici e dall’erosione delle montagne sono stati spostati dall’acqua e depositati in una valle adiacente. Piccoli cristalli di zircone sono stati estratti dal metaconglomerato per l’analisi. Gli zirconi erano originariamente parte della roccia che componeva queste montagne precedenti. I resti di queste montagne non sono stati scoperti e molto probabilmente sono stati cancellati dalla superficie terrestre dall’erosione.

Lo zircone è un minerale piccolo ma potente. È uno dei piccoli cronometristi della Terra. Lo zircone si forma tipicamente durante la cristallizzazione del magma dove l’uranio radioattivo può sostituire lo zirconio nel reticolo minerale. Dopo la cristallizzazione, l’orologio radiometrico inizia a ticchettare. Gli atomi di uranio radioattivi instabili abbattere attraverso un processo noto come ” decadimento.”Gli atomi perdono particelle subatomiche ed emettono energia. La perdita di particelle include una diminuzione del numero di protoni che alla fine cambia l’uranio in piombo. Il tasso di questo decadimento è ben noto e consente agli scienziati di datare molto accuratamente lo zircone. Radiometrica incontri analisi del Jack Hills detrital grani zircone resa date vecchio come 4.404 Ga! Questo è il più antico materiale Terrestre scoperto fino ad oggi, formato solo ~150 Ma dopo l’inizio della Terra. E ‘ incredibile!!! Questo ci dice che in quei 150 milioni di anni, l’intera Terra era in gran parte formata, il suo interno differenziato, si raffreddò abbastanza per avere una crosta solida di komatiite, e, rifusione prodotto magma evoluto dove lo zircone cristallizzato in roccia solida simile alla composizione della nostra crosta continentale oggi. Wow!!! (Il metodo di datazione dello zircone è discusso più approfonditamente nel capitolo sul tempo geologico).

Questa scoperta ha significativamente avanzato la nostra comprensione dell’ambiente Hadean e l’evoluzione della crosta durante l’Hadean. La scoperta dello zircone significa che entro i primi diverse centinaia di milioni di anni di esistenza della Terra, crosta di varia composizione esisteva, alcuni dei quali era più felsica nella composizione, molto simile alla crosta continentale che esiste oggi. Ciò fornisce una visione significativa dei processi al lavoro nell’Hadean in quanto questo tipo di roccia viene continuamente formato e riformato attraverso processi tettonici a placche oggi.

Analisi degli isotopi di ossigeno i dati dallo zircone hanno rivelato prove ancora più incredibili sull’ambiente che esisteva durante i primissimi Hadean. L’ossigeno ha diversi isotopi, 16O è più abbondante con 8 protoni e 8 neutroni esistenti nel nucleo. 17O e 18O esistono anche in molto meno abbondanza. 18O è concentrato in un ambiente acquoso, come gli oceani, poiché i più leggeri 17O e 16O evaporeranno preferenzialmente. Analisi delle quantità relative di diversi isotopi di ossigeno 16O e 18O (rapporto indicato con il delta greco δ18O minuscola) nello zircone Jack Hills sono inclinati verso “pesante” 18O, in contrasto con il più comune “luce” 16O. Questa firma di ossigeno pesante nella roccia è un’indicazione che si è formata da fresco, bagnato, processi sedimentari sulla superficie terrestre. Così, il magma che alla fine ha dato origine agli zirconi è teorizzato per essere stato formato da quello che una volta erano stati sedimenti depositati sul pavimento di un antico oceano . Quindi non solo la Terra molto giovane era in grado di creare una crosta di composizione felsica, ma era anche abbastanza fresca da avere acqua liquida negli oceani. Queste sono conclusioni sorprendentemente familiari su un giovane pianeta “infernale”.

Dalla scoperta dello zircone dell’età Hadean nella zona di Jack Hills in Australia, altri zirconi detritici sono stati scoperti anche nella roccia dell’età archeana in altre parti del mondo. Vedi la mappa a destra.

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Jack Hills Zircon

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La Acasta Gneiss Complesso

Mentre il Jack Hills detritico zirconi ci dicono che le rocce erano sicuramente intorno a 4.404 Ga, vere rocce che vecchi non sono ancora stati trovati. Infatti, qualche controversia esiste nella comunità scientifica per quanto riguarda le rocce più antiche scoperte fino ad oggi. Il complesso Acasta Gneiss situato nel Cratone Slave del Canada nord-occidentale (vedi mappa dei cratoni Archean, sopra) conserva la più antica roccia isotopicamente datata indiscussa così trovata ovunque sulla Terra. Questo complesso comprende una varietà di roccia tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) altamente deformata e metamorfosata. Questo tipo di roccia è discusso in modo più dettagliato nel caso di studio su Greenstone Cinture, Tettonica primordiale. I TTG sono simili al granito con alcune differenze chimiche e mineralogiche. Sono tipiche rocce ignee prodotte come corpi intrusivi lungo i margini continentali tettonicamente attivi oggi.

Lo Gneiss Acasta è stato datato utilizzando tecniche di datazione isotopica U / Pb su zircone formatosi durante la cristallizzazione di queste rocce nel loro ambiente igneo originale. La presenza di zircone in una roccia ignea indica che il magma si è “evoluto” – si è formato attraverso la rifusione di una roccia preesistente. Le date isotopiche producono un record di diversi eventi magmatici intrusivi di età compresa tra 2,94 Ga e 4,02 Ga. Il più antico episodio di attività ignea registrato nel complesso di gneiss si è verificato tra 3.92 e 4.02 Ga che si trova a cavallo della divisione arbitraria Hadean/Eoarchean sulla scala dei tempi geologici (sopra).

Interpretazione delle età zircone Acasta Gneiss fornisce la verifica che la crosta continentale esisteva nel Hadean. Un’ampia analisi geochimica di molte coppie isotopiche diverse e confronti di concentrazione di elementi / isotopi hanno portato all’interpretazione che la roccia più antica del complesso di Gneiss di Acasta è stata derivata dalla fusione parziale della crosta mafica Hadean che aveva 4,3 miliardi di anni .

La cintura Nuvvuagittuq Greenstone

La datazione della roccia del Nuvvuagittuq Greenstone Belt (NGB) è stata controversa ma, se accettata, potrebbe effettivamente fornire un assaggio della prima crosta terrestre. (Per saperne di più su Greenstone Cinture qui). L’NGB si trova nel nord del Quebec, sulla riva orientale della baia di Hudson (vedi la mappa del Cratone Archeano sopra). Le rocce vulcaniche metamorfosate mafiche e ultramafiche dominano l’NGB. Il fatto che si tratti di rocce vulcaniche eruttate in un antico oceano è documentato dalla presenza di cuscini di lava. Lava che erutta sott’acqua forme cospicue forme cuscino come una crosta solidifica istantaneamente intorno alla lava stillicidio come si riversa sott’acqua.

Un altro tipo di roccia incluso nel NGB è la formazione di ferro fasciato. I BIFS (come sono affettuosamente conosciuti) sono rocce sedimentarie che indicano anche un ambiente oceanico in quanto questi minerali di ferro sedimentari si formano e si depositano fuori dalla colonna d’acqua. (Per saperne di più sulla formazione di BIF qui). Dighe mafiche e ultramafiche intrusive si verificano anche all’interno del NGB.

Il NGB è delimitato da una roccia intrusiva felsica nota come tonalite (vedi mappa sotto). Sia l’NGB che la tonalite sono tagliate da un tipo simile di roccia felsica chiamata pegmatite. I corpi intrusivi tonalite e pegmatite contengono zircone necessario per U / Pb radiometrica incontri che ha fornito una data precisa di 3.77 Ga. A causa della relazione trasversale della roccia intrusiva con il NGB, questo fornisce solo un’età minima per il NGB di 3,77 Ga . Ulteriori indagini sono necessarie per comprendere l’età massima.

Le rocce di greenstone del NGB sono resti di antica crosta oceanica con una composizione da mafica a ultramafica (vedi tabella di composizione sopra). Le rocce di composizione ultramafica non contengono zircone e le rocce mafiche raramente lo fanno. Lo zircone è un minerale che si trova tipicamente nella roccia ignea più felsica nella composizione, come il granito. La datazione isotopica uranio-piombo (U/Pb) è il “gold standard” per la precisione, in particolare nella roccia molto antica. La mancanza di zircone nel NGB metterà in discussione qualsiasi altro metodo utilizzato per fornire le date.

Nel 2008, Jonathan O’Neil, un giovane studente di dottorato della McGill University in Quebec, Canada, ha sfidato la data presunta per NGB studiando una strana patch di anfibolite nell’NGB (foto). Un anfibolite è una roccia mafica metamorfosata quindi, zircone non è presente. O’Neil ha usato una tecnica di datazione e confronti del rapporto isotopico degli elementi rari ma onnipresenti del samario (Sm) e del neodimio (Nd). Usando questa tecnica, O’Neil ha determinato l’età effettiva del NGB per essere 4.28 Ga . Ulteriori analisi di campioni aggiuntivi da allora ha spinto la data ancora più indietro a 4.31 Ga . Se fosse vero, la roccia NGB rappresenterebbe la più antica roccia di età Hadean conservata trovata sul pianeta.

Non tutti i geologi che indagano su queste rocce concordano con le scoperte di O’Neil. La loro interpretazione dei dati isotopici e confronti propongono che le firme isotopiche rappresentano solo che il NGB è stato derivato da roccia preesistente di età Hadean e che l ” età NGB di formazione è Eoarchean (3.7 Ga). Questa controversia è sicuro di continuare fino zircone si trova all ” interno del NGB. Sei incuriosito dalla ricerca delle rocce più antiche della Terra? Considerare perseguire studio laureato in geologia. Gran parte dell’estensione NGB deve ancora essere campionata.

I fossili più antichi della Terra?

La cintura Nuvvuagittuq Greenstone continua a dare. Nel 2017 un team di ricercatori ha presentato le loro scoperte su ciò che ritengono essere tracce di vita trovate nella formazione di ferro fasciato del NGB . La loro indagine microscopica del BIF ha rivelato piccoli tubi fatti di ematite minerale di ferro. Questi tubi corrispondono alla forma e alle dimensioni di quelli prodotti dai batteri nei moderni ambienti di sfiato idrotermale. I batteri usano il ferro per il loro metabolismo. I ricercatori hanno anche scoperto la grafite minerale nel BIF che è composta interamente di carbonio. La grafite probabilmente formata da metamorfismo di materiale organico in quanto contiene ridotti livelli di isotopo del carbonio pesante, carbonio-13 (13C). Le forme di vita sono preferenziali nella selezione dell’isotopo più leggero del carbonio, carbonio-12 (12C).

Se questa scoperta è vera, questa sarà la più antica prova di vita fossile ancora scoperta. La formazione di ferro a bande NGB esiste all’interno del NGB e può essere interpretata come depositata sull’antico fondo marino rappresentato dalla pietra verde. Questo NGB è stato indiscutibilmente datato da intrusioni ignee trasversali a 3.77 Ga. Ciò pre-daterebbe qualsiasi prova fossile precedentemente scoperta da diverse centinaia di milioni di anni (vedi All’inizio). Se l’età di O’Neil per il NGB regge, allora i fossili potrebbero forse essere vecchi come 4.31 Ga.

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Acasta Gneiss and Nuvvuagittuq Greenstone Belt

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Sommario

I minerali più antichi della crosta terrestre ancora scoperti sono gli zirconi trovati in Archean metamorphosed sedimentary rock dalle Jack Hills dell’Australia sud-occidentale. L’analisi dello zircone fornisce costantemente date oltre 4.0 Ga con la più antica 4.4 Ga. La roccia in cui lo zircone originariamente formata sarebbe stata una delle più antiche crosta continentale di esistere; sfortunatamente, le rocce originali che hanno fornito questi zirconi sono molto probabilmente ormai lontani. La più antica roccia intatta trovata sulla Terra fino ad oggi proviene dal complesso Acasta Gneiss del Canada nord-occidentale. Date U / Pb di zircone dalla portata gneiss nel Hadean Eon a 4.02 Ga. Roccia dalla cintura Nuvvuagittuq Greenstone nel nord del Quebec, Canada non contiene zircone in quanto è mafico a ultramafico nella composizione e rappresenta antica crosta oceanica. Alternate isotopica incontri tecniche producono una portata molto più vecchio di nuovo nei primi Hadean di 4.31 Ga. La controversia all’interno della comunità scientifica esiste riguardo a questa data e l’indagine continua.

I geologi continuano a cercare cratoni Archeano per schegge di crosta Hadean. Sono assicurate ulteriori scoperte che continueranno a far progredire la nostra comprensione e conoscenza dell’ambiente del primo tempo della Terra.

Riferimenti e ulteriori letture

Dziewonski, A. M.& Anderson, D. L. Preliminary reference Earth model. Phys. Pianeta Terra. Inter. 25, 297–356 (1981).