Kiedy Ziemia naprawdę stała się ziemią? Dowiedzieliśmy się o tym, jak powstawał układ słoneczny i najwcześniejszych etapach formowania się ziemi w studium przypadku badającym teorię mgławic i powstawanie układu słonecznego. Na początku Ziemia rozwijała się w procesie kolizji i akrecji materii mgławicowej o rozmiarach od pyłu kosmicznego do planetezymali, być może tak dużych jak małe planety. Datowaliśmy ziemię na 4,567 miliardów lat (Ga) na podstawie danych izotopów ołowiu pochodzących z meteorytów . Meteoryty są „składnikami”, które utworzyły ziemię i inne planety ziemskie. Ta data „narodzin Ziemi” jest przypisana do początku akrecji, a nie w momencie, w którym Ziemia w dużej mierze osiągnęła swoją pełną, akrecyjną masę .

pierwszy Eon czasu geologicznego ziemi jest odpowiednio nazwany „Hadean” w odniesieniu do Hadesa, Boga zaświatów w mitologii greckiej. Hadean jest często opisywany jako” piekło na Ziemi”, czas, w którym istniało bardzo wrogie środowisko z oceanami magmy gotującymi się na powierzchni i szkodliwymi gazami i parą otaczającymi młodą planetę. Być może załączony obraz jest analogią. W tym ekstremalnym środowisku żadne życie, jakie znamy, nie może przetrwać.

więc kiedy możemy powiedzieć: „no i masz-Ziemia jest teraz ziemią!”? Być może gdybyśmy znaleźli pierwszą skałę uformowaną na Ziemi, moglibyśmy przypisać prawdziwy wiek Ziemi jako początek stałej powierzchni.

geologiczny zakres czasowy Hadean nie zawiera epok ani okresów, ponieważ wiemy tak mało o tym, co się stało, ponieważ pozostały tylko drobne kawałki materiału ziemskiego. Hadean w poniższej geologicznej skali czasu wskazuje, że jego początek jest przybliżony. Mały zegar znajdujący się w podziale czasu po prawej stronie skali powyżej Hadean wskazuje, że wybrane daty są nieco arbitralne, ponieważ geolodzy nadal badają pozostałości minerałów i skał.

zróżnicowanie wnętrza Ziemi

Jakie mamy dowody na to, że zdarzenia kształtujące ziemię zachodzą w Hadean? Geolodzy Planetarni teoretyzują, że pod koniec akrecjonalnego etapu formowania się ziemi, 4,5 – 4,6 Ga, Ziemia została uderzona przez większe, planetezymalne szczątki kosmiczne. Planetezymale były innymi „chcianymi” planetami poruszającymi się po tej samej orbicie co rozwijająca się ziemia. Same w sobie były masywne, ale rozwijająca się ziemia była większa i była w stanie wytrzymać ich uderzenia i pozostać nienaruszona. Energia tych masywnych zderzeń stopiła powierzchnię młodej planety, w wyniku czego powstały rozległe ” oceany magmowe.”Energetyczny rozpad radioaktywny niestabilnych pierwiastków dodany do produkcji ciepła z wnętrza wczesnej Ziemi. To podwójne uderzenie wewnętrznego i zewnętrznego wytwarzania ciepła mogło stopić całą planetę lub przekształcić ją w gęstą, sypką masę wysoce konwekcyjnego stopionego materiału skalnego. , .

pozwoliło to Ziemi i innym rozwijającym się planetom w naszym Układzie Słonecznym przejść proces różnicowania, w którym najcięższe pierwiastki siderofilne (związane z żelazem) migrowały w kierunku centralnego jądra, podczas gdy lżejsze pierwiastki litofilne (skupione litosfery) wznosiły się w kierunku powierzchni. Zróżnicowanie nastąpiło bardzo szybko, jeśli chodzi o ogrom czasu geologicznego – na przestrzeni kilkudziesięciu milionów lat. Różnicowanie nie było hurtowym obrotem całego wnętrza planety, ale raczej perkolacją elementów siderofilowych przez sypki ocean magmy (patrz zdjęcie poniżej).

Analiza fal sejsmicznych wytwarzanych przez trzęsienia ziemi pomogła nam zrozumieć różnice gęstości i względny Skład materiałów, które istnieją we współczesnej Ziemi na różnych głębokościach. Te analizy prędkości fal sejsmicznych w ciągu prawie ostatnich 100 lat pozwoliły nam zobaczyć bardzo wyraźny obraz warstwowego wnętrza Ziemi .

pierwsza skorupa Ziemi

wraz z postępem różnicowania, wzbogacony o światło ocean magmy na powierzchni był narażony na chłód przestrzeni i cienka, wczesna skorupa zaczęła się formować. Meteory, asteroidy i komety kontynuowały swoje uderzenia, przebijając najwcześniejszą skorupę i pozwalając magmie, ukrytej tuż pod nią, ponownie płynąć. Skład tej najwcześniejszej skorupy był podobny do bardzo rzadkiej skały ultramaficznej komatiite, skały wulkanicznej w dużej mierze złożonej z minerału oliwin. Komatyty są bardzo rzadkie w ziemskim zapisie skalnym, prawie całkowicie ograniczone do skał epoki archaicznej. Komatyci wywodzili się w dużej mierze z bardzo gorącego płaszcza młodej Ziemi i łączyli się na powierzchni w postaci lawy. Gdy ziemia nadal ochładzała się, a płaszcz zestalał się, wytwarzanie wysoce ultramaficznej magmy, która przedostała się na powierzchnię, było rzadkie.

szybki przegląd składu magmy

różnicowanie wyprodukowało nasz zdominowany przez żelazo wewnętrzny i zewnętrzny rdzeń oraz zdominowany przez krzemiany materiał skalny płaszcza, a ostatecznie skorupy. Krzemiany są minerałami, które w dużej mierze składają się z pierwiastków krzemu i tlenu związanych razem z innymi pierwiastkami litofilnymi, w tym glinem, wapniem, potasem, sodem i magnezem. Nie wszystkie żelazo migrowało do rdzenia. We wczesnym Hadean ziemia była nieustannie bombardowana przez kosmiczne szczątki, które zawierały wszystkie naturalne elementy ziemi w różnych procentach. Możemy myśleć o składzie Oceanu magmowego jako zdominowanego przez krzemionkę (krzem i tlen) i względnie jednorodnego. Pierwsza skorupa, złożona z komatytów, reprezentowała tę kompozycję. Ten konwekcyjny ocean krzemianowej papki przyniósł diapiry (wznoszące się krople w kształcie łzy) z głębokiego materiału oceanicznego magmy w kierunku powierzchni, gdzie gromadził się i ochładzał w grubych masach komatytów. Te ciężkie, gęste masy komatite kapały z powrotem do oceanu magmy w celu recyklingu. Ten proces przetopu dodatkowo różnicował wczesną skorupę. Eddys magmy konwekcyjnej w pobliżu powierzchni częściowo stopił komatit. Ten „częściowy stop” był bardziej wzbogacony krzemionką, ponieważ minerały w komaticie z największą ilością krzemionki byłyby pierwszymi, które się stopiły (patrz dyskusja na temat serii reakcji Bowena, aby zrozumieć ten proces). Jest to określane jako” rozwinięta magma”, nie pierwotna, ale przetopiona i bardziej wzbogacona krzemionką. Magmy wzbogacone krzemionką mają mniejszą gęstość i są bardziej wyporne i mogą być wyobrażone jako wznoszące się na powierzchnię jak lody w pływaku rootbeer. Ta ewolucja magmy prowadzi do zróżnicowanych kompozycji, które rozpoznajemy dzisiaj w klasyfikacji skał magmowych. Zwróć uwagę, gdzie komatiite pojawia się na poniższym diagramie. Wraz z postępem ewolucji magmy, kompozycja staje się bardziej wzbogacona krzemionką, tworząc magmę, która staje się coraz bardziej „felsyczna” w kompozycji.

The Hadean

Start Quiz

Question

Your answer:

Correct answer:

najstarsze skały ziemi

to, co nastąpiło po utworzeniu cienkiej, zniszczonej, komatitowej skorupy, jest wysoce dyskutowane i jest obszarem gorliwych badań geologicznych. Wgląd w ewolucję najwcześniejszej skorupy był nieznany aż do odkrycia cyrkonów z epoki Hadean z obszaru Jack Hills w południowo-zachodniej Australii(Zobacz mapę). Cyrkon to mały, trwały minerał o wzorze chemicznym ZrSiO4. Jest minerałem pospolitym w skałach felsycznych o składzie zbliżonym do składu skorupy kontynentalnej, podobnie jak granit. Nie jest pospolitym minerałem skały skorupy oceanicznej, podobnie jak bazalt i nie występuje w najwcześniejszych skałach skorupy, komaticie.

w połowie lat 80. geolodzy terenowi pobrali metamorfozę skał osadowych (metakonglomerat) z Jack Hills. Metakonglomerat datowany jest na Archean, około 3,6 Ga. Detrytowe cząstki osadowe znajdujące się w metakonglomeracie są oczywiście starsze od ich osadzania jako żwir. Środowisko depozycji pierwotnego konglomeratu uważa się za wentylator aluwialny, w którym osady pochodzące z wietrzenia i erozji gór zostały przeniesione przez wodę i osadzone w sąsiedniej dolinie. Małe kryształy cyrkonu ekstrahowano z metakonglomeratu do analizy. Cyrkonie były pierwotnie częścią skał, które tworzyły te wcześniejsze góry. Pozostałości tych gór nie zostały odkryte i najprawdopodobniej zostały wymazane z powierzchni Ziemi przez erozję.

Cyrkon to mały, ale potężny minerał. To jeden z ziemskich strażników czasu. Cyrkon zazwyczaj tworzy się podczas krystalizacji magmy, gdzie radioaktywny uran może zastąpić cyrkon w kracie mineralnej. Po krystalizacji zegar radiometryczny zaczyna tykać. Niestabilne radioaktywne Atomy uranu rozpadają się w procesie znanym jako ” rozpad.”Atomy tracą cząstki subatomowe i emitują energię. Utrata cząstek obejmuje zmniejszenie liczby protonów, co ostatecznie zmienia Uran w ołów. Szybkość tego rozpadu jest dobrze znana i pozwala naukowcom bardzo dokładnie datować cyrkon. Radiometryczna analiza datowania z Jack Hills detrital ziarna cyrkonu plon datuje się już od 4,404 Ga! Jest to najstarszy Materiał ziemski Odkryty do tej pory, utworzony zaledwie ~150 Ma po powstaniu Ziemi. To niesamowite!!! To mówi nam, że w ciągu tych 150 milionów lat, cała ziemia była w dużej mierze uformowana, jej wnętrze zróżnicowane, ochłodziła się na tyle, aby mieć stałą skorupę komatitu, i, przetopu produkowane wyewoluowała magma, gdzie cyrkon krystalizował w litej skale podobnej do składu naszej skorupy kontynentalnej dzisiaj. WOW!!! (Metoda datowania cyrkonu jest szerzej omówiona w rozdziale poświęconym czasowi Geologicznemu).

to odkrycie znacznie poszerzyło nasze zrozumienie środowiska Hadean i ewolucji skorupy podczas Hadean. Odkrycie cyrkonu oznacza, że w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat istnienia Ziemi istniała skorupa o różnym składzie, z których część miała bardziej felsyczny skład, bardzo podobny do skorupy kontynentalnej, która istnieje dzisiaj. Zapewnia to znaczący wgląd w procesy zachodzące w Hadean, ponieważ ten rodzaj skał jest stale formowany i Reformowany przez procesy tektoniczne płyt dzisiaj.

Analiza izotopów tlenu z cyrkonu ujawniła jeszcze bardziej niewiarygodne dowody na temat środowiska, które istniało w bardzo wczesnym Hadean. Tlen ma kilka izotopów, 16O jest najbardziej obfite z 8 protonami i 8 neutronami istniejącymi w jądrze. 17O i 18O istnieją również w znacznie mniejszej ilości. 18O jest skoncentrowany w środowisku wodnym, takim jak oceany, ponieważ lżejsze 17O i 16O preferencyjnie odparowują. Analiza względnych ilości różnych izotopów tlenu 16o i 18o (stosunek oznaczony małą literą grecką Delta δ18O) w Cyrkonie Jack Hills są przekrzywione w kierunku „ciężkiego” 18O, w przeciwieństwie do bardziej powszechnego „lekkiego” 16O. ten ciężki podpis tlenu w skale wskazuje, że powstał w wyniku chłodnych, mokrych procesów osadowych na powierzchni Ziemi. Tak więc magma, która ostatecznie dała początek cyrkoniom, jest teoretyzowana, aby powstała z tego, co kiedyś było osadami osadzonymi na dnie starożytnego oceanu . Więc nie tylko bardzo młoda ziemia była zdolna do tworzenia skorupy o składzie felsycznym, ale także była na tyle chłodna, że miała ciekłą wodę w oceanach. Są to zaskakująco znajome wnioski o „piekielnej” młodej planecie.

od czasu odkrycia cyrkonu z epoki Hadean w obszarze Jack Hills w Australii, inne cyrkonie detrytowe zostały również odkryte w skałach epoki Archean w innych częściach świata. Zobacz mapę po prawej stronie.

Jack Hills Zircon

Start Quiz

Question

Your answer:

Correct answer:

Kompleks gnejsów Acasta

podczas gdy cyrkonie Jack Hills mówią nam, że skały były zdecydowanie wokół 4,404 Ga, rzeczywiste skały, które starych jeszcze nie odnaleziono. W środowisku naukowym istnieją pewne kontrowersje co do najstarszych odkrytych do tej pory skał. Kompleks gnejsów Acasta znajdujący się w Kratonie niewolników w północno-zachodniej Kanadzie (patrz mapa Archean Cratons, powyżej) zachowuje najstarszą niekwestionowaną izotopowo datowaną skałę znalezioną w dowolnym miejscu na Ziemi. Kompleks ten obejmuje wiele silnie zdeformowanych i przeobrażonych skał tonalitowo-trondhjemitowo-granodiorytowych (TTG). Ten rodzaj skał jest omówiony bardziej szczegółowo w studium przypadku na Greenstone Belts, Primordial Tectonics. TTGs są podobne do granitu z pewnymi różnicami chemicznymi i mineralogicznymi. Są to typowe skały magmowe wytwarzane jako ciała inwazyjne wzdłuż tektonicznie aktywnych brzegów kontynentalnych.

gnejs Acasta został datowany przy użyciu technik datowania izotopowego U/Pb na cyrkonie powstałym podczas krystalizacji tych skał w ich pierwotnym środowisku magmowym. Obecność cyrkonu w skale magmowej wskazuje, że magma „ewoluowała” – powstała poprzez przetopienie istniejącej wcześniej skały. Daty izotopowe dają zapis kilku różnych natrętnych zdarzeń magmowych w przedziale wiekowym od 2,94 Ga do 4,02 Ga. Najstarszy Epizod aktywności magmowej odnotowany w kompleksie gnejsów miał miejsce między 3,92 a 4,02 Ga, co oznacza arbitralny podział Hadean/Eoarchean w skali czasu geologicznego (powyżej).

interpretacja epoki cyrkonu gnejsu Acasta zapewnia weryfikację, że skorupa kontynentalna istniała w Hadean. Rozległa analiza geochemiczna wielu różnych par izotopowych i porównania stężenia pierwiastka / izotopu doprowadziły do interpretacji, że najstarsza skała kompleksu gnejsu Acasta pochodzi z częściowego topnienia maficznej skorupy Hadejskiej, która miała 4,3 miliarda lat .

pas Nuvvuagittuq Greenstone

Datowanie skały z pasa Nuvvuagittuq Greenstone Belt (NGB) było kontrowersyjne, ale jeśli zostanie przyjęte, może faktycznie dostarczyć wglądu w najwcześniejszą skorupę ziemską. (Czytaj więcej o Greenstone Belts tutaj). NGB znajduje się w północnym Quebecu, na wschodnim brzegu Zatoki Hudsona (patrz mapa Archean Craton powyżej). W NGB dominują metamorfozy skał maficznych i ultramaficznych wulkanicznych. Fakt, że są to skały wulkaniczne wybuchające w starożytnym oceanie, jest udokumentowany obecnością poduszek lawy. Lawa, która wybucha pod wodą, tworzy rzucające się w oczy kształty poduszek, gdy skorupa zestala się natychmiast wokół sączącej się lawy, gdy wypływa pod wodą.

kolejnym typem skał zaliczanym do NGB jest formacja banded iron. BIFs (jak są one pieszczotliwie znane) są skały osadowe, które również wskazują na środowisko oceaniczne, jak te osadowe minerały żelaza tworzą i osiedlić się ze słupa wody. (Czytaj więcej o powstawaniu BIFs tutaj). Wałów maficznych i ultramaficznych występują również w obrębie NGB.

NGB jest ograniczony przez skałę felsyczną zwaną tonalitem (patrz mapka poniżej). Zarówno NGB, jak i tonalit są przecięte przez podobny rodzaj skały felsycznej zwanej pegmatytem. Ciała natrętne tonalitu i pegmatytu zawierają cyrkon potrzebny do datowania radiometrycznego U / Pb, który podał dokładną datę 3,77 Ga. Ze względu na przekrojowy stosunek skały natrętnej do NGB, zapewnia to jedynie minimalny wiek NGB wynoszący 3,77 Ga . Dalsze dochodzenie jest konieczne, aby zrozumieć maksymalny wiek.

skały greenstone NGB są pozostałościami starożytnej skorupy oceanicznej o składzie maficznym do ultramaficznego (patrz wykres składu powyżej). Skały o składzie ultramaficznym nie zawierają cyrkonu, a skały maficzne rzadko. Cyrkon jest minerałem, który zwykle występuje w skale magmowej o bardziej felsycznym składzie, takim jak granit. Datowanie izotopowe uranowo-ołowiowe (U/Pb) jest „złotym standardem” dokładności, szczególnie w bardzo starych skałach. Brak cyrkonu w NGB będzie kwestionować wszelkie inne metody stosowane do zapewnienia dat.

w 2008 roku Jonathan O ’ Neil, Młody doktorant z McGill University w Quebecu w Kanadzie, zakwestionował założoną datę NGB, badając dziwnie wyglądający płat amfibolitu na NGB (zdjęcie). Amfibolit jest metamorficzną skałą maficzną, dlatego cyrkonu nie ma. O ’ Neil zastosował technikę datowania i porównanie proporcji izotopowych rzadkich, ale wszechobecnych pierwiastków samaru (Sm) i neodymu (Nd). Używając tej techniki, O ’ Neil określił rzeczywisty wiek NGB na 4,28 Ga . Dalsza analiza dodatkowych próbek od tego czasu przesunęła datę jeszcze bardziej do 4,31 Ga . Jeśli to prawda, skała NGB reprezentowałaby najstarszą zachowaną skałę Hadejską znalezioną na planecie.

nie wszyscy geolodzy badający te skały zgadzają się z ustaleniami O ’ Neila. Ich interpretacja danych izotopowych i porównania sugerują, że sygnatury izotopowe reprezentują tylko to, że NGB pochodzi z wcześniej istniejącej skały z epoki Hadejskiej, a wiek powstawania NGB jest Eoarchejski (3,7 Ga). Ta kontrowersja z pewnością będzie kontynuowana, dopóki cyrkon nie znajdzie się w NGB. Zaintrygowały Cię poszukiwania najstarszych skał na Ziemi? Rozważ kontynuację studiów podyplomowych w geologii. Znaczna część zakresu NGB nie została jeszcze pobrana z próbek.

najstarsze skamieniałości Ziemi?

pas Nuvvuagittuq Greenstone nadal daje. W 2017 roku zespół naukowców przedstawił swoje odkrycia na temat tego, co ich zdaniem jest śladami życia znalezionymi w prążkowanej formacji żelaza NGB . Ich mikroskopijne badanie BIF ujawniło małe rurki wykonane z żelazowego minerału hematyt. Rury te odpowiadają kształtowi i rozmiarom tych wytwarzanych przez bakterie w nowoczesnych środowiskach wentylacji hydrotermalnej. Bakterie wykorzystują żelazo do swojego metabolizmu. Naukowcy odkryli również grafit mineralny w BIF, który składa się w całości z węgla. Grafit prawdopodobnie powstał w wyniku metamorfizmu materiału organicznego, ponieważ zawiera obniżony poziom ciężkiego izotopu węgla, węgla-13 (13C). Formy życia są preferencyjne w doborze lżejszego izotopu węgla, węgla-12 (12C).

Jeśli to odkrycie będzie prawdziwe, będzie to najstarszy dowód na istnienie życia kopalnego. Formacja żelaza z pasmem NGB istnieje wewnątrz NGB i może być interpretowana jako osadzona na starożytnym dnie morskim reprezentowanym przez greenstone. Ten NGB został bezsprzecznie datowany przez przekrojowe intruzje magmowe na 3,77 Ga. Byłoby to wcześniejsze datowanie wszelkich skamieniałości odkrytych wcześniej o kilkaset milionów lat (patrz na początku). Jeśli wiek O ’ Neila dla NGB się utrzyma, to skamieniałości mogą być tak stare, jak 4,31 Ga.

Acasta Gneiss and Nuvvuagittuq Greenstone Belt

Start Quiz

Question

Your answer:

Correct answer:

podsumowanie

najstarszymi minerałami ze skorupy ziemskiej, które zostały jeszcze odkryte, są cyrkonie Znalezione w archaicznej metamorfozowanej skale osadowej z Jack Hills w południowo-zachodniej Australii. Analiza cyrkonu konsekwentnie podaje daty powyżej 4.0 Ga, a najstarszy to 4.4 Ga. Skała, w której pierwotnie uformował się cyrkon, byłaby jedną z najstarszych skorupy kontynentalnej; niestety, oryginalne skały, które dostarczały te cyrkonie, najprawdopodobniej dawno już minęły. Najstarsza zachowana skała znaleziona na ziemi do tej pory pochodzi z kompleksu gnejsów Acasta w północno-zachodniej Kanadzie. U / Pb daty cyrkonu z gnejsu sięgają eonu Hadejskiego o 4.02 Ga. Skała z pasa Nuvvuagittuq Greenstone w północnym Quebecu, Kanada nie zawiera cyrkonu, ponieważ jest maficzny do ultramaficznego w składzie i reprezentuje starożytną skorupę oceaniczną. Alternatywne techniki datowania izotopowego dają znacznie starszy zasięg do wczesnego Hadean 4,31 Ga. W środowisku naukowym istnieją kontrowersje dotyczące tej daty i badania są kontynuowane.

geolodzy kontynuują poszukiwania kraterów archaicznych w poszukiwaniu odłamków skorupy Hadejskiej. Zapewnione są kolejne odkrycia, które będą nadal rozwijać nasze zrozumienie i wiedzę o środowisku najwcześniejszych czasów Ziemi.

Referencje i dalsze informacje

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