jordens äldsta stenar
När blev jorden verkligen jorden? Vi har lärt oss om hur solsystemet bildades och de tidigaste stadierna i jordbildning i fallstudien som undersökte nebularteorin och bildandet av solsystemet. Tidig jord växte genom kollisionsprocessen och ansamlingen av nebulärt material som varierade i storlek från rymddamm till planetesimaler, kanske några så stora som små planeter. Vi har daterat jorden på 4.567 miljarder år (Ga) baserat på blyisotopdata från meteoriter . Meteoriter är ”ingredienserna” som bildade jorden och de andra markplaneterna. Detta” jordens födelse ” – datum tilldelas uppkomsten av accretion, inte vid en punkt där jorden till stor del hade uppnått sin fulla, accreted massa , .Jordens första Eon av geologisk tid heter på lämpligt sätt ”Hadean” med hänvisning till Hades, underjordens gud i grekisk mytologi. Hadean beskrivs ofta som” helvete på jorden”, den tid då en extremt fientlig miljö fanns med magma-hav som kokade på ytan och skadliga gaser och ånga som omsluter den unga planeten. Kanske är den medföljande bilden en analogi. I denna extrema miljö kan inget liv, som vi känner det, överleva.
så när kan vi säga, ” Där har du det – Jorden är nu jorden!”? Kanske om vi kunde hitta den första berget som bildades på jorden, kunde vi tilldela jordens sanna ålder som starten på en fast yta.
hadeans geologiska tidsperiod innehåller inga epoker eller perioder eftersom vi vet så lite om vad som hände som bara små bitar av jordmaterial kvarstår. Hadean som det framgår av den geologiska tidsskalan nedan indikerar att dess början är ungefärlig. Den lilla klockan som ligger vid tidsavdelningarna på höger sida av skalan ovanför Hadean indikerar att de valda datumen är något godtyckliga eftersom geologer fortsätter att undersöka kvarvarande mineral-och bergbevis.
differentiering av jordens inre
vilka bevis har vi för Jordformande händelser som inträffar i Hadean? Planetgeologer teoretiserar att Mot slutet av det accretionära steget i jordbildning, 4,5 – 4,6 Ga, blev jorden pummeled av större, planetesimala stora rymdskräp. Planetesimaler var andra” wanna-be ” planeter som reser i samma omlopp som den utvecklande jorden. De var massiva i sin egen rätt, men utvecklingsjorden var större och kunde motstå deras effekter och förbli intakta. Energin i dessa massiva kollisioner smälte ytan på den unga planeten vilket resulterade i bildandet av stora ”magma oceaner.”Energiskt radioaktivt förfall av instabila element som läggs till värmeproduktionen inifrån den tidiga jorden. Denna dubbla whammy av inre och yttre värmeproduktion kan ha smält hela planeten, eller förvandlat den till en tjock, slushy massa av mycket konvektivt smält bergmaterial. , .
detta gjorde det möjligt för jorden och andra utvecklande planeter i vårt solsystem att gå igenom en differentieringsprocess där de tyngsta, siderofila (järnassocierade) elementen migrerade mot den centrala kärnan medan de lättare litofila (litosfärkoncentrerade) elementen steg mot ytan. Differentiering skedde mycket snabbt med avseende på den enorma geologiska tiden – under flera tiotals miljoner år. Differentiering var inte en grossistomsättning för hela planetens inre utan mer som en perkolering av siderofilelement genom det slushy magma-havet (se bilden nedan).analys av seismiska vågor som produceras av jordbävningar har hjälpt oss att förstå densitetsskillnaderna och den relativa sammansättningen av de material som finns i den moderna jorden på olika djup. Dessa seismiska våghastighetsanalyser under nästan de senaste 100 åren har gjort det möjligt för oss att se en mycket tydlig bild av jordens skiktade interiör .
Jordens första skorpa
När differentieringen fortsatte utsattes det ljuselementberikade magmahavet vid ytan för kyla av rymden och en tunn, tidig skorpa började bildas. Meteorer, asteroider och kometer fortsatte sin påverkan oförminskad, punkterade den tidigaste skorpan och tillät magma, dold precis under, att flyta igen. Sammansättningen av denna tidigaste skorpa liknade mycket sällsynt ultramafisk sten komatiit, en vulkanisk sten som till stor del består av mineralet olivin. Komatiiter är mycket sällsynta i jordens rockrekord, nästan helt begränsade till Rock of Archean age. Komatiiterna härleddes till stor del från den unga jordens mycket heta mantel och samlades på ytan som lava. När jorden fortsatte att svalna och manteln stelnade, generation av mycket ultramafisk magma som har tagit sig till ytan har varit sällsynt.
en snabb genomgång av magma sammansättning
differentiering producerade vår järndominerade inre och yttre kärna och silikatdominerade bergmaterial av manteln och slutligen skorpan. Silikater är mineraler som till stor del består av elementen av kisel och syre bundna tillsammans med andra litofilelement inklusive aluminium, kalcium, kalium, natrium och magnesium. Inte allt järn migrerade till kärnan. I början av Hadean bombarderades jorden kontinuerligt av rymdskräp som innehöll alla jordens naturliga element i varierande procentsatser. Vi kan tänka på sammansättningen av magmahavet som kiseldioxid (kisel och syre) dominerad och relativt homogen. Den första skorpan, bestående av komatiit, representerade denna komposition. Detta konvektiva hav av silikatmush förde diapirer (stigande tårformade blobbar) av djupt magma-havsmaterial mot ytan där det samlades och kyldes i tjocka komatiitmassor. Dessa tunga, täta komatiitmassor droppade tillbaka i magmahavet för återvinning. Denna omsmältningsprocess differentierade ytterligare den tidiga skorpan. Eddys av convecting magma nära ytan smälte delvis komatiiten. Denna ”partiella smälta” var mer kiseldioxid berikad eftersom mineralerna i komatiit med mest kiseldioxid skulle vara först att smälta (se diskussion om Bowens reaktionsserie för att förstå denna process). Detta kallas en ”utvecklad magma”, inte primär, men omsmältad och mer kiseldioxid berikad. Silica berikade magmas är lägre i densitet och mer flytande och kan föreställas som stigande till ytan som glass i en rootbeer float. Denna utveckling av magma leder till de varierande kompositionerna vi känner igen idag i klassificeringen av magmatisk bergart. Lägg märke till var komatiite visas på diagrammet nedan. När magma evolution fortsätter blir kompositionen mer kiseldioxid berikad, vilket skapar magma som blir allt mer ”felsic” i kompositionen.
fick jag det?
The Hadean
Start Quiz
jordens äldsta stenar
vad som följde bildandet av tunn, störd, komatiitskorpa diskuteras mycket och ett område med fervent geologisk forskning. Insikt i utvecklingen av den tidigaste skorpan var okänd tills upptäckten av Hadean age zirkoner från Jack Hills-området i sydvästra Australien (Se karta). Zircon är ett litet, hållbart mineral med den kemiska formeln ZrSiO4. Det är ett vanligt mineral i felsisk sten med kompositionen som liknar den kontinentala skorpan, som granit. Det är inte ett vanligt mineral av havskorpan, som basalt och förekommer inte i skorpans tidigaste sten, komatiit.
i mitten av 1980-talet fältgeologer samplade en metamorfoserad sedimentär sten (metakonglomerat) från Jack Hills. Metakonglomeratet är daterat som Arkeiskt, ungefär 3,6 Ga. Detritala sedimentära partiklarna som finns i metakonglomeratet är, självklart, äldre än deras deponering som grus. Miljön för deponering av det ursprungliga konglomeratet tros vara en alluvial fläkt, där sediment som härrör från vittring och erosion av berg flyttades av vatten och deponerades i en intilliggande dal. Små zirkonkristaller extraherades från metakonglomeratet för analys. Zirkonerna var ursprungligen en del av berget som komponerade dessa tidigare berg. Rester av dessa berg har inte upptäckts och har troligen raderats från jordens yta genom erosion.
Zircon är ett litet men mäktigt mineral. Det är en av jordens små tidtagare. Zirkon bildas vanligtvis under kristalliseringen av magma där radioaktivt uran kan ersätta zirkonium i mineralgitteret. Efter kristallisering börjar den radiometriska klockan ticka. De instabila radioaktiva uranatomerna bryts ner genom en process som kallas ” förfall.”Atomerna förlorar subatomära partiklar och avger energi. Partikelförlust inkluderar en minskning av antalet protoner som i slutändan ändrar uran till bly. Graden av detta förfall är välkänt och tillåter forskare att mycket exakt datera zirkon. Radiometrisk dateringsanalys av Jack Hills detrital zircon-korn ger datum så gamla som 4.404 Ga! Detta är det äldsta jordmaterialet som hittills upptäckts, bildat bara ~150 Ma efter jordens början. Det är fantastiskt!!! Detta berättar för oss att under dessa 150 miljoner år bildades hela jorden till stor del, dess inre differentierades, den kyldes tillräckligt för att ha en fast skorpa av komatiit, och omsmältning producerad utvecklad magma där zirkon kristalliserades i fast sten som liknar sammansättningen av vår kontinentala skorpa idag. WOW!!! (Metoden för datering av zirkon diskuteras mer fullständigt i kapitlet om geologisk tid).
denna upptäckt har väsentligt avancerat vår förståelse av Hadean-miljön och utvecklingen av skorpan under Hadean. Upptäckten av zirkon innebär att inom de första flera hundra miljoner åren av jordens existens fanns skorpa av varierande sammansättning, varav några var mer felsiska i sammansättning, mycket som den kontinentala skorpan som finns idag. Detta ger betydande inblick i processerna på jobbet i Hadean eftersom denna typ av sten kontinuerligt bildas och reformeras genom plattektoniska processer idag.
analys av syreisotoper data från Zirkon har avslöjat ännu mer otroliga bevis om miljön som fanns under den mycket tidiga Hadean. Syre har flera isotoper, 16O är vanligast med 8 protoner och 8 neutroner som finns i kärnan. 17O och 18O finns också i mycket mindre överflöd. 18O koncentreras i en vattenhaltig miljö, såsom hav, eftersom lättare 17O och 16O företrädesvis avdunstar. Analys av de relativa mängderna av olika isotoper av syre 16O och 18O (förhållande betecknat med små bokstäver grekiska delta jacob18o) i Jack Hills zircon är skev mot ”tung” 18O, i motsats till den vanligare ”ljus” 16O. denna tunga syre signatur i rock är en indikation på att det bildas av svala, våta, sedimentära processer på jordens yta. Således teoretiseras magma som så småningom gav upphov till zirkonerna att ha bildats av det som en gång hade varit sediment deponerade på golvet i ett gammalt hav . Så inte bara var den mycket unga jorden kapabel att göra felsic-komposition skorpa, det var också tillräckligt kallt för att ha flytande vatten i haven. Dessa är överraskande bekanta slutsatser om en ”helig” ung planet.
sedan upptäckten av Hadean age zircon i Jack Hills-området i Australien har andra detritala zirkoner också upptäckts i Archean age rock i andra delar av världen. Se kartan till höger.
fick jag det?
Jack Hills Zircon
Start Quiz
Acasta Gneiss-komplexet
medan Jack Hills detrital zircons berättar för oss att stenar definitivt var runt vid 4.404 Ga, faktiska stenar den gamla har ännu inte hittats. Faktiskt, viss kontrovers finns i det vetenskapliga samfundet om de äldsta klipporna som hittills upptäckts. Acasta Gneiss-komplexet ligger i Slave Craton i nordvästra Kanada (se karta över arkeiska kratoner, ovan) bevara den äldsta obestridda isoto-daterade klippan som sålunda finns var som helst på jorden. Detta komplex innehåller en mängd mycket deformerade och metamorfoserade tonalit-trondhjemit-granodiorit (TTG) sten. Denna typ av sten diskuteras mer detaljerat i fallstudien om Greenstone Bälten, Primordial Tektonik. TTG liknar granit med vissa kemiska och mineralogiska skillnader. De är typiska magmatiska bergarter som produceras som påträngande kroppar längs tektoniskt aktiva kontinentala marginaler idag.
Acasta gnejs har daterats med användning av U/Pb isotop dejting tekniker på zirkon bildas under kristalliseringen av dessa stenar i sin ursprungliga magmatiska miljö. Närvaron av zirkon i en magmatisk sten indikerar att magma har ”utvecklats” – den bildades genom omsmältning av en befintlig sten. Isotopdatumen ger ett register över flera olika påträngande magmatiska händelser som sträcker sig i ålder mellan 2,94 Ga och 4,02 Ga. Det äldsta avsnittet av magmatisk aktivitet inspelad i gneiss-komplexet inträffade mellan 3,92 och 4,02 Ga som sträcker sig över den godtyckliga Hadean/Eoarchean-divisionen på den geologiska tidsskalan (ovan).
tolkning av Acasta Gneiss zircon åldrar ger verifiering att Kontinental skorpa existerade i Hadean. Omfattande geokemisk analys av många olika isotoppar och element/isotopkoncentrationsjämförelser har lett till tolkningen att den äldsta berget i Acasta Gneiss-komplexet härleddes från partiell smältning av mafisk hadeanskorpa som var 4,3 miljarder år gammal .
Nuvvuagittuq Greenstone Belt
datering av berget från Nuvvuagittuq Greenstone Belt (NGB) har varit kontroversiellt men kan, om det accepteras, faktiskt ge en glimt av jordens tidigaste skorpa. (Läs mer om Greenstone Bälten här). NGB ligger i norra Quebec, på den östra stranden av Hudson Bay (se Archean Craton karta ovan). Metamorfoserad mafisk och ultramafisk vulkanisk sten dominerar NGB. Det faktum att dessa är vulkaniska stenar utbröt i ett gammalt hav dokumenteras av närvaron av lavakuddar. Lava som bryter ut under vattnet bildar iögonfallande kuddeformer som en skorpa stelnar omedelbart runt den sipprande lavan när den spiller ut under vattnet.
en annan bergstyp som ingår i NGB är bandad järnbildning. BIFs (som de är kärleksfullt kända) är sedimentära bergarter som också indikerar en havsmiljö eftersom dessa sedimentära järnmineraler bildas och sätter sig ur vattenkolonnen. (Läs mer om bildandet av BIFs här). Påträngande mafiska och ultramafiska vallar förekommer också inom NGB.
NGB begränsas av en felsisk påträngande sten som kallas tonalit (se kartan nedan). Både NGB och tonaliten skärs över av en liknande typ av felsisk sten som kallas pegmatit. Tonalite och pegmatite påträngande kroppar innehåller Zirkon som behövs för U / Pb radiometrisk datering som har gett ett exakt datum för 3.77 Ga. På grund av det övergripande förhållandet mellan den påträngande berget och NGB ger detta endast en lägsta ålder för NGB på 3,77 Ga . Ytterligare undersökning är nödvändig för att förstå maximal ålder.
greenstone-klipporna i NGB är rester av forntida havskorpa med en mafisk till ultramafisk komposition (se kompositionstabell ovan). Stenar av ultramafisk komposition innehåller inte zirkon och mafiska stenar sällan. Zircon är ett mineral som vanligtvis finns i magmatisk sten mer felsic i komposition, som granit. Uran-bly (U/Pb) isotopdatering är ”guldstandarden” för noggrannhet, särskilt i mycket gammal sten. Brist på zirkon i NGB kommer att ifrågasätta någon annan metod som används för att ge datum.
2008 utmanade Jonathan O ’ Neil, en ung doktorand från McGill University i Quebec, Kanada, det antagna datumet för NGB genom att undersöka en udda amfibolitplåster i NGB (bild). En amfibolit är en metamorfoserad mafisk sten därför är zirkon inte närvarande. O ’ Neil använde en dateringsteknik och isotopförhållande jämförelser av de sällsynta men allestädes närvarande elementen i samarium (Sm) och neodym (Nd). Med hjälp av denna teknik bestämde O ’ Neil den faktiska åldern för NGB att vara 4,28 Ga . Ytterligare analys av ytterligare prover sedan dess har drivit datumet ännu längre tillbaka till 4.31 Ga . Om det är sant skulle NGB-klippan representera den äldsta bevarade Hadean age rock som finns på planeten.
inte alla geologer som undersöker dessa stenar överensstämmer med O ’ Neils resultat. Deras tolkning av isotopdata och jämförelser föreslår att de isotopiska signaturerna endast representerar att NGB härleddes från redan existerande berg av Hadean ålder och att NGB-bildningsåldern är Eoarchean (3.7 Ga). Denna kontrovers kommer säkert att fortsätta tills zircon finns inom NGB. Är du fascinerad av sökandet efter jordens äldsta stenar? Överväg att bedriva forskarutbildning i geologi. Mycket av NGB-omfattningen har ännu inte provtagits.
jordens äldsta fossiler?
Nuvvuagittuq Greenstone Belt fortsätter att ge. År 2017 presenterade ett team av forskare sina resultat om vad de anser vara spår av liv som finns i den bandade järnbildningen av NGB . Deras mikroskopiska undersökning av BIF avslöjade små rör gjorda av järnmineralhematit. Dessa rör matchar formen och storleken på de som tillverkas av bakterier i moderna hydrotermiska ventilationsmiljöer. Bakterierna använder järnet för sin ämnesomsättning. Forskarna upptäckte också mineralgrafiten i BIF som helt består av kol. Grafiten som sannolikt bildas av metamorfism av organiskt material eftersom det innehåller reducerade nivåer av den tunga kolisotopen, kol-13 (13C). Livsformer är förmånliga vid val av den lättare isotopen av kol, kol-12 (12C).
om denna upptäckt är sann, kommer detta att vara det äldsta beviset på fossilt liv som ännu upptäckts. NGB-bandad järnbildning finns inom NGB och kan tolkas som att ha deponerats på det gamla havsbotten representerat av greenstone. Denna NGB har otvivelaktigt daterats av tvärgående magmatiska intrång vid 3.77 Ga. Detta skulle före datera alla fossila bevis som tidigare upptäckts av flera hundra miljoner år (se i början). Om O ’ Neils ålder för NGB håller upp, kan fossilerna kanske vara lika gamla som 4.31 Ga.
fick jag det?
Acasta Gneiss and Nuvvuagittuq Greenstone Belt
Start Quiz
sammanfattning
de äldsta mineralerna från jordskorpan som ännu upptäckts är zirkoner som finns i Arkeisk metamorfoserad sedimentär sten från Jack Hills i sydvästra Australien. Analys av zirkon ger konsekvent datum över 4,0 Ga med den äldsta varelsen 4,4 Ga. Berget där zirkon ursprungligen bildades skulle ha varit några av de allra äldsta kontinentala jordskorpan att existera; tyvärr, de ursprungliga klipporna som levererade dessa zirkoner är troligen långt borta. Den äldsta intakta klippan som hittills hittats på jorden är från Acasta Gneiss-komplexet i nordvästra Kanada. U / Pb-Datum för zirkon från gnejs når in i Hadean Eon vid 4.02 Ga. Rock från Nuvvuagittuq Greenstone Belt i norra Quebec, Kanada innehåller inte zirkon eftersom det är mafic till ultramafic i sammansättning och representerar forntida havskorpa. Alternativa isotopdateringstekniker ger en mycket äldre räckvidd tillbaka till den tidiga Hadean av 4.31 Ga. Kontroverser inom det vetenskapliga samfundet existerar angående detta datum och utredningen fortsätter.
geologer fortsätter att söka arkeiska kratoner efter slivers av Hadean skorpa. Fler upptäckter garanteras som kommer att fortsätta att främja vår förståelse och kunskap om miljön från jordens tidigaste tid.
referenser och vidare läsning
Dziewonski, A. M.& Anderson, D. L. preliminär Referensjordmodell. Phys. Jorden Planet. Inter. 25, 297–356 (1981).
Leave a Reply