17 stycznia 2001 — Naukowcy rysują portret tego, jak Ziemia wyglądała wkrótce po tym, jak uformowała się 4.56 miliarda lat temu, w oparciu o wskazówki w najstarszych ziarnach mineralnych, jakie kiedykolwiek znaleziono.
Małe cyrkony (kryształy krzemianu cyrkonu) znalezione w starożytnych depozytach strumieniowych wskazują, że Ziemia rozwinęła kontynenty i wodę — być może nawet oceany i środowiska, w których mogło pojawić się życie mikrobowe — 4.3 miliarda do 4.4 miliarda lat temu, niezwykle szybko po tym jak nasza planeta się uformowała.
Poniżej: Gdzie nowo odkryte cyrkony pasują do historii Ziemi. Image by Dan Brennan.
Znaleziska dwóch grup badawczych, jednej w Australii, a drugiej w Stanach Zjednoczonych, sugerują, że „ciekła woda stabilizuje się wcześnie na planetach typu ziemskiego”, powiedział geolog Stephen Mojzsis, członek zespołu NASA Astrobiology Institute’s University of Colorado, Boulder. „To zwiększa prawdopodobieństwo znalezienia życia w innych miejscach we wszechświecie”, ponieważ warunki sprzyjające życiu mogą ewidentnie rozwijać się szybciej i łatwiej niż kiedyś sądzono.
To także „daje nam nowy widok na wczesną Ziemię, gdzie Ziemia ochłodziła się szybko” po gazie i pyle w nowo narodzonym układzie słonecznym congealed tworzyć planety, powiedział geolog William Peck, z Colgate University w Hamilton, Nowy Jork. „Były kontynenty i woda naprawdę wcześnie — a może oceany i życie — wszystko po to, by później zostać zatarte przez meteoryty, z prawie żadnym zapisem pozostawionym z wyjątkiem tych cyrkonów.”
Aż do około 3,9 miliarda lat temu, roje komet i meteorytów uderzały w młodą Ziemię wystarczająco często, by od czasu do czasu odparować strefy powierzchniowe oceanów i wymazać wszelkie życie tam rezydujące. Najwcześniejsze znane dowody życia mikrobowego na Ziemi pochodzą z wzorców izotopów węgla badanych przez Mojzsis i kolegów w osadach grenlandzkich sprzed 3,85 miliardów lat.
Teraz, cyrkonie z Zachodniej Australii pokazują, że kontynenty i woda istniały 4,3 miliarda do 4,4 miliarda lat temu. „Życie mogło mieć możliwość rozpoczęcia 400 milionów lat wcześniej, niż wcześniej udokumentowano” – powiedział Mojzsis.
„Życie mogło powstać wiele razy, tylko po to, by zostać rozbitym, i dopiero wtedy, gdy meteoryty się zwężą, staje się ono uchwytne” – dodał Peck.
Mojzsis i Peck należą do oddzielnych zespołów badawczych, jednego, który znalazł 4,4-miliardową cyrkonię w 1999 roku i innego zespołu, który odkrył parę 4,3-miliardowych cyrkonii w zeszłym roku z tego samego obszaru formacji skalnej Jack Hills w Zachodniej Australii. Obie grupy opublikowały swoje badania w wydaniu z 11 stycznia 2001 roku w brytyjskim czasopiśmie Nature.
The 4.4-billion-year-old zircon jest „nasz najwcześniejszy rejestr the wczesny skorupa” na Ziemia, Peck powiedzieć. Że cyrkon i nieznacznie młodsze ziarna cyrkonu mierzą z grubsza 250 mikronów szerokości — mniej niż jedna setna cala.
„Te cyrkony naprawdę przeszły przez wyżymaczkę,” powiedział Peck.
Po lewej: Region Jack Hills w Zachodniej Australii, gdzie cyrkony zostały odkryte. Photo by Simon Wilde.
Ich historia rozpoczęła się jakiś czas po uformowaniu się Ziemi, kiedy „ciekła woda weszła w interakcję ze skałami”, powiedział. Ta interakcja może się zdarzyć na jeden z trzech sposobów: gdy woda wymienia się z minerałami w skałach, gdy kryształy rosną z roztworu w wodzie gruntowej, lub gdy żyły mineralne są zdeponowane. Ekspozycja na wodę zwiększyła skały „normalnie niski stosunek rzadkiego izotopu tlenu-18 do bardziej powszechnego izotopu tlenu-16, powiedział.
Później, skały zostały stopione pod ziemią — lub być może podczas bombardowania meteorytem — i cyrkonie utworzone jako kryształy w stopionym granicie, który był chłodzenie do postaci stałej skały.
Naładowany cyrkoniami granit w końcu został wyrzucony w górę, tworząc góry, które później uległy erozji. Granit zniknął, ale cyrkonie ostatecznie przyszedł do odpoczynku 3 miliardy lat temu w piaszczystych australijskich osadów strumienia. Osady te później stwardniały w skały, które następnie zostały zmienione przez ciepło i ciśnienie.
Oba zespoły badawcze używały instrumentów zwanych mikrosondami jonowymi do datowania i analizowania kryształów cyrkonu, które często zawierają uran, pierwiastki ziem rzadkich i inne zanieczyszczenia. Uran rozpada się na ołów w znanym tempie. Stosunek uranu do ołowiu w cyrkonach pokazał, że powstały one już 4,4 miliarda do 4,3 miliarda lat temu, gdy krystalizowały się w stopionym granicie.
Poniżej: Mikroskopowy widok kryształu cyrkonu (krzemian cyrkonu) określony na 4,4 miliarda lat temu. Photo by John W. Valley
Skorupa kontynentalna jest inna niż skorupa, która leży pod oceanami. Granit jest skałą powszechnie występującą na kontynentach. A cyrkony powszechnie krystalizują w granicie.
Więc cyrkony wskazują, że granit był obecny 4,3 miliarda do 4,4 miliarda lat temu, podczas gdy granit oznacza, że kontynenty istniały w tym czasie. Tak stare granitowe skały nie zostały znalezione; wszystko to zostało później wyerodowane lub w inny sposób przetworzone. Starożytne cyrkony są ocalałymi śladami granitu skorupowego z wczesnych lat Ziemi.
„Fakt, że masz 4,4 miliarda lat cyrkon z granitu sugeruje, że musiała istnieć skała skorupy kontynentalnej”, powiedział geolog Sam Bowring z Massachusetts Institute of Technology.
Ion microprobe analiza pierwiastków ziem rzadkich w ramach kryształów cyrkonu również znaleźć poziomy typowe dla kontynentalnych skał, Peck powiedział.
Obecność wody na młodej Ziemi została potwierdzona, gdy obie grupy przeanalizowały cyrkony pod kątem izotopów tlenu i znalazły charakterystyczny podpis skał, które zostały dotknięte przez wodę: podwyższony stosunek tlenu-18 do tlenu-16.
W wyniku, „wiemy, że nie było ciekłej wody w pewnym momencie przed 4,4 miliardów lat temu,” Peck powiedział. Ciekła woda musiała zbierać się gdzieś, podnosząc możliwość oceanów, dodał.
On powiedział, że jest również prawdopodobne, że oceany istniały, ponieważ „aby zrobić kontynenty, musisz mieć wodę”.
Peck powiedział, że zanim pojawiły się oceany, gigantyczne płyty skorupy ziemskiej już mogły zacząć się poruszać i zderzać ze sobą, powodując, że duże bloki skalne nurkowały w dół w procesie zwanym subdukcją. Bez oceanów, że rock nie mógł stopić się do tworzenia kontynentalnych rock jak granit, powiedział.
Poniżej: Outcrop typu skały, gdzie cyrkonie zostały odkryte. Młotek pokazuje skalę. Photo by Simon Wilde.
Odkąd były oceany, jednak, woda morska będzie reagować z i uwodniony lawy wybuchające z podmorskich wulkanów na grzbietach śródoceanicznych. Lawa następnie ochłodziłaby się i utworzyła nowe dno morskie, które później uległo subdukcji. Woda uwięziona w minerałach pogrążającej się skały obniżyła jej temperaturę topnienia, wywołując erupcje wulkaniczne, które prawdopodobnie doprowadziły do powstania łańcuchów wysp zbudowanych ze skał granitoidowych. Uważa się, że takie „łuki wyspowe” ostatecznie połączyły się w kontynenty.
„Oceany, atmosfera i kontynenty były na swoim miejscu już 4,3 miliarda lat temu”, powiedział Mojzsis.
Według Peck, pierwsze oceany mogły powstać z wody przyniesionej na Ziemię przez komety lub zostały wyemitowane podczas wczesnych erupcji wulkanicznych z tego, co stało się grzbietami śródoceanicznymi.
Cyrkony sugerują, że życie mogło istnieć na Ziemi 4,3 miliarda lat temu, powiedział Mojzsis, ponieważ trzy kluczowe czynniki niezbędne dla życia były obecne: energia, materiał organiczny (z przybywających komet i reakcji atmosferycznych) i — zgodnie z cyrkonami — ciekła woda.
Credits: Odkrycie 4.4-billion-year-old cyrkonu zostało zgłoszone przez Peck, Simon Wilde w Curtin Institute of Technology w Australii; John Valley na University of Wisconsin, Madison; i Colin Graham z University of Edinburgh w Wielkiej Brytanii. Wilde znalazł 4,4-miliardowe ziarno w 1999 roku podczas datowania cyrkonów z kamienia zebranego w 1984 roku, powiedział Peck. Mojzsis i współpracownicy twierdzą, że znaleźli parę 4,3-miliardowych cyrkonów w zeszłym roku z tego samego obszaru formacji skalnej Jack Hills w Australii Zachodniej. Mojzsis pracował z geochemikiem Markiem Harrisonem z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles i Robertem Pidgeonem z Curtin Institute of Technology.
.