Согласно результатам, опубликованным в декабре. 9 в журнале Science Advances, этот процесс мог начаться 3.75 миллиардов лет назад, изменив форму поверхности Земли и заложив основу для планеты, гостеприимной для жизни.
Для геохимиков, таких как доцент Скриппса и ведущий автор исследования Сара Ааронс, ключ к разгадке самой ранней обитаемости Земли лежит в элементах, из которых состоят древние горные породы, в частности, в титане.
Ааронс проанализировал образцы древнейших из известных на Земле горных пород из комплекса Акаста-Гнейс в канадской тундре – обнажения гнейсов 4.02 миллиарда лет. Эти породы датируются Хадейским эоном, который начался в начале формирования Земли и был определен адскими условиями на планете, которые для наших современных глаз выглядели бы чуждыми.
Исследования Аарона были сосредоточены на изотопах, которые представляют собой вариации одного и того же элемента в зависимости от количества нейтронов, которые у них есть. Взяв образцы из Acasta Gneiss, предоставленные Джесси Рейминком, доцентом Пенсильванского государственного университета, она раздробила кусочки породы в порошок, который затем нагрелся, чтобы сформировать стеклянную бусину, процесс, который позволяет растворять титан, который она пыталась проанализировать. После охлаждения шарик растворяли в кислоте и химически отделяли титан от других элементов.
Затем Ааронс смогла определить вариации изотопов титана, присутствующих в образце, с помощью масс-спектрометра в лаборатории Origins под руководством ее сотрудника Николаса Дауфаса из Чикагского университета.
Ааронс сравнил эти образцы с более новыми, современными породами, сформированными в зонах субдукции. В образцах возрастом от 3 лет.75 миллиардов лет, она заметила сходство по структуре и составу с современными, предполагая, что субдукция плит началась примерно в то время.
«Большая часть предыдущей работы была проделана с этими породами, чтобы тщательно датировать их и обеспечить геохимический и петрологический контекст», – сказал Ааронс. «Нам очень повезло, что мы получили возможность измерить изотопный состав титана, растущую изотопную систему в этих образцах."
Известно, что изучение истории и возникновения древних зон субдукции является сложной задачей. Камни постоянно разрушаются, поскольку кора загоняется внутрь мантии, оставляя после себя несколько образцов, которые относятся к самой ранней истории Земли.
Ученые давно обсуждают, когда началась тектоника плит и субдукция, причем оценки варьируются от 0 до 0.85 к 4.2 миллиарда лет назад – более двух третей истории планеты. Обнаружить, когда началась субдукция плит, означает точно определить, когда Земля перешла с планеты, на которой преобладают временные массивы суши, пронизывающие поверхность океанов, на континент, состоящий из долгоживущих континентов, где долгосрочные биогеохимические циклы контролируются вулканической дегазацией и повторным проникновением в недра Земли.
Субдукция плит происходит при столкновении океанической коры и континентальной коры. Поскольку континентальная кора более толстая и менее плотная, океаническая кора выталкивается вниз в мантию Земли со средней скоростью на несколько сантиметров в год.
Этот контакт с мантией создает области, которые достаточно горячие, чтобы магма могла ускользнуть на поверхность, создавая вулканы, такие как гора Св. Хеленс и другие, найденные на Тихоокеанском побережье.
Тектоника плит и зоны субдукции ответственны за внешний вид Земли, приводя к созданию континентальных плит и бассейнов, которые заполнялись бы и превращались в океаны. Они также являются основным элементом управления химическими характеристиками поверхности планеты и, вероятно, ответственны за способность Земли поддерживать жизнь. Эти тектонические зоны ответственны за формирование возникших континентов и обеспечивают важный контроль над климатом, регулируя количество парникового углекислого газа в атмосфере.
В образцах горных пород возрастом четыре миллиарда лет Аарон обнаружил сходство с современными породами, которые образовались в условиях плюмажа, таких как Гавайи и Исландия, где суша дрейфует над горячей точкой. Однако в породах возрастом 3.75 миллиардов лет, она заметила сдвиг в тенденции к образованию горных пород в современных зонах субдукции, предполагая, что примерно в то время в истории Земли эти области начали формироваться.
«Хотя тенденция в данных по изотопам титана не свидетельствует о том, что тектоника плит происходила во всем мире, она указывает на присутствие влажного магматизма, который поддерживает субдукцию в настоящее время», – сказал Ааронс.
Техника, использованная в этом исследовании, может быть применена к другим древним скальным образованиям по всему миру, чтобы получить больше информации о составе и эволюции появившихся земель Земли во времени.
Другими учреждениями, участвовавшими в исследовании, были Государственный университет Пенсильвании (США) и Бернский университет (Швейцария).
Исследование финансировалось Национальным научным фондом, НАСА, постдокторской стипендией Фонда Форда и Швейцарским национальным научным фондом.