V sodobnih otoških bazalcih so našli sledi primarne snovi, iz katere je nastala Zemlja • Vladislav Strekopytov • Znanstvene novice o "Elementih" • Geofizika, geologija, geokemija

V sodobnih otokih bazalti so našli sledi primarne snovi, iz katere je nastala Zemlja

Sl. 1. Kilauea vulkanski izbruh na Havajih leta 1959 "border = 0>

Sl. 1. Kilauea vulkanski izbruh na Havajih leta 1959. Geokemične anomalije so bile ugotovljene v vzorcih lav izbruha, kar kaže na to, da je bil njihov izvor primarna protoplanetna snov, stara 4,5 milijarde let. Vir: USGS / J.P. Eaton

Znano je, da je Zemlja slojevita: sestoji iz jedra in okoliških lupin – spodnjega plašča, zgornjega plašča, skorje. Ampak je bila vedno tako? Kdaj, na kakšni stopnji zemeljske zgodovine je prišlo do tega ločevanja, in ali je bila do zdaj dokončana? Zemljino plašč je sestavljen iz trdih kamnin, ki pa so kljub temu v dovolj plastičnem stanju krožijo pod vplivom toplotnih tokov in mešajo v mešalcu milijarde let. Tradicionalno se domneva, da je snov, ki predstavlja notranjost Zemlje, tako mešana v procesu toplotne konvekcije mantle in še prej – zaradi globokega preplavljanja in diferenciacije, da ni več mogoče zaznati sledi primarne (protoplanetne) snovi, iz katere je nastal naš planet. Vendar pa so znanstveniki v študiji o pacifiških otoških bazalcih odkrili nenavadne geokemične anomalije – dokazi, da jeda so rezervoarji primarne snovi še vedno ohranjeni v črevesju zemlje.

Raziskovalci, ki preučujejo Zemljo, si prizadevajo čim dlje pogledati v globino svoje zgodovine, da bi razumeli, kaj se je zgodilo v zelo zgodnjih življenjskih obdobjih na našem planetu. Najbolj očiten način učenja o geološki preteklosti je preučevanje "kamnitega zapisa" starih kamnin. Starost najstarejših od trenutno znanih kamnin zemeljske skorje, skrilavca iz zelenjavnega pasu (glej Greenstone pas) Newvaguittuc v Kanadi, je staro 4,28 milijarde let (glej Age of the most ancient skale zemljine skorje – 4,28 milijarde let, , 30. 9. 2008), kar je skoraj 300 milijonov let manj kot starost Zemlje. In glede tega, kaj se je zgodilo v globinah teh 300 milijonov let "temnega obdobja" zgodnje mladosti planeta, obstajajo le ugibanja in predpostavke.

Naš planet je nastal pred 4.54 milijardi leti v procesu povečanja prahu in sintranja drobnih viskoznih kapljic snovi (hondre) protoplanetnega diska iz enake protoplanetne snovi kot drugih planetov skupine Zemlje Sončevega sistema. Sprva je bila majhna in njegova struktura je bila bolj ali manj homogena. Toda skoraj takoj znotraj proto-Zemlje se je začel proces diferenciacije (glejGravitacijska diferenciacija) – stratifikacija vsebine planeta s tvorbo jedra in njenih okoliških školjk. Prva stopnja diferenciacije je bila ločitev primarne snovi v kovinske in silikatne faze, kar je pripeljalo do nastanka kovinskega jedra in primitivnega plašča že v prvih 10 milijonih letih življenja planeta. Hkrati so bili v zunanjih lupinah (plašč in skorja) zbrani bolj gosti siderofilni (železobojni) elementi, potopljeni v sredino Zemlje, ki so sestavljali jedro in lažji litofilni (predvsem v obliki silikatov).

Menijo, da je bil proces ločevanja kopenske snovi v jedru in plašču končan približno 50-60 M po nastanku Zemlje. Vendar pa se je pred kratkim pojavil dokaz, da še vedno obstajajo globoki v plašču, na meji z jedrom, fragmenti (rezervoarji) primarne (protoplanetne) snovi, ki niso bili homogenizirani v procesu taljenja plašča in njegovega nadaljnjega večkratnega mešanja (slika 2). To dokazujejo rezultati geokemijskih študij izotopov volframa in helija iz oceanskih bazalov nekaterih sodobnih otoških vulkanov, objavljenih v reviji Znanost.

Skupina ameriških in francoskih znanstvenikov, ki jo je vodila Andrea Mündl z Univerze v Marylandu, so preučevali vzorce mladih (do 20 milijonov let) bazalov, izbranih na Havajih, Samoi in Islandiji. Izkazalo se je, da so vrednosti razmerja volframovega izotopa 182W /184W in helij 3On /4Značilen je za prve faze nastajanja Zemlje – prvih 50 milijonov let svojega življenja. Ti vzorci so nenavadno majhni. 182W in nenavadno veliko 3On, kar ni značilno za sodobne kopenske skale, temveč za primarno snov, iz katere je nastal planet.

Težki izotop volframa 184W je stabilen in že od samega začetka obstaja na planetu in enostavno 182W se zgodi samo z razpadom zelo nestabilnega izotopskega hafnija 182Hf, ki se nahaja tudi v primarni (protoplanetni) snovi. Kratkotrajni izotopski sistem 182Hf /182W (182Hf →182W + 2β) je zelo primerna za proučevanje procesov planetarne diferenciacije. Med razlikovanjem sta se oba elementa obnašala na popolnoma drugačen način: stranofilični volfram je želel stikati kovine, ki se večinoma osredotočajo na jedro, in litiophilni hafnij, povezan s silikatnimi minerali, ostal v zunanjih lupinah.

Polovičnost 182Hf je 8,9 milijona let. Torej celo 182Hf naj bi izginil iz skal na Zemlji 50 milijonov let po nastanku, prešel na svetlobni izotop volframa 182W. Na tej točki so oblikovale stabilne vrednosti izotopskih razmerij. 182W /184W – zelo nizka za jedro in relativno visoka za preostanek silikatnega dela Zemlje.

Hafnij in volfram v različnih stopnjah razvoja Zemlje

Sl. 2 Zgodnje faze nastanka Zemlje in njihov odraz v razmerju Hf / W izotopa. Grafični prikaz hipoteze, na katero avtorji članka preverjajo Znanost. Relativni razmerji – primarni izotopski razmerji; Crust / Mantle – izotopski razmerji v skorji in plašču; Rezervoar – izotopski razmerji v rezervoarjih primarnih snovi; Core – izotopski razmerji v jedru; Povprečno razmerje – povprečni razmerji izotopov v zemeljski skorji; Anomalija – nenormalni izotopski razmerji. Slika iz Quantum Magazine

1) Primarni akreti. Pred 4.57 milijardi leti se je sonce pojavilo in prahna zrna na protoplanetnem disku so se zbrali v grudiču, ki so sestavljali zemeljski kondenzirani "zarodek" – planetesimal, ki je vključeval elemente, kot so hafnij (vključno z njegovim kratkotrajnim izotopom 182Hf) in volframa (večinoma 184W).

2) Vera velikanskih trkov in diferenciacije kopenskih snovi. V naslednjih desetih milijonih letih se je masa Zemlje povečala zaradi številnih trkov z manjšimi vesoljskimi telesi. Zaradi tega se je Zemlja segrevala, ločila so jo lupine. Volfram je skupaj z drugimi težkimi kovinami, iz katerih je nastalo kovinsko jedro, pahnila proti središču, hafnij pa se je dvignil na vrh, saj je sodeloval pri nastanku silikatne mantle. Najlažji elementi so se začeli izolirati v najbolj zunanji lupini – skorja. Hkrati so v plašču še naprej obstajali fragmenti (rezervoarji) primarne nediferencirane snovi.

3) Obdobje "prenehanje radioaktivnih ur". 50 milijonov let po začetku zgodovine zemlje, celo 182Hf se je spremenil 182W. Formacija v tem obdobju najstarejših kamnin, obogatenih z izotopom 184W, se razlaga s procesi diferenciacije, ki se nadaljujejo v globinah Zemlje ali s prisotnostjo ločenih rezervoarjev primarne snovi v plašču.

4) Pozno bombardiranje. Menijo, da je v naslednjih nekaj sto milijonih letih zaradi poznega bombardiranja majhnih vesoljskih predmetov z še nezaščitenim ozračjem zemeljske površine masa planeta narasla za približno 0,5%.V tem času so kovine, ki naj bi bile v jedru zaradi diferenciacije – zlato, platina, volfram (večinoma 184W) in drugi. V skorji in plasti je nastalo stabilno (standardno) izotopsko razmerje 182W /184W.

5) Oblikovanje zemeljske skorje. Morda je bila prvotna skorja oblikovana pred arheskim časom. Na neki točki se je razdelilo na plošče, ki so se začele premikati. Procesi konvekcije, ki so nastali v plašču, so povzročili »vzpon« na površino plasti plašča, s katerim se je začel gibati material rezervoarjev primarne snovi, ki je ostala pokopana globoko v plašču.

Lahki izotop volframa lahko služi kot kazalec starosti kamnin – najstarejše kamnine, ki niso bile izpostavljene poznemu preplutju, vsebujejo povišane količine 182W in za vse mlajše preživele osebe popolnega taljenja so značilne dosledno enake (standardne) vrednosti razmerja izotopov. 182W /184W. Abnormally high levels 184W kažejo, da so vir bazaltov globoke cone, kjer je ostala primarna planetarna snov. Takšne anomalije so bile ugotovljene v preučevanih vzorcih otoških bazaltov na Havajskih otokih, Samoi in Islandiji.

Vsi trije raziskovani vulkanski otoški sistemi so povezani z eno funkcijo: omejeni so na tako imenovane vroče točke, ki se nahajajo nad območji z anomalno nizkimi hitrostmi seizmičnih valov na meji med jedrom in plaščem (ULVZ – Ultra-Low Velocity Zones). V primeru, ko se vroča točka nahaja pod premično litosferno ploščo, sledi v obliki verige vulkanskih otokov (na primer Havaji in Samoa) ostane na površini od prehoda preko nje. To dejstvo je nekoč pripeljalo do nastanka hipoteze o plašču plamena – pop-up velikanskih "kapljic" ogrevane manj viskozne snovi, ki se je dvignila na površino od mejne plasti jedrne pločevine in je bila sestavni del plaščnega konvekcijskega sistema (slika 3).

Sl. 3 Izračunana slika konvekcijskega gibanja v zemeljskem plašču in mehanizem nastajanja plamenov plašča. Z je globina s površine Zemlje, X je približna razdalja med plameni. Slika iz Wikimedijine zbirke

Ker so izotopske anomalije volframa značilne le za otoke vulkanov, ki se nahajajo na vročih točkah, povezanih z ULVZ, je logično domnevati, da plasti plasti nosijo snov primarnih rezervoarjev, prav tako pa je tudi konvekcija najpomembnejši mehanizem mešanja (homogenizacije) snovi v plašču.

Da bi potrdili svojo hipotezo, da so vročinski koti na otokih bazalov globoki rezervoarji primarne planetarne snovi, ki so nastali v prvih 50 milijonih letih Zemlje, so znanstveniki identificirali razmerje izotopov helija v istih bazaltnih vzorcih otoka. Izotop 3Je zelo redek na površini Zemlje in je povezan z najstarejšimi kamninami, ki se praktično ne podvrže preplivanju. Za razliko od njega 4Lahko se oblikuje v procesu radioaktivnega razpada urana in torija. Razmerje visokega izotopa 3On /4Ne kaže na prisotnost v sestavi kamnin primarne snovi, praktično nespremenjene od nastanka našega planeta. Kot rezultat raziskave je bila ugotovljena negativna korelacija med težkim volframa in razmerjem izotopa helija. To kaže, da je helij, prisoten v teh vzorcih, primarni, ki je obstajal v protoplanetnem disku pred nastankom Zemlje.

Avtorji poudarjajo, da opisane geokemične anomalije niso značilne za vse vroče točke, temveč le za tiste, ki se nahajajo nad ultralnimi območji hitrosti (ULVZ) na meji med jedrom in plaščem.Bazalt drugih vročih točk in lav vulkanskih otokov, ki se nahajajo vzdolž meja litosferičnih plošč, so označeni z normalno vrednostjo. 182W in homogene nizke vrednosti 3On /4On.

Kanadsko-ameriška skupina znanstvenikov, ki jo je vodila Hanika Rizo iz Univerze v Quebcu v Montrealu, je že poročala o iskanju prve pozitivne anomalije volframa, ugotovljene v 62 milijonih letih starega kamenja v Baffinskem morju (Grenlandija, glej Hanika Rizo, Richard J. Walker , Richard W. Carlson, Mary F. Horan, Sujoy Mukhopadhyay, Vicky Manthos, Don Francis, Matthew G. Jackson, 2016. Ohranitev kompozicije. Tudi takrat je Rizzo domneval, da so bile te kamnine posledica vzpona obogatenega plamena 182W zaradi prisotnosti v globokem rezervoarju, iz katerega je odstranil plav, primarno snov, ki spada v "dojenčevo" obdobje planeta. Raziskovalec predlaga, da so to fragmenti planetezimov, ki so nekako preživeli proces nastajanja Zemlje.

Zdi se, da zemeljska ploskev ni tako homogena, kot se je zdela mnogim, in fragmenti primarne protoplanetne snovi, iz katerih so se nekoč oblikovali vsi planeti skupine Zemlje, lahko ostanejo v njej.

Viri:
1) Andrea Mundl, Mathieu Touboul, Matthew G. Jackson, James M. D. Day, Mark D.Kurz, Vedran Lekić, Rosalind T. Helz, Richard J. Walker. Tungsten-182 heterogenost v sodobnih bazalnih bazenih na otoku // Znanost. 2017. V. 356. str. 66-69. DOI: 10.1126 / science.aal4179.
2) Hanika Rizo, Richard J. Walker, Richard W. Carlson, Mary F. Horan, Sujoy Mukhopadhyay, Vicky Manthos, Don Francis, Matthew G. Jackson. Zemeljski bazalci Znanost. 2016. V. 352. str. 809-812. DOI: 10.1126 / science.aad8563.

Vladislav Strekopytov


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: