Ученые предлагают новую теорию формирования континентов

Новое исследование, проведенное исследователями из штата Пенсильвания, предполагает, что кратоны, древние структуры, стабилизирующие континенты Земли, сформировались около 3 миллиардов лет назад в результате процессов, инициированных атмосферным выветриванием горных пород, а не просто возникновением стабильных массивов суши. Это бросает вызов традиционным взглядам и имеет значение для понимания планетарной эволюции и условий, благоприятствующих жизни.

Древние обширные участки континентальной коры, известные как кратоны, стабилизировали континенты Земли на протяжении миллиардов лет за счет сдвигов суши, горообразования и развития океана. Ученые штата Пенсильвания предложили новый механизм, который мог бы объяснить образование кратонов около 3 миллиардов лет назад, проливая свет на давний вопрос геологической истории Земли.

Ученые упомянутые в журнале природа Континенты, возможно, не возникли из земных океанов как стабильная суша, их отличительной особенностью является богатая гранитом верхняя кора. Вместо этого воздействие ветра и дождя на свежую породу около 3 миллиардов лет назад спровоцировало серию геологических процессов, которые в конечном итоге стабилизировали кору, позволив коре выжить в течение миллиардов лет без разрушения или повторного разрушения.

Ученые заявили, что полученные результаты могут отражать новое понимание того, как развиваются потенциально пригодные для жизни планеты, подобные Земле.

Последствия для планетарной эволюции

«Чтобы создать планету, подобную Земле, вам нужно создать континентальную кору и стабилизировать эту кору», — сказал Джесси Реминк, доцент кафедры наук о Земле в Пенсильванском университете и автор исследования. «Ученые думали, что это одно и то же: континенты стали стабильными, а затем поднялись над уровнем моря. Но мы говорим, что эти процессы различны.

По словам ученых, кратоны простираются более чем на 150 километров или 93 мили от поверхности Земли до верхней мантии, где они действуют как киль лодки, удерживая континенты плавающими на уровне моря или около него в течение геологического времени.

Выветривание может в конечном итоге сконцентрировать выделяющие тепло элементы, такие как уран, торий и калий, в неглубокой коре, позволяя более глубокой коре остыть и затвердеть. По словам ученых, этот механизм создал толстый, твердый слой породы, который, возможно, защитил дно континентов от последующей деформации, что является отличительной особенностью кратонов.

Геологические процессы и теплопродукция

«Рецепт создания и стабилизации континентальной коры предполагает концентрацию этих выделяющих тепло элементов — которые можно рассматривать как мини-тепловые двигатели — вблизи поверхности», — сказал Эндрю Сми, доцент кафедры геонаук в Пенсильванском университете и автор исследования изучать. Стади. «Нужно делать это каждый раз кукуруза Уран, торий или калий распадаются, выделяя тепло, которое может повысить температуру земной коры. Горячий шпон нестабилен, склонен к деформации и не удержится на месте.

Когда ветер, дождь и химические реакции разрушали горные породы на ранних континентах, отложения и глинистые минералы дрейфовали в ручьи и реки и переносились в море, где образовывали сланцевые осадочные отложения, содержащие высокие концентрации урана, тория и калия. . Ученые сказали.

Эти древние метаморфические породы, называемые гнейсами, найденные на арктическом побережье, представляют собой корни континентов, которые сейчас выходят на поверхность. Ученые заявили, что осадочные породы, прослоенные в этих типах пород, станут тепловым двигателем для стабилизации континентов. Кредит: Джесси Реминк

Столкновения между тектоническими плитами похоронили эти осадочные породы глубоко в земной коре, где радиационное тепло сланца расплавило нижнюю часть коры. Расплавленный материал всплывал обратно к верхней коре, захватывая выделяющие тепло элементы в таких камнях, как гранит, и позволяя нижней коре остыть и затвердеть.

Предполагается, что кратоны образовались между 3 и 2,5 миллиардами лет назад, в то время, когда радиоактивные элементы, такие как уран, распадались примерно в два раза быстрее, выделяя вдвое больше тепла, чем сегодня.

Реминк отметил, что работа подчеркивает, что время формирования кратонов в раннем Средиземье было уникальным образом подходящим для процессов, которые могли привести к их стабильности.

«Мы можем думать об этом как о вопросе планетарной эволюции», — сказал Реминк. «Появление континентов на относительно раннем этапе их существования может быть одним из ключевых ингредиентов, необходимых для создания такой планеты, как Земля. Потому что вы создадите очень горячие радиоактивные отложения и создадите действительно стабильную область континентальной коры, которая живет прямо на уровне моря. , что является прекрасной средой для распространения жизни».

Исследователи проанализировали концентрации урана, тория и калия в сотнях образцов горных пород архейской эпохи, когда формировались кратоны, чтобы оценить продуктивность радиационного тепла на основе фактического состава горных пород. Эти значения они использовали для создания тепловых моделей формирования кратонов.

«Раньше люди смотрели и смотрели на последствия изменения производства лучистого тепла с течением времени», — сказал Смэй. «Но наше исследование связывает производство тепла на основе горных пород с появлением континентов, образованием отложений и дифференциацией континентальной коры».

Кратоны, обычно встречающиеся внутри континентов, содержат одни из самых старых пород на Земле, но их по-прежнему трудно изучать. В тектонически активных районах образование горного пояса может вывести на поверхность породы, захороненные глубоко в недрах Земли.

Но истоки кратонов остаются глубоко под землей и недоступны. Ученые заявили, что будущая работа будет включать в себя отбор проб изнутри древних кратонов и, возможно, бурение образцов керна для проверки их модели.

«Эти метаморфические осадочные породы, которые плавили и производили гранит, концентрирующий уран и торий, подобны бортовым самописцам черного ящика, которые записывают давление и температуру», — сказал Смэй. «Если мы сможем открыть этот архив, мы сможем проверить предсказания нашей модели о пути движения континентальной коры».

Ссылка: «Континенты, стабилизированные субаэральным выветриванием», Джесси Р. Напомним, и Эндрю Дж. Сами, 8 мая 2024 г., природа.
дои: 10.1038/s41586-024-07307-1

Пенсильванский университет и Национальный научный фонд США предоставили финансирование для этой работы.