As primeiras placas tectônicas eram surpreendentemente rápidas – Ars Technica

Mais Zoom / Os fluxos de lava basáltica de 2,7 bilhões de anos do Pilbara Kraton, agora inclinados cerca de 45 graus em relação ao plano horizontal.

Jennifer Kasbaum

A velocidade das placas tectônicas mudou nos últimos três bilhões de anos? A resposta tem implicações de longo alcance, já que as placas tectônicas afetaram tudo, desde o suprimento de nutrientes vitais para o início da vida até o aumento do oxigênio. Sabemos que o interior da Terra era muito mais quente no início de sua história, mas tinha placas nele Mova-se mais rápido Porque o manto mais quente era mole, ou era o manto mais quente Eles contêm menos águao que ajuda os minerais a fluir, retardar as placas?

a Novo estudo, liderados pela Dra. Jennifer Kasbaum, da Universidade de Yale, mediram antigos campos magnéticos e dataram rochas da Austrália Ocidental para mostrar que o Pilbara Craton – um continente primitivo – se moveu em um grande ritmo cerca de 2,7 bilhões de anos atrás. Enquanto o movimento mais rápido da placa de hoje é cerca de 12 cm (4,7 in) por ano, o Pilbara Craton estava se movendo tanto quanto 64 cm (25 in) por ano.

Uma relíquia rara da Terra primitiva

Na era arqueana, uma época muito mais próxima da formação de nosso sistema solar do que hoje, o basalto exalava sobre o que mais tarde seria a Austrália Ocidental da mesma forma que em nosso próprio tempo. Islândia E Havaí hoje. As placas tectônicas ainda estavam relativamente novoe os continentes estavam nos estágios iniciais de sair do que era muito mundo de água. O ar era desprovido de oxigênio, e a vida mais avançada veio na forma de comunidades microbianas preservadas hoje em mega-fósseis conhecidos como “estromatólitos. “

“Sabemos que a Terra está ficando mais quente, então isso significa que a convecção no manto está acontecendo mais rápido?” perguntou a seus ganhadores. “A convecção do manto é o processo subjacente das placas tectônicas.”

Kasbaum e colegas de Princeton, Yale e MIT começaram a aprender sobre a natureza das placas tectônicas arqueanas, combinando dados precisos da formação de antigas lavas basálticas com medições do campo magnético da Terra que foram imobilizadas nesses basaltos à medida que esfriavam. O objetivo era traçar o movimento e a velocidade do Pilbara à medida que flutuava acima da superfície da Terra.

Como as placas tectônicas ressurgiram em grande parte em nosso planeta, as rochas arqueanas são relativamente raras e a maioria está muito pior depois de bilhões de anos de uso indevido da tectônica. No entanto, o Pilbara escapou do aquecimento e da deformação que a maioria das outras rochas arqueanas sofrem.

“Graças a Deus os Pilbara sobreviveram aos últimos quatro bilhões de anos de história!” Seus ganhadores comentaram.

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Projeto Destruidor de Corações

O estudo de Kasbaum levou uma década. A datação das rochas e as análises magnéticas foram minuciosas, com quatorze semanas de amostragem e acampamento no outback australiano em 2013 e 2014, seguidas de anos de trabalho de laboratório. E todo esse esforço a deixou com poucas amostras para trabalhar.

“Foi um projeto de partir o coração em termos de geocronologia”, disse ela a Ars.

Kasbaum precisava de amostras contendo cristais de zircônio para a técnica de datação de chumbo de urânio, mas o basalto não tinha a química certa para um cristal de zircônio, então ela precisava encontrar zircônio em cinzas que haviam surgido de vulcões contemporâneos que se instalaram sobre fluxos individuais de basalto. . Lá, também, ela teve sorte: a maioria dos zircões que ela encontrou foram descobertos mais tarde como provenientes de granito antigo, em vez de erupções vulcânicas contemporâneas.

No final, das 21 camadas de cinzas entre os fluxos piroclásticos que foram amostradas, apenas quatro renderam datas relevantes: “Muito trabalho com pouco para mostrar”, disse Kasbaum. No entanto, essas quatro datas foram precisas o suficiente para traçar o movimento do Pilbara em quatro pontos no tempo.

Alguns zircões que foram críticos para o estudo.

Alguns zircões que foram críticos para o estudo.

Jennifer Kasbaum

A amostragem dos dados magnéticos foi igualmente tediosa, mas rendeu mais resultados. Envolveu a perfuração de 846 cilindros de rocha de 75 locais diferentes na sucessão de lava, Kasbaum disse a Ars, usando “um motor de motosserra reduzido a uma broca de diamante de uma polegada”. Crucialmente, antes de qualquer um desses cilindros ser cortado da superfície rochosa, bússolas magnéticas e solares foram usadas para registrar sua orientação tridimensional precisa.

Para descobrir a direção do antigo campo magnético preservado nas amostras, Kasbaum as analisou em uma câmara protegida de todos os campos magnéticos externos, incluindo o da Terra, no Laboratório de Paleomagnetismo do MIT. O campo magnético nas amostras foi detectado usando Magnetômetro altamente sensível Baseado em uma “lula” (dispositivo supercondutor de interferência quântica) resfriada a -269 °C (-452 °F) por hélio líquido. O instrumento registrou a direção do antigo campo magnético e, em seguida, o software levou em consideração a orientação da amostra quando foi coletada para calcular a latitude quando a lava esfriou.

A latitude (a que distância ao norte ou ao sul) pode ser determinada porque as linhas do campo magnético da Terra são horizontais no equador, mas apontam cada vez mais para baixo, em direção ao norte ou ao sul. Infelizmente, a tecnologia não pode nos dizer a longitude do local (leste-oeste).

representa o desgaste

Com rochas muito antigas, existe o risco de que as datas ou o campo magnético tenham sido reajustados por eventos geológicos em 2,7 bilhões de anos.

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Para detectar qualquer mudança em seu campo magnético, Kasbaum aqueceu as amostras e as reanalisou em 20 etapas distintas de aumento de temperatura, ainda na câmara blindada, em uma técnica que não revela sobreimpressão do campo magnético desde que a lava foi resfriada pela primeira vez.

“Se você tiver sorte, todos eles se alinharão e darão a mesma direção”, disse Kasbaum.

Algumas das amostras tinham uma orientação de campo diferente que foi removida quando as amostras foram aquecidas. Mas a maioria deles foi estabilizada por etapas de aquecimento, o que indica que a direção do antigo campo magnético não foi redefinida.

Para datar os zircões, Kasbaum usou um espectrômetro de massa em Laboratório TIMS da Universidade de Princeton Calcular quando os cristais de zircônio se formaram com base na proporção de urânio decaído radioativamente para chumbo desde a cristalização.

Este decaimento radioativo é emitido partículas alfa que danificam a estrutura do cristal de zircônia; Nesses cristais antigos, o dano acumulado pode fazer com que eles percam o chumbo, jogando a data fora. Para evitar isso, Kasbaum equipou os cristais com um ácido que preferia corroer as partes danificadas do cristal, deixando intactas as partes não danificadas. Como verificação final da precisão das datas, tracei a razão entre dois diferentes isótopos de urânio e dois diferentes isótopos de urânio em “ConcórdiaGráfico. Se houver uma perda de chumbo, os dados cairão do lado da linha Concordia.

“Cada grão em meus dados se sobrepõe à Linha Concordia”, disse Kasbaum, explicando que as datas não foram hackeadas.

painel rápido

Os dados combinados mostram que Pilbara passou de uma latitude de cerca de 51 graus para 68, depois 76, e voltou para 49 graus em um período de 10 milhões de anos entre 2,772 e 2,762 bilhões de anos atrás.

É possível extrapolar a velocidade da placa tão baixa quanto 23 cm pa a partir dos dados, mas isso requer rotação durante a maior parte do movimento da placa, seguido por uma mudança abrupta de direção no final da sequência. Mesmo se isso fosse verdade, essa velocidade excederia a taxa mais rápida de hoje cerca de 12 cm por anoe transcende a Índia 18 centímetros por ano Antes de colidir com a Ásia, o movimento de placas mais rápido dos últimos 200 milhões de anos.

Apesar de rotação mudanças direcionais ocorrem em placas tectônicas, Movimento das placas nos últimos bilhões de anos Na maior parte, ele flutuou mais diretamente na superfície do planeta, e parece razoável esperar que o Pilbara tivesse feito a mesma coisa sem mudar repentinamente de direção. Se assim fosse, teria continuado sobre o pólo para atingir a última latitude na sequência, dando uma estimativa mais alta de 64 cm por ano.

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“E ele é louco rápido!” Ele disse que eles ganharam. Mas mesmo isso pode ser uma subestimação.

Isso ocorre porque sabemos apenas a que distância o local fica ao norte ou ao sul, mas nada sobre mover para o leste ou oeste. “Dizer que os painéis nunca mudam de meridianos é claramente errado”, disse Kasbaum. Como é muito improvável que o Pilbara tenha se movido puramente na direção norte-sul e pode ter viajado um pouco na diagonal, ele pode ter percorrido uma distância maior e, portanto, se movido mais rápido do que 64 cm por ano.

Essa velocidade também é muito mais rápida que o movimento do Pilbara 400 milhões de anos atráso que indica que a velocidade da placa tectônica não era uniforme na Terra primitiva, assim como não é uniforme hoje.

Professor Alan Collins da Universidade de Adelaide, que não esteve envolvido no estudo de Kasbaum, disse a Ars, “Casbaum e co-autores produziram um estudo notável… que melhora muito a precisão e exatidão da datação e magnetismo antigo… que atinge o nível de rotação implícita e translação lateral pode ser calculada.” .

Estado primitivo da Terra

Kasbaum também descobriu que o campo magnético da Terra inverteu pelo menos quatro vezes entre 2,772 e 2,721 bilhões de anos atrás. “Parece que temos evidências de que o campo magnético estava se invertendo neste período de tempo… consistente com a maneira como o campo magnético está se comportando no momento”, disse Kasbaum.

Outros estudos Ele argumentou que as inversões do campo magnético significavam que o campo magnético da Terra naquela época deveria ser como hoje, com um pólo magnético norte e sul, cada um centrado aproximadamente no eixo de rotação da Terra, em vez de um campo multipolar estranho. alguns estudiosos Eles argumentaram. O campo magnético semelhante indica que o núcleo da Terra se comportou como hoje e que a atmosfera já estava fortemente protegida da erosão pelo vento solar naquela época.

Quanto a resolver a questão de saber se o manto da Terra era mais esponjoso ou rígido no período Arqueano, Collins aponta a necessidade de estudos semelhantes em outras placas tectônicas antigas. “Se eles refletem o movimento real das placas, e seriam necessários estudos paralelos de outras placas contemporâneas para confirmar isso, então é surpreendente que as velocidades das placas parecessem tão rápidas 2,7 bilhões de anos atrás”, disse ele. Isso pode refletir um aumento da força de convecção no manto [a] Calor da Terra. “

Pesquisa pré-cambriana, 2023. DOI: 10.1016/j.precamres.2023.107114

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