Λύνοντας το μυστήριο του σχηματισμού του πλανήτη μας Understand article

Μεταφρασμένο από τον Κωνσταντίνο Μιχαλοδημητράκη. Η μελέτη της χημικής σύστασης μερικών από τα παλαιότερα πετρώματα του πλανήτη έχει φέρει επανάσταση στην…

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά των Reto Stöckli,
Nazmi El Saleous και Marit
Jentoft-Nilsen, NASA GSFC

Μερικές φορές ακόμα και τα πιο μικρά θραύσματα πετρωμάτων μπορεί να κρύβουν μεγάλα μυστικά. Η πρόσφατη ανάλυσή μας Αφρικανικών πετρωμάτων αποκάλυψε ότι οι ήπειροι που γνωρίζουμε σήμερα μπορεί να άρχισαν να σχηματίζονται περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια νωρίτερα από ότι πιστευόταν πρωτύτερα.

Η υδρόγειος έχει αλλάξει με το πέρασμα του χρόνου

Η Γη σχηματίστηκε περίπου πριν από 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, από το υλικό σε ένα τεράστιο μοριακό νέφος που ονομάζεται το ηλιακό νεφέλωμα. Η βαρύτητα οδήγησε το υλικό αυτό στην συγκρότησή του σε μία σφαίρα – την Γη, με το πυκνότερο υλικό να σχηματίζει τον πυρήνα και το λιγότερο πυκνό τον μανδύα. Ο φλοιός και το άνω τμήμα του μανδύα – τα δύο μαζί αποτελούν την λιθόσφαιρα – σχημάτισαν άκαμπτες πλάκες, οι οποίες κινούνται οριζοντίως πάνω από το πιο εύπλαστο κάτω τμήμα του μανδύα – την ασθενόσφαιρα (Σχήμα 1).

Σχήμα 1: Κάτω από καί τους δύο φλοιούς, ωκεάνιο (Α) και ηπειρωτικό (Β) βρίσκεται ο μανδύας, που χωρίζεται στον άνω μανδύα (C) και τον κάτω μανδύα (D),ο οποίος είναι γνωστός και ως ασθενόσφαιρα. Ο φλοιός και ο άνω μανδύας σχηματίζουν την λιθόσφαιρα (E).

Οι μετακινήσεις των τεκτονικών πλακών μπορούν να δημιουργήσουν ζώνες υποβύθισης (subduction zones), όπου μέρος της λιθόσφαιρας (E) κατεβαίνει μέσα στην ασθενόσφαιρα (D).Η υποβύθιση είναι μία αργή διαδικασία που συμβαίνει σε υψηλή πίεση (περίπου 10 kilobar) και σε θερμοκρασία μικρότερη των 500 °C με μία βαθμίδα θερμοκρασίας των λιγότερο από 15 °C ανά χιλιόμετρο.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά της Nicola Graf

Η οργάνωση αυτών των πλακών έχει αλλάξει δραματικά με το πέρασμα του χρόνου (Σχήμα 2). Περίπου πριν από 2,5 με 4 δισεκατομμύρια χρόνια – κατά την περίοδο που είναι γνωστή ως Παλαιοζωικός αιώνας – η λιθόσφαιρα ήταν χωρισμένη σε πλάκες πολύ μικρότερες από τις ηπείρους που γνωρίζουμε σήμερα. Αργότερα, κατά την διάρκεια του Πρωτεροζωικού αιώνα, οι πλάκες ενώθηκαν, σχηματίζοντας μία μεγάλη υπερήπειρο με το όνομα Ροδινία. Παραδοσιακά, πιστευόταν ότι αυτή ήταν η κατάσταση πριν από ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Ακολούθως, οι ήπειροι άρχισαν να απομακρύνονται από αυτές τις μάζες, σχηματίζοντας σταδιακά την υδρόγειο όπως την ξέρουμε σήμερα. Η διάσπαση της Ροδινίας αναφέρεται ως σύγχρονου-τύπου τεκτονική των πλακών και παραδοσιακά θεωρείται ότι άρχισε περίπου πριν από 900 εκατομμύρια χρόνια.

Σχήμα 2: Η εξέλιξη της λιθόσφαιρας από τον Παλαιοζωικό αιώνα μέχρι την σύγχρονη εποχή:

A) Κατά την διάρκεια του Παλαιοζωικού αιώνα (πριν από 4 με 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια), η λιθόσφαιρα ήταν χωρισμένη σε πολλές μικρές πλάκες.

B) Περίπου πριν από 1 δισεκατομμύριο χρόνια, κατά τον Πρωτεροζωικό αιώνα, πιστεύεται ότι οι πλάκες ενώθηκαν, σχηματίζοντας μία μεγάλη ηπειρωτική μάζα: την Ροδινία.
1: Σιβηρία· 2: Αυστραλία· 3: Ανατολική Ανταρκτική· 4: Λαυρεντία· 5: Βάλτικα· 6: Αμαζονία· 7: Δυτική Αφρική· 8:Κρατόν του Κονγκό·9: Ινδία.

C) Καθώς οι ήπειροι άρχισαν να απομακρύνονται και να επανενώνονται, σχημάτισαν σταδιακά την υδρόγειο που γνωρίζουμε σήμερα. Παραδοσιακά πιστευόταν ότι αυτό ξεκίνησε αργότερα κατά τον Πρωτεροζωικό αιώνα, περίπου πριν από 900 εκατομμύρια χρόνια.
Οι εικόνες είναι ευγενική προσφορά των (A, C), Kieff / Wikimedia Commons (B)

Καθώς συμβαίνει αυτή η διαδικασία, οι πλάκες συγκρούονται. Η κίνηση μίας πλάκας κάτω από άλλη μαζί με την βύθισή της στον μανδύα, ονομάζεται υποβύθιση (Σχήμα 1). Η υποβύθιση είναι μια αργή διαδικασία που συμβαίνει σε υψηλή πίεση (περίπου 10 kilobar) και σε θερμοκρασία μικρότερη των 500 °C με μία βαθμίδα θερμοκρασίας των λιγότερο από 15 °C ανά χιλιόμετρο.

Εξετάζοντας την ηλικία Αφρικανικών πετρωμάτων

Σχήμα 3: Λεκάνη νεφρίτη
στην περιοχή Essakane της
βορειοανατολικής
Μπουρκίνα Φάσο. Στο
προσκήνιο μπορείτε να δείτε
ελαφρώς μεταμορφωμένα
ηφαιστειακά πετρώματα
που ονομάζονται βασάλτες.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά της Lenka Baratoux

Δεν ξεκινήσαμε για να ερευνήσουμε την τεκτονική των πλακών. Αντί αυτού, ο σκοπός της μελέτης μας ήταν να χρησιμοποιήσουμε μία νέα τεχνική για να μάθουμε περισσότερα για τον σχηματισμό μεταμορφωσιγενών πετρωμάτων πριν από περίπου 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Δεν περιμέναμε η δουλειά μας να έχει επιπτώσεις για την τεκτονική των πλακών, η οποία γενικά θεωρούταν να έχει αρχίσει περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια αργότερα.

Για το πρώτο στάδιο της μελέτης μας, επισκεφτήκαμε αρκετές εκατοντάδες γεωλογικούς χώρους στην Αφρική και συλλέξαμε δείγματα νεφρίτη. Είναι γνωστό ότι τα πετρώματα αυτά έχουν υποστεί μεταμόρφωση – μία αλλαγή από έναν τύπο πετρώματος σε έναν άλλο – πριν από περίπου 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Με βάση τις προηγούμενες γνώσεις για τον μεταμορφισμό των πετρωμάτων κατά την περίοδο αυτή, θεωρούταν ότι έπρεπε να είχαν σχηματιστεί υπό συνθήκες χαμηλής πίεσης (όχι περισσότερο από 5 kbar) και εύρους θερμοκρασίας από 200 μέχρι 700 °C.

Σχήμα 4: Χημική
χαρτογράφηση ενός
σύνθετου
μεταμορφωσιγενούς
πετρώματος που περιέχει
χαλαζία (Α), γρανάτη (Β),
φεγγίτη (C), χλωρίτη (D) και
οξείδια του σιδήρου (Ox).
Η εικόνα λήφθηκε στην ESRF
χρησιμοποιώντας δέσμες
ακτίνων Χ πολύ υψηλής
έντασης.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Vincent de
Andrade

Στην συνέχεια, ερευνήσαμε την σύσταση των ορυκτών σε αυτά τα δείγματα πετρωμάτων χρησιμοποιώντας ανάλυση με μικροανιχνευτή. Αυτή είναι μία σειρά τεχνικών που συμπεριλαμβάνει μικροσκοπία και απεικόνιση οπισθοσκεδασμένων ηλεκτρονίων, η οποία διακρίνει βαρέα στοιχεία, που σκεδάζουν καλά τα ηλεκτρόνια, από ελαφρά στοιχεία που δεν τα σκεδάζουν τόσο καλά. Επίσης κάναμε χημική χαρτογράφηση, η οποία δείχνει σε ποιο σημείο μέσα στα δείγματα βρίσκονται συγκεκριμένα ορυκτά.

Σχήμα 5: Λεπτομερής
ποιοτική χημική
χαρτογράφηση που δείχνει
τρία είδη οξειδίων του
σιδήρου: Ox1, το οποίο
περιέχει χαμηλά επίπεδα
Fe3+· το Ox3, το οποίο είναι
πλούσιο σε Fe3+ και το Ox2,
το οποίο έχει ενδιάμεσα
επίπεδα Fe3+. Η εικόνα
λήφθηκε στην ESRF
χρησιμοποιώντας δέσμες
ακτίνων Χ πολύ υψηλής
έντασης.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Vincent de
Andrade

Επιπλέον, διεξαγάγαμε πειράματα στην Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Συγχρότρου (European Synchrotron Radiation Facility, ESRF· βλέπε το κουτί) για να αποκρυπτογραφήσουμε την πολύ λεπτομερή χημική δομή μερικών δειγμάτων μας. Οι δέσμες ακτίνων Χ του συγχρότρου είναι δισεκατομμύρια φορές λαμπερότερες από τις δέσμες που παράγονται από ένα νοσοκομειακό μηχάνημα ακτίνων Χ, επιτρέποντάς τες να προσδιορίσουν την δομή της ύλης σε τέτοιο επίπεδο λεπτομέρειας που είναι αδύνατο να επιτευχθεί με τις τυπικές ακτίνες Χ.

Χρησιμοποιώντας πολύ λεπτές τομές πετρωμάτων μπορέσαμε να χαρτογραφήσουμε την χημική τους σύσταση. Βρήκαμε ότι περιέχουν χαλαζία, γρανάτη, φεγγίτη, χλωρίτη και οξείδια του σιδήρου (Σχήματα 4 και 5). Αλλά τί μας λέει αυτό για το πώς σχηματίστηκαν τα πετρώματα και υπό ποιες συνθήκες;

Για να ερμηνεύσουμε τα αποτελέσματά μας, χρησιμοποιήσαμε υπολογισμούς με Η/Υ με βάση διαφορετικές χημικές παραμέτρους που μετρήσαμε. Για παράδειγμα, αναλύσαμε τον λόγο του H2O προς CO2 στα υγρά που ήταν παγιδευμένα μέσα στον χαλαζία και μετρήσαμε τον λόγο του Fe3+ προς Fe2+ που βρίσκονται στα πετρώματα (Σχήμα 5). Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί χλωρίτες (π.χ. χλωρίτης μαγνησίου, χλωρίτης σιδήρου) και αρκετές διαφορετικές μορφές φεγγίτη (που μπορεί να περιέχουν, για παράδειγμα, μαγνήσιο ή σίδηρο). Οι ακριβείς χλωρίτες και φεγγίτες που βλέπουμε σε μεταμορφωσιγενή πετρώματα εξαρτώνται από τις συνθήκες κατά τον σχηματισμό του πετρώματος. Αυτές είναι οι λόγοι H2O:CO2 και Fe3+:Fe2+καθώς και η πίεση και θερμοκρασία. Επομένως, η μέτρηση αυτών των λόγων των διαφορετικών χημικών στα δείγματά μας από πετρώματα μάς επιτρέπει να δουλέψουμε ανάποδα για να υπολογίσουμε ακριβώς τις συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης υπό τις οποίες σχηματίστηκαν τα πετρώματα.

Φέρνοντας την επανάσταση στην κατανόησή μας για την τεκτονική των πλακών

Χρησιμοποιώντας αυτούς τους υπολογισμούς, δείξαμε ότι η σύσταση των χλωριτών και φεγγιτών στα πετρώματα της Δυτικής Αφρικής επιτεύχθηκε υπό υψηλή πίεση (περίπου 10 kbar) και χαμηλή θερμοκρασία μικρότερη των 500 °C. Αυτό ήταν εκπληκτικό, γιατί τέτοιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας συναντώνται μόνο σε ζώνες υποβύθισης. Αφού τα πετρώματα που μελετήσαμε χρονολογούνται πριν από περισσότερα από 2 δισεκατομμύρια χρόνια, τα αποτελέσματά μας υπαινίσσονται ότι η σύγχρονου-τύπου τεκτονική των πλακών υπήρχε πριν από 2 δισεκατομμύρια χρόνια, πολύ πιο πριν από τα 900 εκατομμύρια χρόνια που θεωρούσαν παλαιότερα οι επιστήμονες.

Η ανακάλυψή μας έχει αλλάξει την επιστημονική κατανόηση της γεωδυναμικής της Γης. Επομένως τότε, πότε άρχισε πραγματικά η σύγχρονου-τύπου τεκτονική των πλακών; Και πόσο διαδεδομένες ήταν αυτές οι γιγάντιες κινήσεις ξηράς; Για να απαντήσουμε σε αυτά τα ερωτήματα, το επόμενό μας βήμα θα είναι να μελετήσουμε άλλα πετρώματα της ίδιας και μεγαλύτερης ηλικίας. Συγκεκριμένα, σχεδιάζουμε να επισκεφτούμε το Yilgarn Craton στην Αυστραλία και την περιοχή Barberton στη Νότιο Αφρική, για να εξετάσουμε τα μεταμορφωσιγενή πετρώματα που περιέχουν χλωρίτες και φεγγίτες.

Περισσότερα για την ESRF

Η Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Συγχρότρου (European Synchrotron Radiation Facility, w1) εείναι μία από τις πιο έντονες πηγές ακτίνων Χ στον κόσμο. Χιλιάδες επιστήμονες έρχονται κάθε χρόνο στο ESRF για να κάνουν πειράματα στις επιστήμες υλικών, βιολογίας, ιατρικής, φυσικής, χημείας, παλαιοντολογίας και πολιτιστικής κληρονομιάς. Η ESRF είναι μέλος του EIROforumw2, που είναι ο εκδότης του Science in School.

Στους πρόποδες των
Γαλλικών Άλπεων, η
Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση
Ακτινοβολίας Συγχρότρου
χρησιμοποιεί λαμπρές
δέσμες ακτίνων Χ για τον
προσδιορισμό της δομής
της ύλης. Το σύγχροτρο
είναι ένα είδος κυκλικού
επιταχυντή σωματιδίων:
στην ESRF το φως του
συγχρότρου ταξιδεύει με
μεγάλη ταχύτητα στην
περιφέρεια του γιγάντιου
γκρίζου δακτυλίου.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά των Ginter / ESRF

 

Ευχαριστίες

Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν για την βοήθειά της την Dominique Cornuéjols, από το τμήμα επικοινωνιών της ESRF, στην προετοιμασία και μετάφραση του υλικού για αυτό το άρθρο.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Μάθετε περισσότερα για την ESRF.
  • w2 – Το EIROforum είναι μία συνεργασία οκτώ από τους μεγαλύτερους διεθνείς κρατικούς οργανισμούς επιστημονικής έρευνας στην Ευρώπη, οι οποίοι συνδυάζουν τους πόρους, εγκαταστάσεις και την τεχνογνωσία τους για να υποστηρίξουν την Ευρωπαϊκή επιστήμη στο να φτάσει το έπακρο των δυνατοτήτων της. Ως μέρος των εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων του και των δραστηριοτήτων για την προσέγγιση του κοινού, το EIROforum εκδίδει το Science in School.

Resources

Institution

ESRF

Author(s)

Ο Dr Jérôme Ganne είναι επικεφαλής ενός ερευνητικού προγράμματος στο Ερευνητικό Ινστιτούτο για την Ανάπτυξη (Research Institute for Development (IRD)) στο GET Lab στο Πανεπιστήμιο της Τουλούζης ΙΙΙ, Γαλλία, όπου η έρευνά του εστιάζεται στις τεκτονικές διαδικασίες σχηματισμού και κατεδάφισης οροσειρών. Σε συνεργασία με το IRD, έχει συγκροτήσει μία ομάδα νεαρών ερευνητών στο Πανεπιστήμιο Cheikh Anta Diop στο Ντακάρ, Σενεγάλη (University Cheikh Anta Diop in Dakar, Senegal). Επίσης διδάσκει σε αρκετά προγράμματα ανώτερης εκπαίδευσης σε πανεπιστήμια της Δυτικής Αφρικής.

Μετά την απονομή του διδακτορικού του τίτλου στις Γεωλογικές Επιστήμες, ο Vincent de Andrade έγινε επιστήμονας γραμμής εξόδου της δέσμης στην Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Συγχρότρου. Το 2010 εντάχθηκε στην Εθνική Πηγή Φωτός Συγχρότρου ΙΙ (National Synchrotron Light Source-II) στο Brookhaven National Laboratory ως επιστημονικός συνεργάτης για την κατασκευή της SRX, μία φασματοσκοπική γραμμή εξόδου δέσμης που περιλαμβάνει πολύ ισχυρούς μικρο- και νανοανιχνευτές. Ο Vincent ειδικεύεται στην χημική απεικόνιση σύνθετων ετερογενών γεωυλικών για την καλύτερη κατανόηση της γένεσης και των μετασχηματισμών τους.


Review

Αυτό το άρθρο που αναφέρεται στις ανακαλύψεις δύο επιστημόνων για την τεκτονική των πλακών προσφέρει μία γεύση της έρευνας αιχμής. Με ένα σαφή και συνοπτικό τρόπο, οι συγγραφείς οδηγούν τους αναγνώστες από τα βασικά της θεωρίας της τεκτονικής των πλακών στο αντικείμενο της έρευνάς τους, επικεντρώνοντας στις επιπτώσεις του για την ιστορία της Γης και στα νέα ερωτήματα που προκύπτουν από αυτή την ανακάλυψη.

Ως καθηγήτρια γεωλογικών επιστημών βρίσκω το άρθρο ενδιαφέρον για διάφορους λόγους:

  • Επικεντρώνεται σε μία περίοδο της ιστορίας της Γης που αναφέρεται σπάνια σε σχολικά βιβλία.
  • Δίνει μια ενδιαφέρουσα εικόνα της πρώιμης τεκτονικής των πλακών.
  • Παρέχει λεπτομέρειες για την μεθοδολογία και τον εξοπλισμό που χρησιμοποιούνται στην έρευνα.
  • Είναι ένα ζωντανό παράδειγμα της επιστημονικής μεθόδου.

Συστήνω αυτό το άρθρο σε καθηγητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης που είναι πρόθυμοι να κινήσουν το ενδιαφέρον των μαθητών τους για τις γεωλογικές επιστήμες και γενικά για την επιστημονική έρευνα. Θα μπορούσε να παρέχει πολύτιμο «αναγνωστικό υπόβαθρο» για να κινήσει το ενδιαφέρον των μαθητών προτού καλυφθούν κάποια θέματα που συνήθως θεωρούνται βαρετά, όπως τα ορυκτά και η τεκτονική των πλακών.

Το κείμενο προσφέρει πολλούς συνδέσμους όχι μόνο για θέματα γεωλογικών επιστημών (ιστορία της Γης, τεκτονική των πλακών, ορυκτολογία, κύκλος των πετρωμάτων, γεωχημεία, ερευνητικές τεχνικές, Αφρική, ζώνες νεφρίτη και εξόρυξη χρυσού), αλλά και για θέματα χημείας (οξείδια του σιδήρου και οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις) και φυσικής (ακτίνες Χ και μηχανήματα ακτινοβολίας συγχρότρου, ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, πίεση, θερμοκρασία και μεταβολές φάσης). Επιπλέον, είναι μία πολύ καλή περίπτωση για να συζητηθεί η επιστημονική μέθοδος.

Λαμβάνοντας υπόψη την γλώσσα στην οποία είναι γραμμένο το άρθρο, θα μπορούσε εύκολα να χρησιμοποιηθεί σε ασκήσεις κατανόησης, όπως:

  1. Τα υλικά που μελετήθηκαν σχηματίστηκαν υπό συνθήκες:
    1. Υψηλής πίεσης (10 kbar) και χαμηλής θερμοκρασίας (χαμηλότερη των 500 °C)
    2. Χαμηλής πίεσης (5 kbar) και υψηλής θερμοκρασίας (άνω των 700 °C)
    3. Χαμηλής πίεσης (5 kbar) και θερμοκρασιών που κυμαίνονται από 200 μέχρι 700°C
    4. Υψηλής πίεσης (10 kbar) και θερμοκρασιών που κυμαίνονται από 200 μέχρι 700°C.
  2. Η σύσταση των διαφορετικών ειδών χλωριτών και φεγγιτών εξαρτάται από:
    1. Τον λόγο H2O προς CO2
    2. Τον λόγο Fe2+ προς Fe3+
    3. Την θερμοκρασία και πίεση κατά τον σχηματισμό τους
    4. Όλα τα παραπάνω.

Giulia Realdon, Ιταλία




License

CC-BY-NC-ND