Descifrăm misterul formării planetei noastre Understand article

Tradus de Gabriela Cîrstea. Studiul compoziţiei chimice a unora dintre cele mai vechi roci de pe planeta noastră a revoluţionat înţelegerea modului în care s-au format continentele.

Pentru imagine, mulţumim lui
Reto Stöckli, Nazmi El Saleous
şi Marit Jentoft-Nilsen, NASA
GSFC

Cele mai mici fragmente de rocă pot ascunde uneori mari secrete. Din analiza chimică recentă a unor roci africane a rezultat că este posibil ca formarea continentelor, aşa cum le ştim azi, să fi început cu peste un miliard de ani mai devreme decât se credea anterior.

Globul nostru pământesc s-a schimbat în timp

Pământul s-a format în urmă cu aproape 4,6 miliarde de ani din materia unui nor molecular gigant numit nebuloasă solară. Sub acţiunea gravitaţiei, această materie s-a comasat într-o sferă – Pământul, zona cea mai densă constituind nucleul, iar cea mai puţin densă formând mantaua. Scoarţa şi partea superioară a mantalei – care alcătuiesc împreună litosfera – au format plăci rigide care se mişcă în plan orizontal deasupra părţii inferioare mai maleabile a mantalei – astenosfera (figura 1).

Figura 1: Atât sub crusta oceanică (A) cât şi sub crusta continentală (B) se află mantaua, alcătuită din mantaua superioară (C) şi mantaua inferioară (D), cunoscută şi sub denumirea de astenosferă. Crusta şi mantaua superioară formează împreună litosfera (E).

Mişcările plăcilor tectonice pot crea zone de subducţie, în care o parte a litosferei (E) coboară în astenosferă (D). Subducţia este un proces lent, care apare la presiune mare (în jur de 10 kilobari) şi temperatură mai mică de 500 °C, cu un gradient termic mai mic de 15 °C pe kilometru.
Pentru imagine, mulţumim lui Nicola Graf

Dispunerea acestor plăci s-a schimbat foarte mult în timp (figura 2). În urmă cu aproximativ 2,5 până la 4 miliarde de ani – în perioada numită eonul arhean – litosfera a fost divizată în plăci mult mai mici decât continentele pe care le cunoaştem astăzi. Mai târziu, în timpul eonului proterozoic, plăcile s-au reunit formând un mare supracontinent numit Rodinia. În mod tradiţional, se crede că aceasta era situaţia acum 1 miliard de ani. Ulterior, continentele au început să se îndepărteze de aceste mase, formând progresiv globul pământesc aşa cum îl ştim în prezent. Divizarea Rodiniei aparţine viziunii moderne a tectonicii plăcilor şi debutul ei este în mod tradiţional plasat în urmă cu aproximativ 900 de milioane de ani.

Figura 2: Evoluţia litosferei din eonul arhean până în timpurile moderne:

A) În timpul eonului arhean (în urmă cu 4 până la 2,5 miliarde de ani) litosfera s-a divizat în multe plăci de dimensiuni mici.

B) Se crede că în urmă cu aproximativ 1 miliard de ani, în timpul eonului proterozoic, plăcile s-au unit formând o mare masă continentală: Rodinia.
1: Siberia; 2: Australia; 3: Antarctica de Est; 4: Laurentia; 5: Baltica; 6: Amazonia; 7: Africa de Vest; 8: Congo Craton; 9: India.

C) Deoarece continentele au început să se îndepărteze şi să se unească din nou, ele au format în mod progresiv globul, aşa cum îl ştim astăzi. În mod tradiţional se crede că acest proces a început mai târziu, în eonul proterozoic, cu aproximativ 900 de milioane de ani în urmă.
Pentru imagini, mulţumim lui Hervé Martin (A, C), Kieff / Wikimedia Commons (B)

În timpul acestui proces, plăcile intră în coliziune. Când o placă alunecă sub o alta şi se cufundă în manta, fenomenul se numeşte subducţie (figura 1). Subducţia este un proces lent, care are loc la presiune înaltă (aproape 10 kilobari) şi la temperatură mai mică de 500 °C, cu un gradient termic mai mic de 15 °C pe kilometru.

Analiza vârstei rocilor africane

Figura 3: Bazin de şisturi
verzi în regiunea Essakane
din nord-estul Burkinei Faso.
În prim-plan puteţi vedea
roci vulcanice slab
metamorfozate numite
bazalturi.

Pentru imagine, mulţumim lui
Lenka Baratoux

Dar obiectivul nostru nu a fost să investigăm tectonica plăcilor. Ne-am propus să utilizăm în acest studiu o nouă tehnică pentru a afla mai multe despre formarea cu aproximativ 2 miliarde de ani în urmă a rocilor metamorfice. Nu ne-am aşteptat ca munca noastră să aibă implicaţii pentru tectonica plăcilor, al cărei început era situat aproximativ 1 miliard de ani mai târziu.

În prima etapă a studiului nostru am vizitat câteva sute de situri geologice din Africa (figura 3) şi am colectat probe de şisturi verzi. Se ştie că aceste roci au suferit metamorfoze – o schimbare de la un tip de rocă la altul – în urmă cu aproximativ 2 miliarde de ani. Pe baza cunoştinţelor anterioare despre metamorfismul rocilor în această perioadă, s-a crezut că acestea s-au format în condiţii de presiune scăzută (cel mult 5 kbar) şi la temperaturi situate între 200 şi 700 °C.

Figura 4: Cartografie chimică
a unei roci metamorfice
complexe care conţine cuarţ
(A), garnet (B), fengit(C),
clorit (D) şi oxizi de fier
(Ox). Imaginea a fost
obţinută la ESRF folosind
fascicule foarte intense de
raze X.

Pentru imagine, mulţumim
lui Vincent de Andrade

Apoi am investigat compoziţia mineralelor din aceste probe de roci prin analiza cu microsondă. Este vorba de o gamă de tehnici care includ microscopia şi imagistica cu electroni retroîmprăştiaţi, prin care sunt diferenţiate elementele grele, care facilitează împrăştierea electronilor, de elementele uşoare care nu au această proprietate. Am efectuat de asemenea cartografiere chimică, care arată unde sunt localizate anumite minerale în probe.

Figura 5: Analiză calitativă
chimică de fineţe care arată
trei tipuri de oxizi de fier:
Ox1, cu conţinut scăzut de
Fe3+; Ox3, cu conţinut ridicat
de Fe3+; şi Ox2, cu conţinut
intermediar de Fe3+.
Imaginea a fost obţinută la
ESRF folosind fascicule foarte
intense de raze X.

Pentru imagine, mulţumim lui
Vincent de Andrade

În plus, am realizat experimente la Instalaţia europeană de radiaţie sincrotron (ESRF; vezi caseta) pentru a descifra structura chimică foarte fină a unora dintre probele noastre. Fasciculele de radiaţie X sincrotron sunt de miliarde de ori mai intense decât fasciculele produse de un aparat medical de raze X, ceea ce permite decelarea structurii materiei la un nivel de detaliu inaccesibil razelor X standard.

Folosind felii foarte subţiri de rocă, am putut cartografia compoziţia lor chimică. Am descoperit că ele conţin cuarţ, granat, fengit, clorit şi oxizi de fier (figurile 4 şi 5). Dar ce puteam deduce din aceasta despre modul şi condiţiile în care s-au format rocile?

Pentru a interpreta rezultatele noastre, am folosit metode de calcul computerizate bazate pe diferiţi parametri chimici măsuraţi. De exemplu, am analizat raportul dintre H2O şi CO2 în fluide captive în cuarţ şi am măsurat raportul de Fe3+la Fe2+ din roci (figura 5). Există multe forme de clorit (de exemplu, de magneziu, de fier) şi câteva forme diferite de fengit (care pot conţine, de exemplu, magneziu sau fier). Prezenţa anumitor tipuri de clorit şi fengit în rocile metamorfice depinde de condiţiile existente la momentul formării rocii. Aceste condiţii se referă la raportul H2O:CO2 şi Fe3+:Fe2+, precum şi la presiune şi temperatură. Măsurarea raporturilor diferitelor substanţe chimice din probele noastre de rocă ne permite prin urmare să facem o extrapolare în timp pentru a calcula cu exactitate condiţiile de temperatură şi presiune în care s-au format rocile.

Revoluţie în înţelegerea tectonicii plăcilor

Cu ajutorul acestor calcule am demonstrat că integrarea componentelor clorit şi fengit în compoziţia rocilor din vestul Africii a avut loc la presiune mare (aproximativ 10 kbar) şi temperatură scăzută, sub 500 °C. Este un fenomen surprinzător, deoarece astfel de condiţii de presiune şi temperatură se întâlnesc doar în zonele de subducţie. Deoarece rocile pe care le-am studiat au o vechime de peste 2 miliarde de ani, rezultatele noastre conduc la ideea că a existat o tectonică de tip modern a plăcilor în urmă cu 2 miliarde de ani, mult mai devreme decât în urmă cu 900 de milioane de ani, aşa cum credeau oamenii de ştiinţă până acum.

Descoperirea noastră a schimbat înţelegerea ştiinţifică a geodinamicii Pământului. Prin urmare, când a început de fapt tectonica de tip modern a plăcilor? Şi cât de răspândite erau aceste mişcări gigantice ale pământului? Pentru a răspunde acestor întrebări, următorul pas va fi să studiem rocile de aceeaşi vârstă şi pe cele de vârste mai mari. În particular, avem în plan să vizităm Yilgarn Craton din Australia şi zona Barberton din Africa de Sud pentru a examina rocile metamorfice care conţin clorit şi fengit.

Informaţii suplimentare despre ESRF

Instalaţia europeană de radiaţie sincrotron (ESRFw1) este una dintre cele mai puternice surse de radiaţie X din lume. Mii de oameni de ştiinţă vin în fiecare an la ESRF pentru a realiza experimente în domenii cum ar fi ştiinţa materialelor, biologie, medicină, fizică, chimie, paleontologie şi patrimoniu cultural. ESRF este membru al EIROforumw2, care editează Science in School.

Aşezată la poalele Alpilor
Francezi, Instalaţia
europeană de radiaţie
sicrotron foloseşte fascicule
intense de raze X pentru a
determina structura materiei.
Un sincrotron este un tip de
accelerator ciclic de particule:
la ESRF radiaţia sincrotron se
deplasează cu viteză mare în
interiorul inelului cenuşiu
gigantic.

Pentru imagine, mulţumim lui
Ginter / ESRF

 

Mulţumiri

Autorii doresc să-i mulţumească lui Dominique Cornuéjols, din departamentul de comunicare al ESRF, pentru pregătirea şi traducerea materialului pentru acest articol.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Aflaţi mai multe despre ESRF.
  • w2 – EIROforum este o colaborare între opt dintre cele mai mari organizaţii guvernamentale internaţionale de cercetare ştiinţifică din Europa, care şi-au reunit resursele, dotările şi competenţele pentru a sprijini dezvoltarea la potenţial maxim a ştiinţei în Europa.Ca parte a activităţilor sale de educaţie şi sensibilizare, EIROforum este editorul Science in School.

Resources

Institution

ESRF

Author(s)

Dr. Jérôme Ganne conduce un program de cercetare la Institutul de Cercetare pentru Dezvoltare (IRD), în Laboratorul GET al Universităţii din Toulouse III, Franţa, activitatea sa de cercetare concentrându-se asupra proceselor tectonice care guvernează formarea şi dispariţia lanţurilor muntoase. În cooperare cu IRD, el a reunit o echipă de tineri cercetători de la Universitatea Cheikh Anta Diop din Dakar, Senegal. El predă şi în câteva programe de studii superioare din universităţi din vestul Africii.

După ce a obţinut titlul de Doctor în ştiinţele Pământului, Vincent de Andrade a lucrat la Instalaţia europeană de radiaţie sincrotron, ca specialist beamline. În 2010 el s-a alăturat colectivului National Synchrotron Light Source-II la Laboratorul Naţional Brookhaven în calitate de cercetător asociat, pentru a contribui la construirea SRX, un echipament beamline pentru spectroscopie alcătuit din micro – şi nanosonde foarte puternice. Vincent este specialist în imagistica chimică a geomaterialelor eterogene complexe, tehnică dedicată unei mai bune înţelegeri a genezei şi transformărilor acestora.


Review

Acest articol despre descoperirile a doi oameni de ştiinţă în domeniul tectonicii plăcilor oferă cititorilor o idee despre cercetarea de vârf. În stil clar şi concis, autorii prezintă informaţii despre bazele teoriei tectonicii plăcilor, trecând apoi la obiectul cercetării lor, concentrându-se asupra implicaţiilor acesteia pentru istoria Pământului şi asupra noilor întrebări ridicate de această descoperire.

În calitate de profesor de ştiinţe ale Pământului, consider acest articol interesant din mai multe motive:

  • Se concentrează asupra unei perioade din istoria Pământului care este rareori tratată în manualele şcolare.
  • Prezintă o viziune interesantă asupra tectonicii timpurii a plăcilor.
  • Oferă detalii despre metodologia şi echipamentele utilizate în cercetare.
  • Este o exemplificare sugestivă a metodei ştiinţifice.

Recomand acest articol profesorilor din învăţământul secundar dornici să stimuleze interesul elevilor lor pentru ştiinţele Pământului şi cercetarea ştiinţifică în general. Articolul poate constitui o lectură de bază valoroasă pentru sensibilizarea elevilor cu privire la acest subiect, înainte de abordarea unor teme considerate de obicei plictisitoare, cum ar fi mineralele sau tectonica plăcilor.

Textul oferă numeroase linkuri, nu numai către subiecte de ştiinţa Pământului (istoria Pământului, tectonica plăcilor, mineralogie, ciclul rocilor, geochimie, tehnici de investigare, Africa, centuri de şisturi verzi şi minerit aurifer), dar şi de chimie (oxizi de fier şi reacţii redox) şi fizică (instalaţii de raze X şi de radiaţie sincrotron, microscop electronic cu scanare, presiune, temperatură şi tranziţii de fază). În plus, este un bun studiu de caz pentru discuţia metodei ştiinţifice.

Dat fiind limbajul articolului, acesta poate fi folosit cu uşurinţă pentru exerciţii de înţelegere, cum ar fi:

  1. Mineralele studiate s-au format în condiţii de:
    1. Presiune înaltă (10 kbar) şi temperatură scăzută (mai mică de 500 °C)
    2. Presiune scăzută (5 kbar) şi temperatură înaltă (mai mare de 700 °C)
    3. Presiune scăzută (5kbar) şi temperaturi de la 200 la 700 °C
    4. Presiune înaltă (10 kbar) şi temperaturi de la 200 la 700 °C.
  2. Compoziţia diferitelor tipuri de clorit şi fengit depinde de:
    1. Raportul dintre H2O şi CO2
    2. Raportul dintre Fe2+ şi Fe3+
    3. Temperatura şi presiunea la care se formează
    4. Toate cele de mai sus.

Giulia Realdon, Italia




License

CC-BY-NC-ND