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探検家は地球の暗黒時代への道を見つける


8 月、地質学者の Matt Jackson は、妻と 4 歳の娘を連れてカリフォルニアを離れ、アイスランド北西部のフィヨルドに向かいました。そこでキャンプをしながら、カンラン石と呼ばれるオリーブ色の小さな石を探して、日中露頭やがれきの斜面を歩き回りました。

カリフォルニア大学サンタバーバラ校の晴れやかな若い教授であるジャクソンは、2 年前にアイスランドのフィヨルドを初めて探検したことから、最高の狩猟場をすべて知っていました。以前の地質学者によって伝えられた大ざっぱなフィールドノートに従って、彼は数え切れないほどの羊と時折の農夫を通り過ぎて、1日10マイルまたは15マイルを走りました。 「彼らは一生をこの美しいフィヨルドで過ごしてきました」と彼は言いました。 「彼らはこれらの黒い層状の岩を見上げ、それぞれが溶岩流を伴う異なる火山噴火であると伝えます。それは彼らの心を吹き飛ばします!彼は笑いました。 「彼らが気づかなかったことに、さらに驚かされます!」

カンラン石は、1,000 万から 1,700 万年前にまさに溶岩流の中で地表に噴出しました。ジャクソンは、多くの地質学者と同様に、噴火の源はアイスランドのプルームであると考えています。これは、溶岩ランプの小球のように、地球の奥深くから上昇する可能性のある固体岩の仮想的な湧昇です。噴煙が存在する場合、アイスランド中部の活火山の根底にあることになります。過去には、フィヨルドがここにあった時代に、アイスランドが北西に削られた地球の地殻のパズルのピースが削られる前に、フィヨルドで表面化したでしょう.

この地域からのカンラン石に関する他の最近の発見は、それがアイスランド プルームの基部にある古代のミネラル貯留層に由来する可能性があることを示唆しています。ジャクソンは、彼が収集したサンプルが貯留層からの化学的メッセージを伝え、それが惑星の幼年期に形成されたことを証明することを望んでいた.

カリフォルニアに戻った後、彼はサンプルをリチャード・ウォーカーに送り、そのメッセージを見つけ出しました。メリーランド大学の地球化学者であるウォーカーは、カンラン石を処理して、より一般的な同位体であるタングステン 184 と比較して、岩石中の化学同位体タングステン 182 の濃度を決定しています。ジャクソンが正しければ、彼のサンプルは、異常なタングステン同位体比が科学者を完全に驚かせた世界中の岩石のコレクションに加わることになる.これらのタングステンの異常は、太陽系の歴史の最初の 5000 万年以内にのみ発生した可能性があるプロセスを反映しています。この形成期間は、地球を溶かし、その内容物を混ぜ合わせた大変動の衝突によって、地球化学の記録から一掃されたと長い間想定されていました。

異常は「地球の最も初期のプロセスのいくつかについての情報を私たちに与えています」とウォーカーは言いました。 「地球化学者が過去 50 年間取り組んできたものとは別の宇宙です。」



これらの発見は、ジャクソンのような地質学者を、地球の形成と、今日の惑星の仕組みについての手がかりを求めてこの分野に送り込んでいます。初期の地球と同様に、現代の地球はまだほとんど理解されておらず、火山がどのように機能するか、噴煙が実際に存在するかどうかから、海や大陸がどこから来たのか、口語的に「ブロブ」として知られる巨大な構造の性質と起源は何かなど、答えのない疑問が残されています。 、」地震学者は、地球のコア近くの奥深くでそれを検出します。惑星の形と機能のすべての側面は相互に関連しています。また、太陽系の他の部分とも絡み合っています。たとえば、構造プレートがジグソーパズルのように地球の表面を覆っている理由を説明しようとする試みは、太陽系の他の惑星にプレートがないという事実を説明しなければなりません。地球を理解するために、科学者は、太陽系の文脈の中で、どのようにして地球が独特の地球のようになったのかを解明しなければなりません。そしてそれは、最初の数千万年の謎を探ることを意味します.

「これは初期条件の問題と考えることができます」とカリフォルニア大学バークレー校の地球物理学者で、間欠泉と火山を研究しているマイケル・マンガは言いました。 「今日私たちが見ている地球は何かから進化したものです。そして、その最初の何かが何であったかについては、多くの不確実性があります。」

パズルのピース

ジャクソンがアイスランドに向けて出発する前の週に、サンタバーバラで 75 度の連続した日が続いたとき、ジャクソンは地球科学者のグループを率いて 2 マイルのビーチハイキングを行い、いくつかのタール堤防を見ました。ビーチの奥にある崖の表面から、指でへこむことができるたるんだ、官能的な偽の岩の襞を形成しています。科学者たちは、タールのしわを押し付けたり、岩を叩きつけたりして、その地下起源とその粘度の大まかな範囲について推測しました。このレポーターが小さなタールの塊を手に取ってその軽さを感じたとき、2、3 人が賛成してうなずきました。

地球物理学者、地質学者、鉱物学者、地球化学者、地震学者が混在するこのグループは、カブリ理論物理学研究所で毎年開催される動的地球研究協同組合研究所 (CIDER) ワークショップのためにサンタバーバラにいました。毎年夏に、これらの分野の代表者が交代で CIDER に数週間集まり、最新の結果を共有し、アイデアを相互受粉します。これは、地球のように複雑なシステムを理解することが目標である場合に必要です。

地球の複雑さ、それがどれほど特別であるか、そして何よりも、その初期状態のブラック ボックスは、宇宙学者が宇宙をマッピングし、天文学者が地球 2.0 を求めて銀河をスキャンしているにもかかわらず、私たちの故郷である惑星を理解する進歩が驚くほど遅いことを意味しています。あるタール堤防から別のタール堤防へとゆっくりと進んでいると、ジャクソンは崖の表面に露出した堆積岩の層を指摘しました.それらのいくつかは水平で、他のものは座屈して傾斜しています.驚くべきことに、1960 年代まで科学者が、傾斜した堆積層が斜めに積み重なったのではなく、座屈しているということに同意するのにさえかかった、と彼は言いました。そのとき初めて、地球の表面の座屈と凹凸を一般的に説明するメカニズム、つまりプレート テクトニクスの理論について合意に達しました。

ユニバーシティ カレッジ ロンドンの地球物理学者で構造プレートを研究している Carolina Lithgow-Bertelloni は、1912 年にドイツの気象学者 Alfred Wegener が大陸移動の概念を最初に浮かび上がらせ、地球の陸塊が分散した破片に似ている理由を説明したと信じています。パズルの。 「しかし、彼にはメカニズムがありませんでした。確かにありましたが、クレイジーでした」と彼女は言いました。



数年後、イギリスの地質学者であるアーサー・ホームズ卿は、地球の固い岩石のマントルが地質学的な時間スケールで流動的に流れ、地球のコアから放射される熱によって動かされると説得力を持って主張した、と彼女は続けた。彼は、このマントルの流れが表面運動を駆動すると推測しました。第二次世界大戦中にさらに多くの手がかりが得られました。潜水艦を隠す目的でマッピングされた海底磁気は、新しい地殻が中央海嶺 (世界の海を縫い目のように並べる水中の山脈) で形成され、大陸の海岸に向かって両方向に広がっていることを示唆しています。そこの「沈み込み帯」では、海洋プレートが大陸プレートの下にしっかりと滑り込み、地震を引き起こし、水を下方に運び、そこでマントルのポケットを溶かします。この融解によりマグマが生成され、ほとんど理解されていない衝突と開始で地表に上昇し、火山噴火を引き起こします。 (ハワイやアイスランドのように、火山はプレートの境界から遠く離れたところにも存在します。科学者たちは現在、噴煙の存在を引き合いに出してこれを説明しています。ウォーカーやジャクソンのような研究者は、同位体研究を使用して検証とマッピングを開始しています。)

Lithgow-Bertelloni によると、1960 年代後半にイギリスの地球物理学者ダン マッケンジーとアメリカのジェイソン モーガンが別々に、球体のプレート テクトニクスをモデル化するための定量的枠組みを提案したとき、プレートの物理的な説明がまとまりました。

それらの存在を除いて、プレートに関するほとんどすべてが争われています。たとえば、横方向の動きを駆動するものは何ですか?沈み込んだプレートはどこにたどり着くのでしょうか? —そして、それらは地球の内部ダイナミクスにどのように影響しますか?太陽系の他の惑星の表面はなかったのに、そもそも地球の地殻がプレートに砕けたのはなぜですか?また、完全に神秘的なのは、海洋プレートと大陸プレートの 2 層構造であり、海洋と大陸がどのようにしてそれらの上に乗るようになったかです。これらはすべて、知的生命体の可能な前提条件です。地球がどのようにして地球のようになったかについてもっと知ることは、地球のような惑星が宇宙にどのように存在するか、そして生命がどのように発生する可能性があるかを理解するのに役立ちます.

Lithgow-Bertelloni 氏によると、大陸はおそらく、重力が地球の内容物を同心円状の層に組織化する初期プロセスの一部として形成された.一方、密度の低い物質は上向きに浮き上がり、マントルの表面にスープかすのような地殻を形成しました。おそらく、このスカムがいくつかの場所に蓄積して大陸を形成し、別の場所では海が具体化した.

何が起こったのか、そしてこれらすべてのステップの順序を正確に把握することは「より困難です」と Lithgow-Bertelloni 氏は述べています。なぜなら、それらは岩石記録よりも前にあり、「地球の歴史の早い段階で発生する融解プロセスの一部だからです。非常に早い段階です。 」

最近まで、科学者たちはそれほど昔の地球化学的痕跡を知らず、地球の最も輝かしい特徴が現れたブラックボックスを決して開けることはできないと考えていました。しかし、タングステンや他の同位体濃度の微妙な異常は、惑星の形成と分化の最初の垣間を見せています。これらの化学トレーサーは、初期の地球のタイムラインと地図を組み合わせて生成し、その特徴がどこから、なぜ、いつ発生したかを明らかにすることを約束します。

大ざっぱなタイムライン

初期の地球に対する人類の理解は、アポロの宇宙飛行士が月から岩石を持ち帰ったときに最初の大きな飛躍を遂げました。その起源は当時、完全な謎でした。

1969 年から 1976 年にかけてカリフォルニア工科大学で月のサンプルを分析した Fouad Tera 氏は、岩石は「地球の岩石に非常によく似た灰色に見えました」と述べています。 」 ハンドラーで。いくつかの興味深い特徴が最終的に現れました.月は若かった。しかし、ほとんどの場合、「月は楽しいものからできているわけではありません。ただの普通のものです。」

後から考えると、これは驚くべきことではありません。カリフォルニア工科大学や他の研究所での化学分析は、月が地球の物質から形成されたことを示しました。これは、6000 万から 1 億年前の原始地球が別の原始惑星と衝突したときに軌道に叩き込まれたように見えます。混雑した内部太陽系.月の形成に関するこの「巨大な影響」仮説は、その詳細についてはまだ熱く議論されていますが、地球、月、太陽のタイムラインに重要なステップを確立し、他のステップが適切な位置に収まるのを助けました.



隕石の化学分析は、科学者が太陽系のタイムラインの初期段階 (すべてが始まった瞬間を含む) を概説するのに役立ちます。

まず、45 億 7000 万年前、近くの星が超新星爆発を起こし、物質と衝撃波を宇宙に放出しました。この物質には放射性元素が含まれており、すぐに崩壊し始め、同位体化学者が現在非常に正確に測定している時計を開始しました。衝撃波が私たちの宇宙の近所を襲ったとき、ほうきのようにガスと塵の局所的な雲を囲い込みました。密度の増加により、雲は重力によって崩壊し、熱い破片の胎盤に囲まれた真新しい星、つまり私たちの太陽が形成されました.

次の数千万年の間に、太陽を取り囲む瓦礫のフィールドは、ますます大きな宇宙の岩石に集まり、「微惑星」と呼ばれる惑星の部分に付着し、それが合体して原始惑星になり、水星、金星、地球、火星の 4 つになりました。今日の太陽系内惑星系の岩石惑星.さらに寒冷な気候では、ガスと氷が巨大惑星に降着した.

誕生したばかりの地球は、混雑した太陽系内惑星系を移動する際に、頻繁に白熱した衝突を経験し、長い間、地球全体が溶けて地球規模の「マグマの海」になったと考えられていました。これらの融解の間、重力によって液化した地球の内容物が層 (コア、マントル、地殻) に分化しました。地球規模の融解のそれぞれが既存の岩石を破壊し、それらの内容物を混ぜ合わせ、地球の最初の構成要素から残された地球化学的差異の兆候を取り除いたと考えられています.

地球を溶かす「巨大な衝突」の最後のものは、月を形成したものだったようです。月の質量を差し引いても、衝突体は地球の質量に最後に追加されたものでもありました。おそらく、タイムライン上のこの時点 — 太陽系の誕生から少なくとも 6000 万年後、現在からさかのぼって数えるとせいぜい 45 億 1000 万年前 — は、惑星の過去の地球化学的記録が開始されたときでした。 .ワシントンのカーネギー研究所の地球化学者であるリック・カールソンは、「地球の大部分を混乱させたこの巨大な衝突が地年代学の始まりであると考えるのは、少なくとも説得力のある考えです。最初の 6,000 万年の間に、「地球はここにあったかもしれませんが、消去されたばかりなので記録はありません。」

月の岩石からの別の発見は 1974 年に行われました。テラは、同僚のディミトリ パパナスタシウと、6 月に亡くなった同位体宇宙化学の巨匠ゲリー ワッサーバーグと共に、さまざまなアポロ ミッションからの岩石の多くの同位体分析を 1 つのプロットにまとめました。 、時間に対応する「アイソクロン」と呼ばれる直線を明らかにします。 「私たちのデータを他のすべてのデータと一緒にプロットすると、約 39 億年前に月のすべての岩石に巨大な痕跡が刻まれたことを示す明確な傾向がありました」と Tera 氏は言いました。

ワッサーバーグはこの出来事を「月の大変動」と呼んだ。現在では「後期重爆撃」と呼ばれることが多く、それは小惑星と彗星の激流であり、39 億年前、形成から完全に 6 億年後に月に衝突し、表面の岩石を溶かして化学的にリセットしたと思われます。地球のサイズと引力が大きいことを考えると、後期の重爆撃は確実に地球にさらに激しく降り注いだことでしょう。太陽系の歴史におけるこのような重大な出来事を発見したワッサーバーグは、より控えめな若い同僚を置き去りにして、「パサデナのどこかのバーで祝った」とテラは言いました。

1974年の時点で、重爆撃の後半以降、地球上に岩石は発見されていませんでした。実際、地球最古の岩石は 38 億年で頂点に達するように見えました。コロラド州ボールダーにあるサウスウェスト研究所の惑星科学者であるビル・ボトケ氏は、「その数は驚くべきものです。 Bottke によると、後期の重爆撃が 39 億年前に存在していた惑星地殻を溶かし、既存の地質学的記録を再び破壊し、その後、新しい地殻が硬化するのに 1 億年かかった可能性があることを示唆しています。

2005 年、フランスのニースで研究を行っていた研究者グループは、後期の重爆撃を説明するメカニズムを考案しました。また、木星、土星、天王星、海王星の奇妙な構成、太陽系のまばらさなど、太陽系に関するその他のいくつかの謎を解明しました。小惑星とカイパーベルト。彼らの「ナイス モデル」は、ガスと氷の巨人が形成後のある時点で軌道上で突然不安定になり、移動を引き起こしたと仮定しています。 Bottke と他の人々によるシミュレーションは、惑星の移動が小惑星と彗星を散乱させ、後期の重爆撃に非常によく似た何かを開始したことを示しています。この揺れの間にカイパーベルトから内側に投げ出された彗星は、地球の表面に水を届けた可能性さえあり、その海の存在を説明しています.

このアイデアの収束により、後期重爆撃は初期の太陽系のタイムラインにおける主要なステップとして広く受け入れられるようになりました。しかし、これは地球科学者にとっては悪いニュースであり、地球の地球化学的記録は 45 億 7000 万年前の始まりではなく、45 億 1000 万年前の月の始まりでもなく、38 億年前に始まったことを示唆しています。以前の時代は永遠に失われました。

ロックの記録を伸ばす

最近では、地球と太陽系の初期の歴史に関する後期重爆撃理論やその他の多くの長年の仮説が疑問視され、地球の暗黒時代が明るみに出始めています。カールソンによれば、「この 39 億年前の出来事の証拠は、時間の経過とともにはっきりしなくなりつつあります」。たとえば、隕石を衝撃の兆候について分析すると、「隕石は 42 億、44 億で多くの衝突イベントを示しています」と彼は言いました。 「この 39 億回のイベントは、隕石の記録にあまり強く現れていません。」彼と後期の重爆撃に対する懐疑論者は、アポロのサンプルは偏っていた可能性があると主張している。すべてのミッションは月の表側に着陸し、その多くは 39 億年前の衝突で形成されたインブリウム盆地 (地球から見た月の最大の影) のすぐ近くにありました。おそらく、すべてのアポロの岩石がその 1 つのイベントの影響を受け、衝突による融解物が月面の広い範囲に分散した可能性があります。これは、決して起こらなかった大変動を示唆しています。



さらに、地球上で知られている最古の地殻は、もはや 38 億歳ではありません。カナダの 2 つの地域で 40 億年前と推定される 42 億 8000 万年前の岩石が発見されており、39 億年前に地球のマントルと地殻が後期の激しい爆撃によって完全に融解したと​​いう考えに反論しています。少なくとも以前の地殻の一部は生き残った.

2008 年、Carlson と共同研究者は、カナダの Nuvvuagittuq グリーンストーン ベルトにある 42 億 8000 万年前の岩石の証拠を報告しました。ブリストル大学の地球化学者であるティム・エリオットがNuvvuagittuqの調査結果について読んだとき、カールソンがフランスの研究者によって以前の研究で使用された、サマリウムと呼ばれる短命の放射性同位体システムに依存した年代測定法を使用していたことに興味をそそられました。 -ネオジム。エリオットは、地球の歴史のさらに早い時代を指し示す古代の岩石で、さらに短命のシステム — ハフニウム タングステン — の痕跡を探すことにしました。

年代測定法は次のように機能します。「親」同位体であるハフニウム 182 は、900 万年ごとに崩壊してその「娘」であるタングステン 182 になる可能性が 50% あります (これが親の「半減期」です)。半減すると、親はすぐにほとんど何もなくなります。太陽を生み出した超新星から 5000 万年後までには、事実上すべてのハフニウム 182 がタングステン 182 になっているはずです。

そのため、Matt Jackson のかんらん石サンプルのような岩石中のタングステン同位体比は、非常に明らかになる可能性があります。それがあったとき - 太陽系の歴史の最初の5000万年の間に起こったプロセス。エリオットは、この種の地球化学的情報が、初期の地球融解とその後の数十億年にわたるマントル対流によって破壊されたと以前は考えられていたことを知っていました。

エリオットは、当時オックスフォード大学の地質学の名誉教授であり、「最古の岩石を発見した祖父の一人」であるスティーブン・ムーバスに連絡を取りました、とエリオットは言いました。 Moorbath は「熱心だったので、電車に乗りました。」ムーアバスはエリオットをオックスフォードの地球科学棟の地下に連れて行った。そこでは、多くのそのような建物と同様に、大量の岩の集まりがボイラーと積み重ねられた椅子と空間を共有していた。 Moorbath は、グリーンランドの Isua コンプレックスから、1970 年代に 38 億年前に彼が突き止めた古代の地殻の標本を掘り出しました。

Elliott と彼の生徒である Matthias Willbold は、Isua のサンプルを粉末にして処理し、骨の折れる化学的方法を使用してタングステンを抽出しました。次に、最先端の質量分析計を使用してタングステンの同位体比を測定しました。 2011 自然 10 月に亡くなったエリオット、ウィルボールド、ムーバスの論文によると、38 億年前のイスアの岩石には、世界平均よりも 15 ppm 多いタングステン 182 が含まれていたと報告されています。地球の顔。

この論文は、メリーランド州のリチャード ウォーカーとその同僚をスクープし、数か月後、ロシアのコストムクシャから産出された 28 億年前のコマチアイトで陽性のタングステン異常を報告しました。

Isua と Kostomuksha の岩石は、ハフニウム 182 が絶滅してからずっと後に地球の表面に形成されましたが、明らかに、はるかに古い化学的特徴を持つ物質に由来しています。ウォーカーと同僚は、コストムクシャの岩石は、地球の初期のマントル融解中に均質化できなかった内部のハフニウムが豊富な「原始貯留層」から引き出されたに違いないと主張している。最初の 5000 万年にさかのぼるこれらの貯留層が保存されていることは、月形成の影響でさえ何らかの形で生き残ったに違いないことから、「マントルが十分に混合されていなかった可能性があることを示しています」と、ウォーカー氏と共著者は書いています。これにより、地球の初期の歴史の残骸がさらに多く発見される可能性が高まります。



研究者らは、表面物質のタングステン異常やその他の同位体の痕跡を太古の内部のトレーサーとして使用し、過去に下方および後方に外挿して原始地球をマッピングし、その特徴がどのように形成されたかを明らかにできると述べています。 「惑星の形成と分化の間に発生する一連の出来事を正確に見て、実際に見ることができます」とカールソンは言いました。 「あなたには、地球の歴史の最初の数千万年を明確に調査する能力があります。」

異常は、さまざまな年代と出所の岩石に現れ続けています。 5 月、モントリオールにあるケベック大学の Hanika Rizo は、Walker、Jackson、および共同研究者とともに、Science で報告しました。 グリーンランドのバフィン湾から採取された 6,200 万年前のサンプルで、現代の岩石で初めて正のタングステン異常が検出されました。 Rizo は、これらの岩石が、地球のコア近くの深部にある「ブロブ」の 1 つから引き出されたプルームによって持ち上がったという仮説を立てています。ブロブが実際にタングステン 182 に富んでいる場合、多くの地球物理学者が疑うような構造プレートの墓場ではなく、惑星の幼年期にまでさかのぼります。 Rizo は、それらが衝突して地球を形成した微惑星の塊であり、その塊がその過程で何らかの形で無傷のままであったと推測しています。 「多くの衝突がある場合、この斑状のマントルを作成する可能性があります」と彼女は言いました。その場合、初期の地球の内部は、教科書に描かれている原始マグマの海とはまったく似ていませんでした.

内部の斑状の証拠がさらに表面化しています。今月初めのアメリカ地球物理学連合の会議で、ウォーカーのグループは、ハワイとサモアの玄武岩で負のタングステン異常、つまり、タングステン 184 と比較してタングステン 182 が不足していることを報告しました。岩石中のこの同位体濃度と他の同位体濃度は、それらを生成した仮想プルームが、タングステン-184 を含む金属の原始ポケットから引き出された可能性があることを示唆しています。おそらく、これらの金属は、惑星の分化中に核に吸い込まれなかったのでしょう.



一方、エリオットは、38 億年前の Isua サンプルのような太古の地殻岩石に正のタングステン異常があることを説明するために、これらの岩石は、地球の質量の最後の 0.5% になる前に表面で硬化した可能性があるという仮説を立てています。マイナーな影響の尾—それらに混ざっています。 「後期ベニア」として知られるこれらの後期衝突は、金、プラチナ、タングステン (主にタングステン 184) などの金属を地球のマントルに追加し、タングステン 182 の相対濃度を低下させたと考えられます。したがって、早期に表面に到達した岩石は、正のタングステン異常で終わった可能性があります.

しかし、他の証拠がこの仮説を複雑にしています。つまり、イスアの岩石中の金とプラチナの濃度は世界平均と一致しており、少なくとも一部の晩期ベニヤ材料がそれらに混入したことを示唆しています。これまでのところ、すべてのデータを説明する一貫したフレームワークはありません。しかし、これは壮大な結論を出す時期ではなく、「発見段階」であるとカールソン氏は述べた。地球化学者が核から地殻まで地球全体のプルームと原始貯水池を徐々にマッピングするにつれて、仮説がテストされ、地球の形成に関する物語が徐々に結晶化するでしょう.

エリオットは、彼の後期ベニア仮説をテストするために取り組んでいます。彼は一時的に質量分析計を大槌と交換し、オーストラリアで 30 億年から 37 億 5000 万年前の一連の地殻岩を収集しました。タングステン同位体比を年代別に追跡することで、地殻を生成したマントルが後期ベニア物質と完全に混合した時期を特定したいと考えています。

「これらのことは決して簡単にはうまくいきません」とエリオットは言いました。 「しかし、あなたは常に最も単純なアイデアから始めて、それがどうなるかを見ていきます。」



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