2016 年、地球化学者の Jonas Tusch と Carsten Münker は、オーストラリアのアウトバックから 1,000 ポンドの岩石を打ち出し、ドイツのケルンに空輸しました。
5 年間の切断、粉砕、溶解、分析の結果、彼らはこれらの岩石から何年にもわたって隠されていた秘密、つまりプレート テクトニクスが始まった時代を導き出しました。
固く噛み合ったプレートの壊れた地球の甲羅は、太陽系ではユニークです。科学者は、安定した大気、保護磁場、複雑な生命の動物園など、地球の他の特別な機能にそれをますます関連付けています。しかし地質学者たちは、地球の地殻がプレートに分かれた正確な時期について長い間議論してきました。競合する仮説は、惑星の 45 億年の歴史の最初の 10 億年から最後の 10 億年のいつかにまで及びます。これらの推定値は、プレートテクトニクスが地球上の他のすべてのものにどのように影響するかについて、大きく異なる意味を持っています.
構造プレートの広がり、破壊、急落は、地理だけではありません。地表の再利用は気候の調節に役立ち、大陸や山の形成は重要な栄養素を生態系に送り込みます。実際、プレートテクトニクスが十分早く始まっていれば、複雑な生命体の進化の主要な原動力だった可能性があります。さらに言えば、プレートの移動は、遠く離れた惑星での高度な生命の前提条件になる可能性もあります。
現在、Tusch、Münker とその共著者によるオーストラリア奥地の岩石に関する研究が、Proceedings of the National Academy of Sciences に掲載されています。 オーストラリアのアデレード大学の地質学者であるアラン・コリンズは、プレートテクトニクスの出現の「スナップショット」を捉えた.チームによる岩石中のタングステン同位体の分析により、地球が約 32 億年前にプレート テクトニクスに移行していたことが明らかになりました。
オックスフォード大学の岩石学者であるリチャード・ペイリン氏は、この調査結果は、過去 10 年間に蓄積された、その日付を示す他の状況証拠を補強するものだと述べています。これは、約 30 億年前に「プレート テクトニクスが地球規模で確立されたという地質学コミュニティでのコンセンサスの高まりをサポートするものです」と彼は言いました。
「非常に異なる視点から来て、32億年から30億年の収束を考え出す、多くの異なる人々がいます」とコリンズは言いました.
地球のエンジン
1912 年に地質学者の Alfred Wegener が初めて大陸移動説を提唱したとき、彼の同僚のほとんどは、それはばかげていると考えていました。巨大な陸塊はどのように動くのでしょうか?ウェゲナーは、漂流する大陸を駆動するメカニズムを特定できませんでした。実際、地球のマントル（地殻とコアの間にある熱い岩石の厚い層）内の対流がどのようにプレートを押し上げているのかを地質学者が解明するには、さらに 50 年かかるでしょう。彼らは最終的に、これらのプレート (15 のメイン プレートと数十の小さなプレート) が中央海嶺で広がり、マントルの流れに沿って移動し、端で互いにこすり合い、「沈み込み帯」でマントルに戻ることを示しました。
カリフォルニア大学ロサンゼルス校の地球物理学者 Carolina Lithgow-Bertelloni は、次のように述べています。 「そうすれば、なぜ地震があるところに地震があるのか、なぜ山があるところに山があるのかがわかります。」
それから数十年の間に、科学者たちは、地球の大気、磁場、安定した気候、生物多様性がすべてプレート テクトニクスに関連していることに気付くようになりました。 「それは私たちの惑星を本来のやり方で機能させます」と Lithgow-Bertelloni は言いました。
まず第一に、プレート テクトニクスは、太陽が徐々に明るくなってきたにもかかわらず、地球が何十億年もの間居住可能な気候を維持するのに役立ってきました。私たちのゴルディロックス気候は、主に空気中の二酸化炭素とケイ酸塩鉱物との間の化学反応に起因し、堆積物に埋もれて大気中の温室効果ガスのレベルをゆっくりと低下させます。ケイ酸塩と二酸化炭素の反応のほとんどは、衝突するプレートによってできた山の斜面で起こります。
さらに、マントル、地殻、海洋、大気の間での物質のリサイクルにより、生命に不可欠な要素の継続的な供給が保証されます。プレート テクトニクスはマントルを微細化し、リンのような元素を大陸地殻として地表に蓄積させます。これらの要素は、山が風化して海に流れ込むとき、海水の生命を養います。そして、大陸自体が新種に太陽に照らされた土地を提供します。
同様に重要なことに、マントル対流は地球のコアから熱を逃がし、コアが磁場を生成するのを助けます。フィールドは宇宙にまで広がり、大気が太陽嵐によって侵食されるのを防ぎます。
しかし、地球の初期は違いました。
初期の地球の内部は、放射性崩壊によって現在よりもはるかに高温になったため、地殻は弛緩していました。何十年もの間、科学者たちは、コアが十分に冷却されて地殻がプレートに固まり、プレートが動き始め、バラバラになり、衝突し、沈み始める時期について議論してきました.その運命的な移行がいつ起こったかを知ることで、「何が生命の進化に特定の変化をもたらしたのか、どのようにして現在のシステムにたどり着いたのか、...私たちの惑星が今日どのように機能しているかをよりよく理解できるようになるでしょう」と Lithgow-Bertelloni 氏は述べています。
ロッキー レコード
私たちの惑星の形成年を解読することは困難です。何十億年も前の岩石は珍しいだけでなく、時間と地殻変動によって苦しめられています。それらはバラバラで誤解を招く可能性のある過去を垣間見せてくれます。
何人かの科学者は、プレート テクトニクスが少なくとも 40 億年前から機能していると主張しています。彼らはこれを、沈み込み帯で生成された現代の岩石の化学的性質に似た化学的性質を持つ小さな 40 億年前の結晶に基づいています。しかし、他の研究者は、それらの結晶が他の方法で形成された可能性があると反論しています.
地質学的に言えば、プレートテクトニクスが最近始まったという仮説を立てた人もいます。彼らは、現在のプレート衝突帯で形成されることが知られている岩石の種類を指摘しており、それらは約 7 億年より古いとは思えません。これらの岩石の古い例がない場合、プレート テクトニクスも若いにちがいない、という議論が続きます。
これらの岩石の外観は、地球内部のゆっくりとした冷却など、プレート テクトニクスの開始後に起こった変化を反映している可能性があります。
時期をめぐる意見の不一致は、プレートテクトニクス自体が時間の経過とともにどのように変化したかをある程度示している、と研究者は述べています。オフからオンへの突然の切り替えを経験するのではなく、地殻活動はおそらくその現代的な形に向かって徐々に進化した.
それにもかかわらず、過去 10 年間に収集された重要なデータは、その進化の主要な変曲点が約 32 億年前、始生代の中期に起こったことを示唆しています。変曲点は、いくつかの証拠に現れています。
地球化学トレーサーは、その後、酸素、二酸化炭素、水が大気とマントルの間を移動し始めたことを示しています。安定した大陸地殻の量も跳ね上がりました。その日付以降に形成されたダイヤモンドだけが、地球の表面から引きずり出された物質から鍛造された岩であるエクロジャイトの斑点を含んでいます。そして、噴火したときに超高温だったコマチアイトと呼ばれる溶岩が岩石の記録から消え始め、マントルが循環し始めたことをさらに示しています。
2020 年に異なるチームによって発表された 2 つの巨大な論文が証拠を検討し、プレート テクトニクスが約 32 億年前に始まったと独自に結論付けました。地球の記録はあいまいなままで、議論が続いている人もいます。しかし、新しいタングステンの発見は「化学的指紋」を提供し、新たなコンセンサスを支持するとコリンズは述べた.
地球の幼少期からのシグナル
2015 年、ケルン大学で、Tusch と Münker はプレート テクトニクスの開始を調べる新しい方法を考案しました。彼らは、太陽系の形成から 6000 万年以内にハフニウム 182 の放射性崩壊によって形成されたタングステンの同位体であるタングステン 182 に注目しました。 「これは地球の最初の 6000 万年の痕跡です」とミュンカーは言いました。
タングステン 182 は、地球の歴史の初期の岩石に比較的豊富に含まれているはずです。しかし、プレート テクトニクスが始まると、マントルの対流攪拌によって、タングステン 182 がタングステンの他の 4 つの同位体と混ざり合い、均一に低いタングステン 182 値を持つ岩石が生成されます。
Tusch と Münker は、古代の岩石から微量のタングステンを抽出するための強力な新しい方法を開発しました。それから彼らは岩を探しに行きました.
最初に、彼らはグリーンランド西部のイスア地域で収集された始生代の岩石を分析しました。 Tusch はサンプルの分析に 11 か月を費やしましたが、最終的にタングステン 182 のデータは平坦で、サンプル間で大きな違いはありませんでした。研究者は、グリーンランドの岩石がその歴史の中で変形し、加熱され、地球化学的情報を混乱させたと推測しました.
彼らはより良い岩石が必要だったので、西オーストラリア州のピルバラに向かいました。 「地球上で最も保存状態の良い始生代の岩石がいくつかあります」とミュンカーは言いました。 「同年代の同様の岩石と比較すると、あまり加熱されていません。」
「何度も同じ値を示さないサンプルを見つけることに非常に熱心でした」と Tusch 氏は言います。
共著者であるニューサウスウェールズ大学のマーティン・ヴァン・クラネンドンクに導かれ、チームはオフロードトラックでアウトバックを縦横無尽に横断し、古代の火山岩と植生が互いに似ているさび色の露頭を訪れました。露頭にあるスピニフェックスの茂みは一部がシリカですとげがあり、シロアリ以外には食べられません。彼らは、27 億年から 35 億年前に形成された有望な 0.5 トンの岩石と溶岩を叩き出しました。
ドイツに戻ると、Tusch は仕事に取り掛かりました。彼は岩のこぎりを使って各サンプル内の新鮮な岩石を取り出し、いくつかのスライスを人間の髪の毛の幅の半分まで研磨して、顕微鏡用に半透明にしました。彼は残りを粉砕してタングステンを濃縮し、質量分析計でタングステンの同位体比を分析しました。
ほぼ 2 年間で、結果が少しずつ出てきました。今回は同位体比がフラットではありませんでした。 「見てよかった」と Tusch は言いました。
タングステン 182 の濃度は、33 億年前に形成された岩石で最初に高く、マントルがまだ混合していないことを示しています。その後、値は 2 億年以上にわたって減少し、31 億年前までに現代のレベルに達しました。この減少は、ピルバラの下のマントルが混ざり始めたときに、古代のタングステン 182 信号が希薄になったことを反映しています。その混合は、プレート テクトニクスが始まったことを示しています。
地球は、アイスランドのような火山島が点在する水の世界から、山、川、氾濫原、湖、浅い海のある大陸の世界へと急速に変化します。
人生のために作られた新しい世界
約 32 億年前という開始日は、プレート テクトニクスが地球上の生命にどのような影響を与えたかを明らかにするのに役立ちます。
生命は 39 億年以上前に始まり、34 億 8000 万年前までにストロマトライトと呼ばれるピルバラの堆積物にハンモック状の小さな積み重ねを作っていました。これは、プレート テクトニクスが生命の最も基本的なレベルでの前提条件ではないことを示しています。しかし、プレート テクトニクスが進行すると同時に生命が多様化したのは、おそらく偶然ではありません。
プレートテクトニクスにより、大陸の岩石から風化した栄養素で肥沃な浅い太陽に照らされた海と湖ができました.細菌はこれらの環境で進化し、光合成によって太陽光を取り込み、酸素を生成しました。
さらに 5 億年の間、この酸素は、鉄やその他の化学物質とすぐに反応したため、ほとんど空にとどまりませんでした。また、光合成で生成されるすべての酸素分子は炭素原子と一致し、炭素が埋められない限り、大気中の酸素の純増を伴わずに、これらは容易に二酸化炭素に再結合します。
しかし、プレート テクトニクスは徐々に、より多くの炭素を埋める土地と堆積物を提供しました (同時に、光合成バクテリアを刺激するためのリンも大量に提供しました)。大気は最終的に 24 億年前に酸素化されました。
酸素は、植物、動物、および酸素ベースの代謝を持つ他のほとんどすべての出現のために地球を設定しました.微生物よりも大きくて複雑な生命は、より多くのエネルギーを必要とし、生物は、酸素なしでできるよりも、酸素を使用して ATP と呼ばれる重要なエネルギー運搬分子をはるかに多く作ることができます。マサチューセッツ工科大学の Athena Eyster 氏は次のように述べています。
複雑化への進歩は、超大陸ヌナ・ロディニアの約 10 億年の治世である「退屈な 10 億」時代に行き詰まりました。大陸が行き詰まると、北京大学の Ming Tang と同僚は、山が完全に浸食され、海への栄養素の流れが減少し、酸素レベルが低下したと主張しています。
最終的に超大陸は分裂し、新しい山々が成長して再び栄養素を輸出しました.約 6 億年前に初めて、複雑な生物が多様化して大きくなり、地球の 2 度目の酸素上昇に乗りました。
5 億 4000 万年前に海洋で複雑な動物が爆発し、その後すぐに陸上で爆発しました。成層圏の酸素がオゾンを形成し、紫外線から陸上生物を保護したため、乾燥した土地は居住可能になりました.
「おそらく、プレートテクトニクスのない始生代の世界に類似した惑星が他にもたくさんある可能性がありますが、プレートテクトニクスのない惑星で複雑な生命を持つことははるかに難しいかもしれません。 」
火星を考えてみましょう。火星と地球は、最初の 10 億年間は非常によく似ていました。しかし、火星はプレート テクトニクスを発達させませんでした。おそらく、火星は地球よりも小さいため、内圧が大規模なマントル対流を引き起こすには不十分でした。代わりに、モバイル プレートの形成を助長しない厚い地殻が急速に発達しました。今日、火星は赤く錆びており、地表水はほとんどなく、磁場もなく、大気も乏しい。
しかし、プレート テクトニクスは地球の運命でもあったかもしれません。
