Aktiviteten hos den fasta jorden – till exempel, vulkaner i Java, jordbävningar i Japan, etc.—är väl förstådd inom ramen för den ~50-åriga teorin om plattektonik. Denna teori hävdar att jordens yttre skal (Jordens "litosfär") är uppdelat i plattor som rör sig i förhållande till varandra, koncentrerar mest aktivitet längs gränserna mellan plattorna. Det kan vara förvånande, sedan, att det vetenskapliga samfundet inte har någon fast uppfattning om hur plattektoniken började. Den här månaden, ett nytt svar har lagts fram av Dr Alexander Webb vid avdelningen för jord- och planetvetenskap och laboratorium för rymdforskning vid University of Hong Kong, i samarbete med ett internationellt team i en artikel publicerad i Naturkommunikation . Webb fungerar som motsvarande författare på det nya verket.

Dr. Webb och hans team föreslog att det tidiga jordskalet värmdes upp, vilket orsakade expansion som genererade sprickor. Dessa sprickor växte och smälte samman till ett globalt nätverk, dela upp det tidiga jordens skal i plattor. De illustrerade denna idé genom en serie numeriska simuleringar, med hjälp av en brottmekanisk kod utvecklad av tidningens första författare, Professor Chunan Tang vid Dalian University of Technology. Varje simulering spårar spänningen och deformationen som upplevs av ett termiskt expanderande skal. Skalen kan i allmänhet motstå cirka 1 km termisk expansion (Jordens radie är ~6371 km), men ytterligare expansion leder till sprickinitiering och snabb etablering av det globala spricknätverket (Figur 1).

Även om den här nya modellen är enkel nog - jordens tidiga skal värmdes upp, expanderat, och spruckna-ytligt sett liknar den här modellen långdiskrediterade idéer och kontrasterar med grundläggande fysiska föreskrifter för jordvetenskap. Före den platttektoniska revolutionen på 1960-talet, Jordens aktiviteter och fördelningen av hav och kontinenter förklarades av en mängd olika hypoteser, inklusive den så kallade expanderande jordhypotesen. Armaturer som Charles Darwin hävdade att stora jordbävningar, bergsbyggnad, och fördelningen av landmassor ansågs vara resultatet av jordens expansion. Dock, eftersom jordens största inre värmekälla är radioaktivitet, och det kontinuerliga sönderfallet av radioaktiva grundämnen innebär att det finns mindre tillgänglig värme när tiden går framåt, termisk expansion kan anses vara mycket mindre sannolik än dess motsats:termisk sammandragning. Varför, sedan, tror Dr Webb och hans kollegor att den tidiga jordens litosfär upplevde termisk expansion?

"Svaret ligger i beaktande av stora värmeförlustmekanismer som kunde ha inträffat under jordens tidiga perioder, " sa Dr Webb. "Om vulkanisk advektion, transportera hett material från djupet till ytan, var det huvudsakliga sättet för tidig värmeförlust, som förändrar allt." Vulkanismens dominans skulle ha en oväntat kylande effekt på jordens yttre skal, som dokumenterats i Dr. Webb och medförfattare Dr. William Moores tidigare arbete (publicerat i Natur under 2013).

Detta beror på att nytt hett vulkaniskt material som tagits från jordens djup skulle ha avsatts som kallt material vid ytan – värmen skulle gå förlorad till rymden. Utrymningen på djupet och upphopningen vid ytan skulle så småningom ha krävt att ytmaterialet sjönk, för kallt material nedåt. Denna ständiga nedåtgående rörelse av kallt ytmaterial skulle ha haft en kylande effekt på den tidiga litosfären. Eftersom jorden svalnade överlag, värmeproduktionen och motsvarande vulkanism skulle ha avtagit. På motsvarande sätt, den nedåtgående rörelsen av litosfären skulle ha avtagit med tiden, och därmed även när planeten svalnade, den kylda litosfären skulle ha blivit alltmer uppvärmd via ledning från varmt djupt material nedanför. Denna uppvärmning skulle ha varit källan till den termiska expansionen som åberopades i den nya modellen. Den nya modelleringen visar att om jordens fasta litosfär är tillräckligt termiskt expanderad, det skulle spricka, och den snabba tillväxten av ett spricknätverk skulle dela upp jordens litosfär i plattor.

Dr. Webb och hans kollegor fortsätter att utforska den tidiga utvecklingen av vår planet, och andra planeter och månar i solsystemet, via integrerad fältbaserad, analytisk, och teoretiska studier. Deras fältbaserade utforskningar tar dem till avlägsna platser i Australien, Grönland, och Sydafrika; deras analytiska forskning undersöker kemin hos gamla bergarter och deras mineralkomponenter; och deras teoretiska studier simulerar olika föreslagna geodynamiska processer. Tillsammans, dessa studier klipper bort ett av planetvetenskapens största återstående mysterier:Hur och varför gick jorden från en smält boll till plattektonik?