Gamla, vidsträckta områden av kontinental skorpa som kallas kratoner har hjälpt till att hålla jordens kontinenter stabila i miljarder år, även när landmassor skiftar, berg reser sig och hav bildas. En ny mekanism som föreslagits av forskare från Penn State kan förklara hur kratonerna bildades för cirka 3 miljarder år sedan, en bestående fråga i studiet av jordens historia.

Forskarna rapporterar i tidskriften Nature att kontinenterna kanske inte har kommit fram ur jordens hav som stabila landmassor, vars kännetecken är en övre skorpa berikad med granit. Snarare utlöste färsk sten för vind och regn för cirka 3 miljarder år sedan en serie geologiska processer som i slutändan stabiliserade jordskorpan – vilket gjorde det möjligt för jordskorpan att överleva i miljarder år utan att förstöras eller återställas.

Fynden kan representera en ny förståelse för hur potentiellt beboeliga, jordliknande planeter utvecklas, sa forskarna.

"För att göra en planet som jorden måste du göra kontinental skorpa, och du måste stabilisera den skorpan", säger Jesse Reimink, biträdande professor i geovetenskap vid Penn State och författare till studien. "Forskare har tänkt på dessa som samma sak – kontinenterna blev stabila och dök sedan upp över havet. Men vad vi säger är att dessa processer är separata."

Kratoner sträcker sig mer än 150 kilometer, eller 93 miles, från jordens yta till den övre manteln – där de fungerar som kölen på en båt och håller kontinenterna flytande vid eller nära havsnivån över geologisk tid, sa forskarna.

Vitring kan i slutändan ha koncentrerat värmeproducerande element som uran, torium och kalium i den grunda skorpan, vilket gör att den djupare skorpan kan svalna och hårdna. Denna mekanism skapade ett tjockt, hårt lager av sten som kan ha skyddat kontinenternas bottnar från att deformeras senare - ett karakteristiskt kännetecken för kratonger, sa forskarna.

"Receptet för att tillverka och stabilisera kontinental skorpa innebär att koncentrera dessa värmeproducerande element - som kan ses som små värmemotorer - mycket nära ytan", säger Andrew Smye, docent i geovetenskap vid Penn State och författare till boken. studie. "Du måste göra det eftersom varje gång en atom av uran, torium eller kalium sönderfaller, frigör den värme som kan öka temperaturen på skorpan. Varm skorpa är instabil – den är benägen att deformeras och kommer inte att fastna."

När vind, regn och kemiska reaktioner bröt ner stenar på de tidiga kontinenterna, sköljdes sediment och lermineraler ut i bäckar och floder och fördes till havet där de skapade sedimentära avlagringar som skiffer med höga koncentrationer av uran, torium och kalium. sa forskare.

Kollisioner mellan tektoniska plattor begravde dessa sedimentära bergarter djupt i jordskorpan där radiogen värme som frigjordes av skiffern utlöste smältning av den nedre skorpan. Smältorna var flytande och steg tillbaka till den övre skorpan och fångade de värmeproducerande elementen där i stenar som granit och lät den nedre skorpan svalna och stelna.

Kratoner tros ha bildats för mellan 3 och 2,5 miljarder år sedan – en tid då radioaktiva grundämnen som uran skulle ha sönderfallit i en hastighet ungefär dubbelt så snabbt och släppt ut dubbelt så mycket värme som idag.

Arbetet belyser att den tid då kratonerna bildades på den tidiga mellanjorden var unikt lämpad för de processer som kan ha lett dem till att bli stabila, sa Reimink.

"Vi kan tänka på detta som en planetarisk evolutionsfråga," sa Reimink. "En av nyckelingredienserna du behöver för att skapa en planet som jorden kan vara uppkomsten av kontinenter relativt tidigt i dess livslängd. Eftersom du kommer att skapa radioaktiva sediment som är väldigt varma och som producerar ett riktigt stabilt område av kontinental skorpa som lever precis runt havsnivån och är en fantastisk miljö för att sprida liv."

Forskarna analyserade uran-, torium- och kaliumkoncentrationer från hundratals prover av stenar från arkeiska perioden, när kratonerna bildades, för att bedöma den radiogena värmeproduktiviteten baserat på faktiska stensammansättningar. De använde dessa värden för att skapa termiska modeller för kratonbildning.

"Tidigare har människor tittat på och övervägt effekterna av att förändra radiogen värmeproduktion över tiden," sa Smye. "Men vår studie kopplar stenbaserad värmeproduktion till uppkomsten av kontinenter, genereringen av sediment och differentieringen av kontinental skorpa."

Vanligtvis finns i det inre av kontinenter, kratonger innehåller några av de äldsta stenarna på jorden, men är fortfarande utmanande att studera. I tektoniskt aktiva områden kan bildandet av bergsbälten föra upp stenar som en gång begravts djupt under jorden till ytan.

Men ursprunget till kratonerna förblir djupt under jorden och är otillgängliga. Forskarna sa att framtida arbete kommer att involvera provtagning av antika interiörer av kratonger och, kanske, borrning av kärnprover för att testa deras modell.

"Dessa metamorfoserade sedimentära bergarter som har smält och producerat graniter som koncentrerar uran och torium är som black box flight recorders som registrerar tryck och temperatur," sa Smye. "Och om vi kan låsa upp det arkivet kan vi testa vår modells förutsägelser för den kontinentala jordskorpans flygbana."

Mer information: Jesse Reimink, subaerial vittring drev stabilisering av kontinenter, Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07307-1. www.nature.com/articles/s41586-024-07307-1

Journalinformation: Natur

Tillhandahålls av Pennsylvania State University