تتضمن الصفائح التكتونية الحركة الأفقية والتفاعل بين الصفائح الكبيرة على سطح الأرض. يشير بحث جديد إلى أن حركة الصفائح التكتونية – تحريك الأرض قبل 3.9 مليار سنة – كان يُعتقد أنها ضرورية لخلق كوكب صالح للسكن. الائتمان: جامعة روتشستر التوضيح / مايكل أوساتسيف

وجدت دراسة أجرتها جامعة روتشستر باستخدام بلورات الزركون أن الصفائح التكتونية كانت غير نشطة خلال الوقت الذي ظهرت فيه الحياة لأول مرة على الأرض. في المقابل ، تطلق آلية “الغطاء الراكد” الحرارة من خلال الشقوق السطحية. يتحدى هذا الاكتشاف الاعتقاد التقليدي بأن الصفائح التكتونية ضرورية لأصل الحياة ، ويمكن أن تحدث ثورة في فهمنا للظروف اللازمة للحياة على الكواكب الأخرى.

يسعى العلماء مرة أخرى إلى حل ألغاز تاريخ الأرض المبكر ، باستخدام بلورات معدنية صغيرة تسمى الزركون لدراسة الصفائح التكتونية منذ مليارات السنين. يلقي البحث الضوء على الظروف التي كانت سائدة على الأرض في وقت مبكر ، ويكشف عن تفاعل معقد بين قشرة الأرض ، ولبها ، وأصل الحياة.

تسمح الصفائح التكتونية للحرارة من باطن الأرض بالهروب إلى السطح ، مما يخلق القارات والسمات الجيولوجية الأخرى. وفقًا لذلك ، قال جون تارتونو ، الذي يدرس في قسم علوم الأرض والبيئة بجامعة روتشستر ، “كان هناك افتراض بأن الصفائح التكتونية ضرورية للحياة ، لكن الأبحاث الجديدة تلقي بظلال من الشك على هذا الافتراض.

داردونو ، وليام ر. كنان ، أستاذ الجيوفيزياء المبتدئ ، هو المؤلف الرئيسي للورقة البحثية التي نُشرت في المجلة طبيعة تعود دراسة الصفائح التكتونية إلى 3.9 مليار سنة مضت ، عندما يعتقد العلماء أن أولى آثار الحياة ظهرت على الأرض. وجد الباحثون أن الصفائح التكتونية المتنقلة لم تحدث خلال هذا الوقت. بدلاً من ذلك ، اكتشفوا أن الأرض تنبعث منها حرارة فيما يعرف بنظام الغطاء الراكد. تشير النتائج إلى أنه على الرغم من أن الصفائح التكتونية كانت عاملاً مهمًا في الحفاظ على الحياة على الأرض ، إلا أنه لم يكن من الضروري أن تنشأ الحياة على كوكب أرضي.

يقول تارتونو: “وجدنا أنه لم يكن هناك صفائح تكتونية عندما كان يعتقد أن الحياة قد نشأت لأول مرة ، ولم تكن هناك حركة تكتونية للصفائح لمئات الملايين من السنين بعد ذلك”. “تشير بياناتنا إلى أن الكواكب لا تحتوي بالضرورة على الصفائح التكتونية عندما نبحث عن الكواكب الخارجية التي تؤوي الحياة”.

انعطاف غير متوقع من دراسة الزركون

لم يدرس الباحثون الصفائح التكتونية أولاً.

يقول تاردونو: “لأننا كنا ندرس المجال المغناطيسي للأرض ، كنا ندرس مغنطة الزركون”.

الزركون عبارة عن بلورات صغيرة تحتوي على جزيئات مغناطيسية يمكن أن تنغلق في مغنطة الأرض في الوقت الذي تشكلت فيه الزركون. من خلال تأريخ الزركون ، يمكن للباحثين إنشاء جدول زمني يتتبع تطور المجال المغناطيسي للأرض.

تختلف قوة واتجاه المجال المغناطيسي للأرض باختلاف خط العرض. على سبيل المثال ، يكون المجال المغناطيسي الحالي أقوى عند القطبين وأضعف عند خط الاستواء. مع المعلومات حول الخصائص المغناطيسية للزركون ، يمكن للعلماء استنتاج خطوط العرض النسبية حيث تشكل الزركون. بمعنى ، إذا كانت كفاءة الجيودينامو – العملية التي تولد المجال المغناطيسي – ثابتة وتتغير شدة المجال خلال فترة زمنية ، فيجب أيضًا تغيير خط العرض الذي يتكون عنده الزركون.

لكن داردونو وفريقه وجدوا العكس: أشارت الزركون التي درسوها من جنوب إفريقيا إلى أنه منذ حوالي 3.9 إلى 3.4 مليار سنة ، لم تتغير قوة المجال المغناطيسي ، وكذلك خطوط العرض.

نظرًا لأن الصفائح التكتونية تنطوي على تغييرات في خطوط العرض لأشكال مختلفة من الأرض ، كما يقول تارتونو ، “لم تكن حركات الصفائح التكتونية تحدث في هذا الوقت ويجب أن تكون هناك طريقة أخرى للأرض لإزالة الحرارة”.

لتعزيز النتائج التي توصلوا إليها ، وجد الباحثون نفس الأنماط في الزركون التي درسوها في أستراليا الغربية.

يقول تاردونو: “نحن لا نقول إن الزركون تشكلت في نفس القارة ، ولكن يبدو أنها تشكلت على نفس خط العرض الثابت ، مما يعزز حجتنا بأنه لم تكن هناك حركة تكتونية للصفائح في هذا الوقت”.

تكتونيات الغطاء الراكد: بديل لتكتونية الصفائح

الأرض هي محرك حراري ، والصفائح التكتونية هي إطلاق الحرارة من الأرض. لكن الآلية الأخرى التي تتسرب بواسطتها الحرارة من باطن الكوكب لتكوين القارات والسمات الجيولوجية الأخرى هي تكتونيات الغطاء الراكدة ، التي تشقق سطح الأرض.

تتضمن الصفائح التكتونية الحركة الأفقية والتفاعل بين الصفائح الكبيرة على سطح الأرض. أفاد تاردونو وزملاؤه أنه في المتوسط ​​، تحركت الصفائح على الأقل 8500 كيلومتر (5280 ميل) في خط العرض على مدى 600 مليون سنة الماضية. في المقابل ، تصف الحركة التكتونية للغطاء الراكد كيف تتصرف القشرة الخارجية للأرض كغطاء راكد بدون حركة صفيحة أفقية نشطة. على العكس من ذلك ، تبقى الطبقة الخارجية في مكانها بينما يبرد الجزء الداخلي للكوكب. يمكن أن تتسبب الأعمدة الكبيرة من المواد المنصهرة المتكونة في باطن الأرض العميق في حدوث تشققات في الطبقة الخارجية. التورم التكتوني للغطاء ليس فعالًا مثل حركة الصفائح التكتونية في إطلاق الحرارة من قشرة الأرض ، ولكن لا يزال من الممكن أن يؤدي إلى تكوين القارات.

يقول تاردونو: “لم تكن الأرض المبكرة عبارة عن كوكب يموت فيه كل شيء على سطحه”. “كانت الأشياء لا تزال تحدث على سطح الأرض ؛ يظهر بحثنا أنها لا تحدث من خلال الصفائح التكتونية. كان لدينا ما يكفي من الدورات الجيوكيميائية التي توفرها عمليات الغطاء الراكد لتهيئة الظروف المناسبة لأصل الحياة “.

الحفاظ على كوكب صالح للعيش

الأرض هي الكوكب الوحيد الذي يختبر الصفائح التكتونية ، كما تفعل الكواكب الأخرى[{” attribute=””>Venus, experience stagnant lid tectonics, Tarduno says.

“People have tended to think that stagnant lid tectonics would not build a habitable planet because of what is happening on Venus,” he says. “Venus is not a very nice place to live: it has a crushing carbon dioxide atmosphere and sulfuric acid clouds. This is because heat is not being removed effectively from the planet’s surface.”

Without plate tectonics, Earth may have met a similar fate. While the researchers hint that plate tectonics may have started on Earth soon after 3.4 billion years, the geology community is divided on a specific date.

“We think plate tectonics, in the long run, is important for removing heat, generating the magnetic field, and keeping things habitable on our planet,” Tarduno says. “But, in the beginning, and a billion years after, our data indicates that we didn’t need plate tectonics.”

Reference: “Hadaean to Palaeoarchaean stagnant-lid tectonics revealed by zircon magnetism” by John A. Tarduno, Rory D. Cottrell, Richard K. Bono, Nicole Rayner, William J. Davis, Tinghong Zhou, Francis Nimmo, Axel Hofmann, Jaganmoy Jodder, Mauricio Ibañez-Mejia, Michael K. Watkeys, Hirokuni Oda and Gautam Mitra, 14 June 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06024-5

The team included researchers from four US institutions and institutions in Canada, Japan, South Africa, and the United Kingdom. The research was funded by the US National Science Foundation.