أظهرت دراسة جديدة أجراها باحثون في ولاية بنسلفانيا أن الهياكل القديمة التي تعمل على استقرار قارات الأرض تشكلت من خلال عمليات بدأت بسبب التجوية الجوية للصخور منذ حوالي 3 مليارات سنة، وليس فقط ظهور كتل أرضية مستقرة. وهذا يتحدى المفاهيم التقليدية وله آثار على فهم تطور الكواكب والظروف المؤدية إلى الحياة.

لقد ساعدت المناطق القديمة والواسعة من القشرة القارية التي تسمى الكراتونات على استقرار قارات الأرض على مدى مليارات السنين من خلال التكتونيات وتكوين الجبال وارتفاع المحيطات. سلط علماء ولاية بنسلفانيا الضوء على سؤال طويل الأمد في التاريخ الجيولوجي للأرض، واقترحوا آلية جديدة يمكن أن تفسر تكوين الكراتونات قبل حوالي 3 مليارات سنة.

أفاد العلماء في المجلة طبيعة ولم تنشأ القارات من محيطات الأرض ككتلة أرضية مستقرة تتميز بقشرة عليا غنية بالجرانيت. وبدلا من ذلك، أدى تعرض الصخور الجديدة للرياح والأمطار منذ حوالي 3 مليارات سنة إلى سلسلة من العمليات الجيولوجية التي أدت في النهاية إلى استقرار القشرة، مما سمح للقشرة بالبقاء على قيد الحياة لمليارات السنين دون تدميرها أو إعادة ضبطها.

وقال العلماء إن النتائج قد تعني فهمًا جديدًا لكيفية تشكل الكواكب الشبيهة بالأرض الصالحة للسكن.

الآثار المترتبة على تطور الكواكب

وقال جيسي رايمينغ، الأستاذ المساعد في علوم الأرض في ولاية بنسلفانيا ومؤلف الدراسة: “لصنع كوكب شبيه بالأرض، عليك إنشاء قشرة قارية، وعليك تثبيت تلك القشرة”. “لقد اعتقد العلماء أن هذه هي نفس الشيء – أصبحت القارات مستقرة ثم ظهرت فوق مستوى سطح البحر. ولكن ما نقوله هو أن تلك العمليات منفصلة.

وقال العلماء إن الكراتونات تمتد أكثر من 150 كيلومترًا، أو 93 ميلًا، من سطح الأرض إلى الوشاح العلوي، حيث تعمل مثل عارضة القارب، وتبقي القارات طافية عند مستوى سطح البحر أو بالقرب منه طوال الزمن الجيولوجي.

يؤدي التجوية في النهاية إلى تراكم العناصر المولدة للحرارة مثل اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم في القشرة الضحلة، مما يسمح للقشرة العميقة بالتبريد والتصلب. وقال العلماء إن هذه الآلية خلقت طبقة سميكة وصلبة من الصخور ربما تكون قد حمت قيعان القارات من التآكل اللاحق، وهي سمة مميزة للكراتونات.

العمليات الجيولوجية وتوليد الحرارة

وقال أندرو سمي، الأستاذ المساعد في علوم الأرض في ولاية بنسلفانيا ومؤلف الورقة البحثية: “إن وصفة صنع القشرة القارية وتثبيتها تتضمن تركيز هذه العناصر المولدة للحرارة – والتي يُعتقد أنها محركات حرارية صغيرة – بالقرب من السطح”. يذاكر “عليك أن تفعل ذلك لأنه في كل مرة أ ذرة يتحلل اليورانيوم أو الثوريوم أو البوتاسيوم، ويطلق حرارة يمكن أن تزيد من درجة حرارة القشرة. القشرة الساخنة غير مستقرة، فهي تتشوه ولا تلتصق.”

عندما أدت الرياح والأمطار والتفاعلات الكيميائية إلى تفتيت الصخور في القارات المبكرة، انجرفت الرواسب والمعادن الطينية إلى الجداول والأنهار وحملت إلى المحيط، حيث شكلت رواسب رسوبية مثل الصخر الزيتي مع تركيزات عالية من اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم. قال العلماء.

هذه الصخور المتحولة القديمة، والتي تسمى النيس، والتي تم العثور عليها على طول ساحل القطب الشمالي تمثل جذور القارات المكشوفة الآن على السطح. وقال العلماء إن الصخور الرسوبية المتشابكة في هذا النوع من الصخور توفر محركًا حراريًا لتحقيق الاستقرار في القارات. الائتمان: جيسي ريمينج

أدت الاصطدامات بين الصفائح التكتونية إلى دفن هذه الصخور الرسوبية في أعماق القشرة الأرضية، حيث أدت الحرارة الإشعاعية الصادرة عن الصخر الزيتي إلى ذوبان القشرة السفلية. يبرد المنصهر وينتقل إلى القشرة العليا، محصورًا العناصر المولدة للحرارة في الصخور مثل الجرانيت، مما يسمح للقشرة السفلية بالتبريد والتصلب.

يُعتقد أن الكراتونات قد تشكلت قبل ما بين 3 إلى 2.5 مليار سنة، حيث كانت العناصر المشعة مثل اليورانيوم تتحلل بسرعة مضاعفة وتطلق حرارة تعادل ضعف ما هي عليه اليوم.

وقال رايمنج إن العمل يسلط الضوء على أن توقيت تكوين الكراتونات في أوائل الأرض الوسطى كان مناسبًا بشكل فريد للعمليات التي أدت إلى استقرارها.

وقال رايمنج: “يمكننا أن نفكر في هذا باعتباره مسألة تطور كوكبي”. “أحد المكونات الرئيسية التي تحتاجها لإنشاء كوكب مثل الأرض هو على الأرجح تكوين القارات في وقت مبكر من حياتها. لأنك ستخلق رواسب مشعة شديدة الحرارة وستخلق مسارًا مستقرًا جدًا للقشرة القارية حول مستوى سطح البحر.” هذه بيئة رائعة لنمو الحياة.

وقام الباحثون بتحليل تركيزات اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم من مئات العينات الصخرية من العصر الأركي، عندما تشكلت الكراتونات، لتقدير إنتاجية الحرارة الإشعاعية بناءً على التركيبات الصخرية الفعلية. واستخدموا هذه القيم لتطوير نماذج حرارية لتكوين الكراتون.

وقال سمي: “في وقت سابق، نظر الناس ونظروا في آثار تغيير إنتاج الحرارة الإشعاعية مع مرور الوقت”. “لكن دراستنا تربط بين توليد الحرارة في الصخور وأصل القارات، وتكوين الرواسب وتمايز القشرة القارية.”

توجد الكراتونات بشكل شائع في المناطق الداخلية من القارات، وتحتوي على بعض أقدم الصخور على الأرض، لكن دراستها صعبة. في المناطق النشطة تكتونيا، يمكن أن يؤدي تكوين الحزام الجبلي إلى جلب الصخور التي كانت مدفونة في أعماق الأرض إلى السطح.

لكن أصل الكراتونات موجود في أعماق الأرض ولا يمكن الوصول إليه. وقال العلماء إن العمل المستقبلي سيشمل نمذجة التصميمات الداخلية القديمة للكراتونات وحفر عينات أساسية لاختبار نموذجهم.

وقال سمي: “هذه الصخور الرسوبية المتحولة التي ذابت وأنتجت الجرانيت المخصب باليورانيوم والثوريوم تشبه مسجلات طيران الصندوق الأسود التي تسجل الضغط ودرجة الحرارة”. “وإذا تمكنا من فتح هذا الأرشيف، فيمكننا اختبار توقعات نموذجنا لمسار رحلة القشرة القارية.”

ملاحظة: جيسي ر. رايمنج وأندرو ج. سمي، 8 مايو 2024، “الطقس شبه الواقعي أدى إلى استقرار القارات” طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07307-1

تم تمويل هذا العمل من قبل ولاية بنسلفانيا ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية.