Раньше, чем ожидалось: 3,25 миллиарда лет назад на Земле было стабильное геодинамо и магнитное поле, а также произошла первая смена полярности. Об этом свидетельствуют образцы горных пород из кратона Пилбара в Австралии, возраст которых составляет от 3,34 до 3,18 миллиарда лет. Они также предполагают, что в то время уже существовала активная тектоника плит с относительно быстрыми сдвигами земных плит. Оба вместе указывают на то, что наша планета была геофизически относительно современной более трех миллиардов лет назад.
Магнитное поле Земли является нашей самой важной защитой от жестких космических лучей и имеет решающее значение для пригодности нашей планеты для жизни. Но с каких пор это существует? планетарный щит? Согласно современной теории, стабильное земное магнитное поле возникло только тогда, когда затвердело внутреннее ядро Земли, и таким образом были созданы предпосылки для геодинамо. До сих пор, однако, оспаривается, когда это произошло: одни исследования говорят о затвердевании в первые дни существования земли, другие только 1,3 миллиарда лет назад или даже первый 550 миллионов лет назад.
Магнитное поле перед геодинамо?
Проблема: чтобы доказать существование магнитного поля в более ранние геологические эпохи, вам нужны породы той эпохи, а они очень редко встречаются на поверхности Земли сегодня. Тем не менее, уже были некоторые измерения, указывающие на намагниченность горных пород возрастом более трех миллиардов лет. В начале 2020 года кристаллы циркония даже предоставили доказательства того, что первое магнитное поле уже было 4,2 миллиарда лет назад могло пройти.
Но это означало бы, что это первое, изначальное магнитное поле должно было существовать до геодинамо. Потому что более четырех миллиардов лет назад внутреннее ядро Земли не могло быть твердым — недра молодой Земли были еще слишком горячими для этого. Поэтому некоторые ученые постулируют другие, экзотические для того времени формы индукции магнитного поля.
Магнитное поле уже 3,34 миллиарда лет назад
Новые данные измерений теперь обеспечивают большую ясность. Для своего исследования Алек Бреннер из Гарвардского университета и его коллеги изучили образцы горных пород из восточной части кратона Пилбара в Австралии — одного из старейших и наиболее стабильных горных образований на Земле — возраст которых составляет от 3,43 до 3,18 миллиарда лет. Команда извлекла керны из породы, когда-то образовавшейся в результате извержений вулканов, и определила силу и направление намагниченности в различных слоях.
Анализы показали, что Земля должна была иметь ярко выраженное дипольное магнитное поле более трех миллиардов лет назад. Исследователям удалось обнаружить остатки соответствующей намагниченности как в кернах перфоратора, так и в отдельных зернах магнетита из образцов.
Самое старое доказательство обращения магнитного поля
Данные измерений также показали, что магнитное поле ранней Земли должно было испытать изменение полярности около 3,25 миллиарда лет назад — обмен магнитными северными и южными полюсами. «Это старейшее свидетельство смены геомагнитной полярности и старейшее прямое испытание геометрии магнитного поля Земли», — сообщают Бреннер и его команда. «Это изменение полярности произошло на 480 миллионов лет раньше, чем предыдущие достоверные свидетельства таких событий».
По мнению ученых, это свидетельствует о том, что еще 3,25 миллиарда лет назад Земля обладала стабильным дипольным полем с геодинамо и во многом «современным» поведением, включая периодическую инверсию полюсов. Только за последние 80 миллионов лет могло произойти 183 таких смены полярности и более коротких прыжков с полюса. Новые данные теперь предполагают, что магнитное поле Земли имело тенденцию к такой инверсии полярности даже в первые дни своего существования.
Свидетельства ранней тектоники плит
Но магнитные измерения образцов Пилбара также дают новую информацию о втором геодинамическом процессе: тектонике плит. До сих пор также оспаривается, когда именно это началось и как. Тонкие изменения в ориентации магнита в образцах горных пород Пилбара теперь показывают, что даже когда магнитное поле было стабильным по полярности, были небольшие сдвиги в намагниченности горных пород, которые увеличивались с течением времени. Они указывают на постепенное дрейфование кратона Пилбара по поверхности Земли — раннюю тектонику плит.
В частности, измерения показали: «Во-первых, от 3,34 до 3,35 миллиарда лет назад Восточная Пилбара дрейфовала на север со скоростью около 0,55 градуса за миллион лет», — сообщили Бреннер и его команда. Таким образом, это горное образование двигалось со скоростью около 6,1 сантиметра в год — даже по стандартам сегодняшней тектоники плит это относительно быстро. Вторая фаза последовала 3,25 миллиарда лет назад, когда Восточная Пилбара больше не меняла свою широту, а вместо этого вращалась против часовой стрелки.
Геодинамически удивительно “современный”
Из этих результатов исследователи делают вывод, что у Земли в то время было не только магнитное поле, но и настоящая тектоника плит. Потому что альтернативные гипотезы не могут объяснить, как земная кора могла двигаться так быстро. Это возможно только в том случае, если уже существовали тектонические плиты и мантийная конвекция, основанная на современной модели. «Дифференциальное движение внутри подвижной крышки земной коры — единственный механизм, совместимый с этими выводами», — заявляют Бреннер и его команда.
В совокупности это означает: «Наши данные рисуют картину ранней Земли, которая уже была геодинамически зрелой», — говорит Бреннер. «В ней уже были те же динамические процессы, которые и по сей день придают нашей планете стабильные условия — и которые когда-то позволили зародиться и развиваться жизни».
Теперь исследователи хотят искать другие, еще более старые образцы горных пород в кратоне Пилбара. Их анализ может затем предоставить еще больше информации о том, когда началось земное геодинамо и когда началась тектоника плит. (Известия Национальной академии наук, 2022; doi: 10.1073/pnas.2210258119)
Quelle: Гарвардский университет
