Posa delle basi geologiche per la vita sulla Terra – Tettonica delle prime placche, capovolgimento dei poli geomagnetici

Cutaway della Terra iniziale che evidenzia i principali processi geodinamici

Uno spaccato interno della Terra primordiale che evidenzia i suoi principali processi geodinamici. Le linee del campo magnetico sono disegnate in blu e rosso emanate dal nucleo liquido che le ha generate, mentre le forze tettoniche delle placche riorganizzano la superficie e svolgono un ruolo nella circolazione agitata del mantello roccioso sottostante. Credito: Alec Brenner

La ricerca condotta dall’Università di Harvard offre una nuova e più nitida prova della prima tettonica a placche e del ribaltamento dei poli geomagnetici.

Nuove prove indicano il ruolo della tettonica a zolle nel primo rilascio di calore interno da parte della Terra e nello scambio dei poli geomagnetici.

Alcune delle prove più evidenti che la crosta terrestre stesse spingendo e tirando in modo simile alla moderna tettonica a placche almeno 3,25 miliardi di anni fa sono state rivelate da una nuova ricerca che ha analizzato pezzi delle rocce più antiche del pianeta. Inoltre, lo studio fornisce la prima prova di quando i poli magnetici nord e sud del pianeta si sono scambiati di posto. I due risultati offrono indizi su come tali cambiamenti geologici possano aver portato a un ambiente più favorevole all’emergere della vita sul nostro pianeta.

Descritto nel diario PNAS il 24 ottobre e guidato dai geologi di Harvard Alec Brenner e Roger Fu, il lavoro si è concentrato su una porzione del cratere Pilbara nell’Australia occidentale. Questo è uno dei pezzi più antichi e stabili della crosta terrestre. Utilizzando tecniche e attrezzature all’avanguardia, gli scienziati mostrano che alcune delle prime superfici della Terra si muovevano a una velocità di 6,1 centimetri (2,4 pollici) all’anno e di 0,55 gradi ogni milione di anni.

Quella velocità è più del doppio della velocità che l’antica crosta si muoveva in uno studio precedente degli stessi ricercatori. Sia la velocità che la direzione di questa deriva latitudinale lasciano la tettonica a placche come la spiegazione più logica e più forte per essa.

“C’è molto lavoro che sembra suggerire che all’inizio della storia della Terra la tettonica a placche non fosse in realtà il modo dominante in cui il calore interno del pianeta viene rilasciato, come lo è oggi, attraverso lo spostamento delle placche”, ha affermato Brenner, un Ph. .D. candidato alla Graduate School of Arts and Sciences e membro del Paleomagnetics Lab di Harvard. “Questa prova ci consente di escludere con molta più sicurezza spiegazioni che non coinvolgono la tettonica a placche”.

Pilbara Craton nell'Australia occidentale

I geologi Alec Brenner e Roger Fu si sono concentrati su una porzione del cratone Pilbara nell’Australia occidentale, uno dei pezzi più antichi e stabili della crosta terrestre. Credito: Foto di Roger Fu

Ad esempio, i ricercatori possono ora argomentare contro fenomeni chiamati “vero giro polare” e “tettonica palpebrale stagnante”, che possono entrambi causare lo spostamento della superficie terrestre ma non fanno parte della tettonica a placche in stile moderno. Poiché il tasso di velocità più elevato scoperto di recente non è coerente con gli aspetti di questi due processi, i risultati si orientano maggiormente verso il movimento tettonico delle placche.

Nel documento, gli autori descrivono anche quella che si ritiene essere la prova più antica di quando la Terra ha invertito i suoi campi geomagnetici, il che significa che le posizioni magnetiche del Polo Nord e Sud sono state capovolte. Questo tipo di infradito è un evento comune nella storia geologica della Terra. Infatti, secondo la NASA, i poli si sono invertiti 183 volte negli ultimi 83 milioni di anni e forse diverse centinaia di volte negli ultimi 160 milioni di anni.

L’inversione dice molto sul campo magnetico del pianeta 3,2 miliardi di anni fa. La chiave tra le implicazioni è che il campo magnetico era probabilmente stabile e abbastanza forte da impedire ai venti solari di erodere l’atmosfera. Questa intuizione, combinata con i risultati sulla tettonica a zolle, offre indizi sulle condizioni in cui si sono sviluppate le prime forme di vita.

“Dipinge questo quadro di una Terra primordiale che era già davvero geodinamicamente matura”, ha detto Brenner. “Aveva molti degli stessi tipi di processi dinamici che si traducono in una Terra che ha condizioni ambientali e di superficie essenzialmente più stabili, rendendo più fattibile l’evoluzione e lo sviluppo della vita”.

Oggi, il guscio esterno della Terra è costituito da circa 15 blocchi mobili di crosta, o placche, che contengono i continenti e gli oceani del pianeta. Nel corso degli eoni le placche si sono spostate l’una nell’altra e si sono separate, formando nuovi continenti e montagne ed esponendo nuove rocce all’atmosfera, il che ha portato a reazioni chimiche che hanno stabilizzato la temperatura della superficie terrestre per miliardi di anni.

È difficile trovare prove dell’inizio della tettonica a placche perché i pezzi di crosta più antichi vengono spinti nel mantello interno, per non riemergere mai. Solo il 5% di tutte le rocce sulla Terra ha più di 2,5 miliardi di anni e nessuna roccia è più vecchia di circa 4 miliardi di anni.

Nel complesso, lo studio si aggiunge alla crescente ricerca che mostra che il movimento tettonico si è verificato relativamente presto nei 4,5 miliardi di anni di storia della Terra e che le prime forme di vita si sono verificate in un ambiente più moderato. Nel 2018, i membri del progetto hanno rivisitato il Pilbara Craton, che si estende per circa 300 miglia di diametro. Hanno perforato la spessa lastra di crosta primordiale per raccogliere campioni che, a Cambridge, sono stati analizzati per la loro storia magnetica.

Utilizzando magnetometri, apparecchiature di smagnetizzazione e il microscopio Quantum Diamond, che riproduce i campi magnetici di un campione e identifica con precisione la natura delle particelle magnetizzate, i ricercatori hanno creato una suite di nuove tecniche per determinare l’età e il modo in cui i campioni sono stati magnetizzati. Ciò consente ai ricercatori di determinare come, quando e in quale direzione si è spostata la crosta, nonché l’influenza magnetica proveniente dai poli geomagnetici della Terra.

Il Quantum Diamond Microscope è stato sviluppato in collaborazione tra ricercatori di Harvard nei Dipartimenti di Scienze della Terra e Planetari (EPS) e di Fisica.

Per studi futuri, Fu e Brenner hanno in programma di mantenere la concentrazione sul cratone di Pilbara, guardando anche oltre ad altre antiche croste in tutto il mondo. Sperano di trovare prove più antiche del movimento delle placche di tipo moderno e quando i poli magnetici della Terra si sono capovolti.

“Finalmente essere in grado di leggere in modo affidabile queste rocce molto antiche apre così tante possibilità per osservare un periodo di tempo che spesso è conosciuto più attraverso la teoria che i dati solidi”, ha affermato Fu, professore di EPS alla Facoltà di Lettere e Scienze. “In definitiva, abbiamo una buona possibilità di ricostruire non solo quando le placche tettoniche hanno iniziato a muoversi, ma anche come i loro movimenti – e quindi i processi interni profondi della Terra che le guidano – sono cambiati nel tempo”.

Riferimento: “Plate motion and a dipolar geomagnetic field at 3.25 Ga” di Alec R. Brenner, Roger R. Fu, Andrew RC Kylander-Clark, George J. Hudak e Bradford J. Foley, 24 ottobre 2022, Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.
DOI: 10.1073/pnas.2210258119

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