Massachusetts Institute of Technologyn geologit tutkivat materiaaleja, jotka olivat olemassa 4,5 miljardia vuotta sitten maapallon vaipan syvyyksissä.
Maan alkuperä kätkee yhä jännittäviä salaisuuksia . Kansainvälinen ryhmä, jota johti Massachusetts Institute of Technologyn geologit, löysi suoraa näyttöä koskemattomista materiaaleista ”proto-Maasta” – primitiivisestä planeetasta, joka oli olemassa noin 4,5 miljardia vuotta sitten .
Tulokset, jotka julkaistiin Nature Geosciences -lehdessä, antavat meille mahdollisuuden rekonstruoida aurinkokunnan varhaisten vaiheiden avainkomponentit ja tarjoavat uusia vihjeitä planeetan muodostumisesta.
Miljardeja vuosia sitten aurinkokunta oli pyörivä kiekko, joka koostui kaasusta ja pölystä. Nämä elementit kerääntyivät meteoriitteihin, jotka sitten sulautuivat yhteen muodostaen kehittyviä planeettoja.
Varhaisessa kehitysvaiheessaan Maa oli kivinen kappale, jota ympäröi laava. Alle 100 miljoonaa vuotta sen syntymän jälkeen siihen törmäsi Mars-kokoinen kappale, joka aiheutti ”jättimäisen iskun”, joka sulatti sen sisuksen kokonaan. Tämän törmäyksen uskottiin tuhonneen kaikki jäljet alkuperäisestä materiaalista. Kuitenkin muinaisista kivilajeista löydetty hiuksenhieno kemiallinen epätasapaino muuttaa tämän käsityksen radikaalisti.
Tutkijat ovat löytäneet kaliumin isotooppikoostumuksen syvistä, hyvin muinaisista kivilajeista , joka ei vastaa useimpien nykyisten maapallon kivilajien koostumusta. Tämä poikkeama ilmenee kalium-40-isotoopin puutteena, joka on harvinainen muoto tästä alkuaineesta.
Sen havaitsemiseksi tutkimusryhmä liuotti huolellisesti näytteitä Grönlannista, Kanadasta ja Havaijilta, erotti kaliumin ja mittasi tarkasti sen kolmen isotoopin suhteen massaspektrometrian avulla. Tulos oli yksiselitteinen: kivilajeissa on vähemmän kalium-40:tä kuin tavallisesti.
”Tämä on luultavasti ensimmäinen suora todiste siitä, että olemme säilyttäneet materiaalia esihistoriallisesta maapallosta”, sanoi Nicole Nie, apulaisprofessori Massachusettsin teknillisen yliopiston maapallon ja planeettojen tiedekunnassa. ”Näemme palan hyvin vanhaa maapalloa, joka oli olemassa jo ennen voimakasta törmäystä. Tämä on hämmästyttävää, koska voisi odottaa, että tämä hyvin varhainen jälki olisi vähitellen hävinnyt maapallon evoluution aikana”, hän lisäsi.
Tätä puutetta ei voida selittää tunnetuilla geologisilla prosesseilla tai myöhemmillä törmäyksillä. Analyysi osoittaa, että nämä näytteet ovat säilyttäneet alkuperäisen koostumuksensa ajalta, jolloin planeetta ei ollut vielä kokenut tätä valtavaa törmäystä.
Isotooppipoikkeama on niin hienoinen, että sen havaitseminen vastaa yhden ruskean hiekanjyvän erottamista ämpäriin, joka on täynnä keltaista hiekkaa. Tästä vaikeudesta huolimatta säännönmukaisuus ilmeni selvästi eri analysoiduissa näytteissä, mikä vahvistaa sen aitouden.
Keskeinen seikka on, että jokaisella meteoriittityypillä ja jokaisella planeetalla on omat isotooppisignatuurinsa , jotka toimivat kuin kemialliset sormenjäljet. Ni ja hänen tiiminsä ovat aiemmissa tutkimuksissa osoittaneet, että meteoriitit osoittavat erilaisia kaliumin tasapainoja. Vertaamalla näitä signatuureja maapallon signatuureihin he havaitsivat koostumuksen, joka ei vastaa mitään tunnettua meteoriittiryhmää. Mikä tahansa materiaali, jossa on tällainen poikkeama, on täytynyt edeltää maapallon muuttanutta jättimäistä törmäystä. Siksi, kun he löysivät sitä kivilajeista, he päättelivät, että kyseessä ovat aidot jäänteet proto-maapallosta.
Syvä manttelin piilotetut alueet
Analysoidut näytteet saatiin Grönlannista, Kanadasta ja Havaijilta, joissa löydettiin jälkiä kemikaaleista, jotka olivat erottuneet globaalista seoksesta Carnegien suuren törmäyksen jälkeen.
Tutkimustuloksia täydentävät riippumattomat isotooppimittaukset, joissa on käytetty erittäin tarkkaa lämpöionisaatiomassaspektrometriaa. Nämä mittaukset tehtiin muinaisista ja nykyaikaisista kivilajeista, jotka ovat peräisin maapallon eri kerroksista . Analysoitavat näytteet sisältävät arkean mafiset kivet, jotka ovat muodostuneet Hadean-Eoarchean-manteliin, esimerkiksi Isuassa ja Nuuvuaagitukissa löydetyt, sekä nykyiset basaltit Réunionin saaren ja Havaijin Kamaeua Kanaloa-tulivuoren kuumista pisteistä.
Tutkijat havaitsivat keskimääräisen kalium-40-vajeen 65 miljoonasosaa verrattuna muihin maapallon näytteisiin. Tämä ero erottaa nämä kivet paitsi maapallon volyymisilikaateista myös kaikista tunnetuista meteoriiteista. Se, että tätä ominaisuutta ei voida liittää nykyisiin magmaattisiin prosesseihin, viittaa siihen, että kyseessä ovat primitiiviset alueet proto-maan vaipassa , jotka ovat suurelta osin välttyneet voimakkaan törmäyksen jälkeiseltä globaalilta sekoittumiselta.
Tämä löytö kyseenalaistaa perinteisen käsityksen siitä, että törmäys, joka johti Kuun muodostumiseen, sulatti planeetan kokonaan ja homogenisoi sen koostumuksen. Tiedot viittaavat siihen, että osa alkuperäisestä mantiasta on säilynyt koskemattomana syvällä maan uumenissa . Nämä primitiiviset fragmentit ovat pysyneet eristyksissä miljardeja vuosia, piilossa maan uumenissa. Nykyään ne edistävät joidenkin pistevulkaanisten ilmiöiden kehittymistä, esimerkiksi Havaijin ja Réunionin tulivuoria.
Havaittu poikkeama vastaa 65 miljoonasosaa kaliumin puutetta, mikä erottaa nämä kivilajit kaikista tunnetuista maapallon materiaaleista.
Ni selitti, että ”jos tämä kaliumin allekirjoitus on säilynyt, haluaisimme etsiä sitä syvyyksistä ja maapallon uumenista”. Juuri tämän ryhmä teki, ja tulos ei vain tarjoa todisteita primitiivisen materiaalin olemassaolosta, vaan myös uuden työkalun planeetan rakennuspalikoiden alkuperän jäljittämiseen.
Tämä löytö ratkaisee geologien pitkäaikaisen arvoituksen: maan koostumus ei vastaa täydellisesti yhtään tunnettua primitiivisten meteoriittien seosta . Aiemmin uskottiin, että planeetta muodostui eri tyyppisten meteoriittien yhdistelmästä, mutta mikään yhdistelmä ei toista tarkasti Maan isotooppisia ominaisuuksia. Todennäköisin selitys on, että proto-Maa keräsi ainutlaatuisia materiaaleja , jotka eroavat niistä, jotka muodostuivat jättimäisen törmäyksen jälkeen.
Ryhmän tekemä mallinnus vahvisti tämän hypoteesin. Mallinnus, jossa simuloitiin manttelin kehitystä kalium-40:n puutteessa peräkkäisten törmäysten ja sisäisten prosessien jälkeen, tuotti koostumuksen, joka vastaa useimpien nykyisten kivien koostumusta, ja analysoidut näytteet säilyttivät alkuperäisen luonteensa. Tämä viittaa siihen, että osa alkuperäisestä materiaalista ei sekoittunut kokonaan, vaan jäi syvälle maankuoreen toimien kuin kemiallisina aikakapseleina.
Tämä löytö ei vain muuta käsitystämme Maan muodostumisesta, vaan avaa ikkunan aurinkokunnan ensimmäisiin 100 miljoonaan vuoteen . Tähän asti suurin osa tästä ajanjaksosta oli tunnettu vain meteoriittien perusteella. Nyt planeetan omat fragmentit kertovat tämän tarinan sisältäpäin.
Ni korosti tämän läpimurron merkitystä: ”Tutkijat ovat yrittäneet ymmärtää Maan alkuperäistä kemiallista koostumusta yhdistelemällä eri meteoriittiryhmien koostumusta. Mutta tutkimuksemme osoittaa, että olemassa oleva meteorilista ei ole täydellinen, ja planeettamme alkuperästä on vielä paljon opittavaa.”
Nature Geosciences -lehdessä julkaistut tulokset antavat meille mahdollisuuden rekonstruoida aurinkokunnan varhaisten vaiheiden avainkomponentit ja avaavat uusia mahdollisuuksia tutkia maapallon menneisyyttä.
Se, että löydetty isotooppikoostumus ei vastaa tarkasti yhtään tunnettua meteoriittia, viittaa siihen, että materiaalit, joista proto-Maa muodostui, eivät ole vielä löydetty . Osa niistä voi olla kadonnut ikuisesti tai piilossa vielä tutkimattomissa osissa aurinkokuntaa. Joka tapauksessa maapallon sisällä säilyneet todisteet antavat ainutlaatuisia vihjeitä, joita ei ole aiemmin ollut.
Tämä löytö on merkityksellinen myös muiden planeettojen tutkimuksen kannalta. Jos maapallolla on säilynyt fragmentteja varhaisesta vaipasta, on mahdollista, että jotain vastaavaa on tapahtunut myös muilla kivisillä planeetoilla, kuten Marsilla tai Venuksella. Ymmärtämällä, miten nämä kemialliset jäljet säilyvät, voidaan rekonstruoida koko aurinkokunnan varhainen historia.
Tutkijat aikovat laajentaa isotooppimittauksia muihin alueisiin ja jatkaa vähäisesti muuttuneiden vulkaanisten kivien analysointia. Yhdistämällä nämä tiedot geodynaamisiin malleihin he toivovat voivansa kuvata tarkemmin näiden primitiivisten alueiden jakautumisen maankuoressa. Jokainen uusi analysoitu näyte tarjoaa mahdollisuuden tutkia tarkemmin planeetan alkuperäistä koostumusta.
Massachusetts Institute of Technologyn tiimi on löytänyt eräänlaisen kemiallisen aikakapselin, joka on piilotettu syvälle maan uumeniin . Nämä isotooppisignaalit paljastavat paitsi sen, millainen planeetta oli ennen jättimäistä törmäystä, jonka seurauksena Kuu muodostui, myös sen, että osa tästä historiasta on säilynyt koskemattomana odottaen löytäjäänsä.
Tämä läpimurto merkitsee käännekohtaa ymmärryksessämme syvästä geologisesta menneisyydestä. Vuosikymmenten ajan oletettiin, että mikään ei selvinnyt voimakkaasta törmäyksestä. Nyt tiedämme, että fragmentit tästä kadonneesta maailmasta ovat säilyneet maankuoressa ja että niiden tutkiminen voi kirjoittaa uudelleen maapallon historian varhaisimmat luvut.
