A négy és fél milliárd éves Föld történetét négy nagy időegységre, négy eonra tagoljuk. Ezek időrendi sorrendben: a hadeikum, archaikum, proterozóikum és fanerozóikum. Az első három eon a földtörténet nagyjából 88 százalékát teszi ki és a fanerozóikum „mindössze” kb. 540 millió éve tart. Az ezt a megelőző hosszú időszakot régebben élet nélkülinek tartották és perkambrium néven foglalták össze.
A negyedik eon, a fanerozóikum 542 millió évvel ezelőtt (1. ábra), a kambriumi robbanással kezdődik, amikor is a komplex felépítésű állatok legfontosabb csoportjainak többsége szinte a semmiből hirtelen megjelent. Ma már tudjuk, hogy a primitív bakteriális élet már az archaikum korai szakaszában is jelen volt a Földön. Bár az élet fejlődése szempontjából a fanerozóikum kezdete fontos mérföldkő volt, ehelyütt inkább azt szeretnénk bemutatni, hogy a legújabb komplex földtani, geokémiai kutatások egyre meggyőzőbben utalnak arra, hogy a Föld geológiai fejlődésének geodinamikai, tektonikai stílusában a földtörténet egy korábbi szakaszában modellváltás történt. A fiatal Föld egész egyszerűen más volt, mint a modern változata.
Hogyan működik a modern Föld?
A modern Föld működését a lemeztektonika elmélete írja le. A lemeztektonika folyamata az, ami szabályozza a Földkéreg szerkezetét, tulajdonságait és annak időbeli fejlődését. Nevezetesen értelmezi a hegységképződést, a kontinensek növekedését és viselkedését, valamint a Föld külső, merev litoszféra lemezeinek mozgását és kölcsönhatását. A lemeztektonika a földrengések és vulkáni övek, valamint a különböző magmatípusok tektonikai helyzetének értelmezéséhez is szilárd alapokat szolgáltat. A lemeztektonikának fontos ismérve, hogy az alábukó (szubdukáló) óceáni lemezek igen mélyre, olykor a köpeny-mag határig is lehatolnak.
A lemeztektonika és annak működése által létrehozott kontinentális kéreg azonban ritka. A Naprendszerben egyedül a Földön van meg. A Holdon, a Marson, a Vénuszon és a Merkúron egyetlen stagnáló fedőlemez van, és így az ottani tektonika működése inkább vertikális, semmint horizontális mozgásokat eredményez. Hogy a tektonikai stílus mennyire meghatározó egy bolygó fejlődésében azt a 2. ábrán láthatjuk, amely a Föld, a Vénusz és a Mars hipszometrikus értékeit hasonlítja össze. Ez az ábra a bolygók felszínének kumulatív magasság értékeit egy alapértékhez viszonyítva ábrázolja. Jól látható, hogy egyedül a Föld esetében van két maximum (a mély óceánfenék és magas kontinentális kéreg következtében), a többieknél nincs két csúcs. Valóban ezeken a bolygókon a bazalt egyeduralkodó, a földi kontinentális kéregre jellemző gránitos és andezites magmatitok gyakorlatilag hiányoznak.
Az aktualizmus elvének korlátai
Ma a geológia egyik leghevesebben vitatott problémája az, hogy milyen lehetett a Föld mielőtt a ma ismert lemeztektonikai rezsim kialakult. A Föld első két milliárd évében működő geodinamikai rezsim rekonstrukciója azonban komoly kihívás a releváns geológiai adatok csekély volta miatt. Az archaikumi kőzetek lényegesen ritkábbak, mint a proterozóikumiak és a hadeikumból cirkon kristályok kivételével semmi sem maradt fenn. Nem csoda tehát, hogy sokféle rivális elgondolás született, melyek két csoportba sorolhatók be. Az egyik csoport kutatói szerint a lemeztektonika valamilyen kezdetleges formában mindig is létezett amióta az első kéreg megszilárdult (pl. Hickman, 2004; Rosas & Korenaga, 2018). Ezzel szemben a másik csoportba tartozók szerint az első milliárd években a Föld működése egy cseppet sem volt hasonló a ma ismert lemeztektonikához (pl. Debaille et al., 2013; Bédard, 2018; Beall et al., 2018). Az első csoport James Hutton, skót geológusnak a tizennyolcadik században megfogalmazott aktualizmus elvére támaszkodik, amely kimondja, hogy azok a fizikai és kémiai folyamatok, amelyek a mai Földet alakítják, a múltban is hasonlóképpen működtek, azaz felhasználhatóak a múlt eseményeinek értelmezésére is. Ez egy nagyon hasznos elvnek bizonyult akár több százmillió évvel ezelőtti események értelmezésében is, de ma már egyre inkább világossá válik, hogy az aktualizmus elvének korlátlan kiterjesztése az ősi Földre zsákutca. Az már korábban is egyértelmű volt, hogy a Föld történetében az első eon, a hadeikum (4,5-4 esetleg 4,5-3,8 milliárd év;) lényegesen különbözött a modern időktől, mivel elsősorban planetáris folyamatok alakították (ütközések, ezzel kapcsolatos megolvadás, a bolygó növekedése), amelyek aligha tagolhatók be az aktualizmus elvének körébe. Ezek a katasztrofális események okozták a hadeikumi kéreg kőzeteinek teljes pusztulását. Ennek ellenére feltételezhető, hogy a Föld elsődleges kérge bazaltos lehetett. A Föld legidősebb szilárd anyaga a 4,404 milliárd éves cirkon kristály (ZrSiO₄) a nyugat ausztráliai Jack Hills vidékről került elő (3. ábra). A cirkon nagyon ellenálló ásvány így többszöri áthalmozódást is képes túlélni.
A Föld felszínének legidősebb kőzetformációi archaikumi korúak. Ezek viszont minden kontinensen megtalálhatóak (Balti-pajzs, Grönland, India, Brazília, Nyugat- Ausztrália, Dél-Afrika; 4. ábra). A legkorábbi datált kőzet a metamorf Acasta gneisz Északnyugat-Kanadából (4,031 ±0,003 milliárd év; 5. ábra). Korábban még úgy gondolták, hogy az archaikumi kőzetek nem sokban különböznek a fiatalabbaktól, és ezért képződésük az archaikumban is a már a jól ismert folyamatok révén, a lemeztektonika működésével magyarázható. Az egyre részletesebb modern vizsgálatok azonban kiderítették, hogy vannak olyan kőzettípusok és kőzet-társulások, amelyek kizárólag az archaikumban képződtek. Példaként sorolhatjuk az ultramafikus lávákat (komatiit), az üledékes szalagos vasérc formációt (6. ábra), kalciumgazdag anortózitot és a Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit (TTG) kőzetegyüttest. Ugyanakkor a fiatalabb Földön legelterjedtebb kontinentális kőzet – a káliumban gazdag gránit – nem képződött az archaikumban. Ezek a markáns különbségek erősen alátámasztják azt az elképzelést, hogy az archaikum idején más tektonikai modell működött, mint a fiatalabb proterozóikum és fanerozóikum során (pl. Wiemer et al. 2018; Bédard, 2018). A korábbi módszer csődöt mond, amikor a fiatal Földet próbáljuk megérteni. A geológusok ezért azzal a nehéz feladattal küszködnek, hogy képet alkossanak arról, hogy hogyan képződtek a legősibb kontinensek olyan folyamatokkal, melyeket ma már nincs módunkban megfigyelni.
Kezdetben a Föld sokkal melegebb volt
Az archaikum elején a földi hőáram közel háromszorosa volt a mainak, és még az archaikum-proterozóikum átmenet idején is a kétszerese volt. Ilyen körülmények mellett a lemeztektonikai rezsim nem lehetett működőképes, mert a melegebb és vékonyabb litoszféra képlékenysége és kisebb sűrűsége miatt nem volt elég erős ahhoz, hogy merevlemezként a köpenybe mélyen behatoljon. A radioaktivitás állandóan fűti a Földet, és ennek a hőnek valahol el kell távoznia. Míg a lemeztektonika hatékonyan biztosítja a hő leadást a Föld belsejéből az óceánközepi hátságok mentén, addig a stagnáló egylemez komoly akadályt jelent a Föld hőjének eltávozásához, ezért a fiatal Föld vulkanizmusa minden bizonnyal különösen heves lehetett. A Föld e korai állapotára a Vénusz nyújt némi tájékoztatást, ahol a kráterstatisztikák szerint a felszín meglepően fiatal, mintegy 300-500 millió éve történt intenzív vulkanizmus globálisan megújította azt. Hőtörténeti modellek szerint hasonló globális felszínmegújulások valószínűleg többször is előfordultak a Vénusz múltjában (Strom et al.,1994). Ami a mi bolygónk korai viszonyait illeti, a számos rivális modell közül, kiemeljük Moore & Webb (2013) numerikus szimulációs modelljét, amely egyre népszerűbb. Ez az úgynevezett hő-vezetékes Föld (heat-pipe Earth), amely magában foglalja a Föld kérgét és felsőköpenyét. Ez a modell is a korai intenzív vulkanizmusból indul ki. E szerint a Föld belsejéből a hő lokalizált csatornákon keresztül távozott, miközben a vulkáni termékek lehűlve hideg és sűrűbb kérget hoztak létre, melyek viszont a gravitációs instabilitás miatt felszíni anyagokat nyomtak vissza a forró és képlékeny köpenybe, amelyek ott újra megolvadtak és a felszínre törtek. Ez a ciklikus folyamat a hőforrás gyengülése miatt egy ponton a lemeztektonikához való átmenethez vezetett.
(DOI 10.1007/978- 94-007- 7615 9_1)
Az átmenettel kapcsolatban egy korábban megoldatlan ellentmondásra is magyarázatot találtak, nevezetesen arra, hogy miként lehetséges az, hogy miközben a Föld kérge a lemeztektonika miatt állandó megújulásnak, szétzúzásnak, megolvadásnak, kiemelkedésnek és erodálódásnak van kitéve, pont a legrégebbi kratonok alig deformálódtak és lényegében változatlanul maradtak fenn az elmúlt évmilliárdok során is. Mint láttuk a kratoni kéreg eredetileg sok vulkáni erupció által keletkezett, de ez viszonylag vékony réteget hozott létre, és ezzel szemben a kratonok nagyon vastagok, a 200 kilométert is meghaladják. Így csak olyan időpontban képződhettek, amikor már képesek voltak nagyon vastaggá és rendkívül erőssé, ellenállóvá válni. A kutatócsoport számítógépes szimulációval tesztelte azt a hipotézist, hogy a stagnáló lemez alatti köpenyben felgyülemlett hőmennyiség miatt a felső, hidegebb és sűrűbb köpeny nehezebbé vált, mint az alsó melegebb és kevésbé sűrű köpeny. A gravitációs instabilitás nem tartható fenn és előbb-utóbb egy a katasztrofális köpeny átfordulást eredményez. E szerzők szerint egy ilyen esemény lehetett tehát az oka a kratonok megvastagodásának. Valószínű, hogy a Föld történetben egyszeri esemény indította be a lemeztektonikát is, vagyis a kratonok képződése, valamint a hő-vezetékes Föld és a lemeztektonikai Föld közötti átmenet nagyjából egy időben jött létre. A geológusok között kialakult „kvázi-konszenzus” szerint a lemeztektonikai fordulat valamikor a mezo-archaikumban, 3,2 és 2,7 milliárd év között történhetett meg (Stern et al.,2016), de van olyan nézet is, hogy ez véglegesen csak később, a neo-proterozóikumban vált valóra.
Hogyan nézett ki a korai földi környezet?
A tektonika és környezeti viszonyok között, beleértve a topográfiát, az atmoszférát és a hidroszférát, szoros összefüggés van, ezért a világ az archaikumban – különösen annak korai szakaszában – nagyon más lehetett. A neoarchaikum előtt 2500 méternél magasabb hegyek nem létezhettek, mert a litoszféra nem volt képes ezeket fenntartani. A legkorábbi időkben a vulkáni szigeteket leszámítva, a teljes Földet víz borította. Az archaikum későbbi szakaszaiban a litoszféra hűlése során az ősi kontinensek is növekedni kezdtek és a neoarchaikum végére a kontinentális kéreg nagysága elérhette a mai értékének akár a 40 százalékát is. Mint említettük, a kontinentális kéreg specifikus jelenség a Földön. Általában elmondhatjuk, hogy a Földön két kéregtípus van: egy kiemelkedett könnyebb szilíciumdús kontinentális kéreg, amely a szárazföldet alkotja, és egy sűrűbb, nehezebb óceáni kéreg, ahol a víz összegyűlve képezi a nagy óceánokat. Ehhez hasonlót sehol sem láttunk az univerzumban. A nehezebb bazaltos óceáni kéreg a köpenyből feltörő magmás tevékenység során, a kontinentális kéreg szilíciumban gazdagabb kőzetei az alsókéreg kőzeteinek újraolvadásából jön létre. Az archaikumban az ár-apály jelenség is jelentősen intenzívebb volt, mert a Hold sokkal közelebb keringett a Föld körül. Az ár-apály fékezi a Föld forgási sebességét, ezért az eredetileg gyorsabban forgó Föld az idővel lelassult, azaz a napok hossza megnőtt, ugyanakkor a Hold-Föld távolság egyre növekedett, illetve növekszik ma is. A Holdon elhelyezett lézer tükrök segítségével történt mérések szerint a Hold évente 3,8 centiméterrel távolodik tőlünk (Shelus, 2001). Egy vadonatúj tanulmány szerint (Meyers and Malinverno, 2018), 1,4 milliárd évvel ezelőtt a Föld-Hold távolság 340 900 km; a földi nap hossza 18,68 óra volt, a mai 384 400 km, illetve 24 órával szemben. Viszont az a tény, hogy a Föld felszíne elég meleg volt folyadék állapotú víz létezéséhez már 4 milliárd évvel ezelőtt is, problematikus. A Nap ugyanis egyidős a Földdel és az asztronómusok szerint rejtélyes, hogy 500 millió évvel a kezdetek után miként lehetett a Föld felszíne ilyen meleg, amikor is a Nap fényessége csak 70 százaléka volt a jelenlegi értékének (ez az úgynevezett Sápadt Nap Paradoxon). A kérdés nyitott, de magyarázatként a leggyakrabban az üvegházhatású gázok nagyobb mennyisége, nagyobb felhőtakaró és kevesebb szárazföld jön szóba.
(Fotó: H. Martin)
Mikroorganizmusok formájában az élet korán jelent meg a Földön. Ennek legkorábbi vitathatatlan bizonyítékai legalább 3,5 milliárd éves kövületek, a sztromatolit telepek. Ezzel szemben, több mint két milliárd évvel az ember megjelenése előtt szinte semmi oxigén sem létezett; a viszonyok olyanok voltak, mintha a Marson próbálnánk lélegezni. 2,3-2,4 milliárd év körül az oxigén hirtelen növekedésnek indult, amit a Nagy Oxidációs Esemény néven szoktunk emlegetni. A képződött oxigén még sokáig nem került a légkörbe, mert a tengeri üledékek oxidálódása teljes egészében felhasználta azt. Így keletkezett a világ vasérckészletének több mint 60 százalékát kitevő Szalagos Vas Formáció, melynek vörös színét az oxidált állapotú hematit (Fe2O3) ásvány okozza. A korábban széles körben elterjedt vélemény szerint az oxigén képződését az óceáni cianobaktériumok okozták, melyek az első fotoszintetizáló lények voltak, tehát széndioxidot fogyasztottak és oxigént termeltek. Azonban, a legújabb kutatások kimutatták, hogy problémák vannak azzal az elképzeléssel, hogy cianobaktériumok lettek volna az oxigén egyedüli forrásai. Az oxigén koncentrációja a Föld története során végig lassan emelkedett, de két időpontban, a már említett 2,4 milliárd év mellett 800 millió éve is, a proterozóikum vége fele, hirtelen kiugró emelkedést tapasztalunk. Ez utóbbi során kezdett emelkedni a légkör oxigénkoncentrációja, mivel addigra már az oxidációs süllyesztő megszűnt. Cox et al. (201 8) vizsgálatai alapján az oxigénkoncentráció emelkedésének a biológiai metabolizmus mellett geológiai okai is voltak. Ez a kutatócsoport kimutatta, hogy a magmás kőzetek foszfortartalma lineárisan korrelál a szabad O2 időbeli növekedésével, ami arra mutat, hogy az emelkedő szabad oxigént mind a köpeny hosszú távú hűlése mind pedig a kontinensek foszfortartalma is befolyásolja. A foszfor az élő szervezeteknek ötödik leggyakoribb eleme, fontos szerepe az oxigént termelő fotoszintézis hatékonyságának növelése. Figyelemre méltó, hogy a lemeztektonika megjelenése és a Nagy Oxidációs Esemény a mezoarchaikumban közel egy időben történt. Amennyire tudjuk, a lemeztektonika, a kontinentális kéreg és az élet egyedüli jelenség a Földön. Mint ahogy a biológia is fejlődött az idők során, úgy fejlődött a Föld is az idővel, a tektonikai lemezek kialakulásától azok elmozdulásáig, ami képes volt megváltoztatni az atmoszféra oxigén tartalmát. Sokan gondolják úgy, hogy a geológia és az élet egymással kölcsönhatásban formálták a Földet alkalmassá arra, hogy olyan intelligens lények is megjelenhessenek rajta, akik elgondolkoznak azon, hogy miként is történhetett mindez.
IRODALOM
Nyitóképünk: művész által elképzelt archaikumi táj. Előtérben sztromatolit-telepek. (Peter Sawyer, The Smitsonian Institution)
Beall, A. P., Moresi, L., & Cooper, C. M. (2018). Formation of cratonic lithosphere during the initiation of plate tectonics. Geology, 46(6), 487-490.
Bédard, J. H. (2018) Stagnant lids and mantle overturns: implications for Archaean tectonics, magmagenesis, crustal growth, mantle evolution, and the start of plate tectonics. Geoscience Frontiers, 9(1), 19-49.
Cox, G. M., Lyons, T. W., Mitchell, R. N., Hasterok, D., & Gard, M. (2018). Linking the rise of atmospheric oxygen to growth in the continental phosphorus inventory. Earth and Planetary Science Letters, 489, 28-36. Debaille, V., O’Neill, C., Brandon, A. D., Haenecour, P., Yin, Q. Z., Mattielli, N., & Treiman, A. H. (2013). Stagnant-lid tectonics in early Earth revealed by 142Nd variations in late Archean rocks. Earth and Planetary Science Letters, 373, 83-92.
Hickman, A. H. (2004) Two contrasting granite−greenstone terranes in the Pilbara Craton, Australia: evidence for vertical and horizontal tectonic regimes prior to 2900 Ma. Precambrian Research, 131(3-4), 153-172.
Meyers, S.R. & Alberto Malinverno, A. (2018) Proterozoic Milankovitch cycles and the history of the solar system. Proceedings of the National Academy of Sciences www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1717689115
Moore, W. B., & Webb, A. A. G. (2013). Heat-pipe earth. Nature, 501(7468), 501.
Rosas, J. C., & Korenaga, J. (2018). Rapid crustal growth and efficient crustal recycling in the early Earth: Implications for Hadean and Archean geodynamics. Earth and Planetary Science Letters, 494, 42-49.
Shelus, P. J. (2001). Lunar laser ranging: Glorious past and a bright future. Surveys in Geophysics, 22(5-6), 517-535.
Stern, R. J., Leybourne, M. I., & Tsujimori, T. (2016). Kimberlites and the start of plate tectonics. Geology, 44(10), 799-802.
Strom, R. G., Schaber, G. G., & Dawson, D. D. (1994). The global resurfacing of Venus. Journal of Geophysical Research: Planets, 99(E5), 10899-10926.
Wiemer, D., Schrank, C. E., Murphy, D. T., Wenham, L., & Allen, C. M. (2018).
Earth’s oldest stable crust in the Pilbara Craton formed by cyclic gravitational overturns. Nature Geoscience 11(5), 357
A cikk a Természet Világa 2018. szeptemberi (149. évf. 9. sz.) számában jelent meg.
