förutom kanske för vissa avlägsna öbor har de flesta en naturlig tendens att se kontinenter som grundläggande, permanenta och till och med karakteristiska egenskaper hos jorden. Man glömmer lätt att världens kontinentala plattformar endast uppgår till spridda och isolerade massor på en planet som till stor del täcks av vatten. Men när den ses från rymden blir den korrekta bilden av jorden omedelbart klar. Det är en blå planet., Ur detta perspektiv verkar det ganska extraordinärt att jorden under sin långa historia kunde klara av att hålla en liten del av sin yta alltid ovanför havet-vilket bland annat gör det möjligt för mänsklig utveckling att fortsätta på torrt land.
är persistensen av hög stående kontinenter bara fortuitous? Hur kom jordens komplicerade skorpa till existens? Har det varit där hela tiden, som någon primeval isbildning på en planetkaka, eller har det utvecklats genom tiderna?, Sådana frågor hade skapat debatter som delade forskare i många årtionden, men den fascinerande historien om hur den markbundna ytan kom att ta sin nuvarande form är nu väsentligen löst. Den förståelsen visar, anmärkningsvärt nog, att de villkor som krävs för att bilda jordens kontinenter kan vara oöverträffade i resten av solsystemet.
jorden och Venus, som är ungefär samma storlek och avstånd från solen, betraktas ofta som tvillingplaneter. Så det är naturligt att undra hur Venusskorpan jämför sig med vår egen värld., Även om århundraden av teleskopiska observationer från jorden inte kunde ge någon insikt, började Magellan rymdsonder som kretsar kring radarn 1990 trängde in i de tjocka molnen som förankrar Venus och avslöjade dess yta med fantastisk klarhet. Från de detaljerade bilderna av landformer kan planetariska forskare överrösta den typ av sten som täcker Venus.
vår systerplanet verkar vara blanketed av sten av basaltisk komposition-ungefär som de mörka, finkorniga stenarna som linjer havsbassängerna på jorden. Magellans kartläggning lyckades dock inte hitta omfattande områden som är analoga med jordens kontinentala skorpa., Förhöjda regioner som heter Aphrodite Terra och Ishtar Terra verkar vara rester av skrynkliga basaltiska lavas. Mindre, kupolformade högar finns på Venus, och dessa former kan tyda på att vulkaniska bergarter med sammansättningen av granit existerar på vissa ställen, men radarreflektioner visar att dessa pancakelike funktioner kan bestå enbart av mer basalt.,
Efter att ha analyserat rikedomen av radardata från Magellan har forskare dragit slutsatsen att platttektonik (det vill säga kontinuerlig skapande, rörelse och förstörelse av delar av planetens yta) inte verkar fungera på Venus. Det finns inga uppenbara motsvarigheter till de omfattande mid-ocean åsarna eller till jordens stora grävsystem. Således är det osannolikt att Venusskorpan regelbundet återvinner tillbaka till den planetens mantel., Inte heller verkar det finnas mycket behov av att göra plats för ny skorpa: mängden lava som för närvarande utbrott på Venus är ungefär lika med utgången av en Hawaiian vulkan, Kilauea-bara dribbla för planeten som helhet. Dessa fynd från Venus och liknande undersökningar av andra fasta kroppar i solsystemet visar att planetariska skorpor bekvämt kan delas in i tre grundläggande typer.
så kallade primära skorpor går tillbaka till början av solsystemet., De uppstod efter stora bitar av primordialt material kom kraschar in i en växande planet, släppa tillräckligt med energi för att få den ursprungliga protoplanet att smälta. När den smälta klippan började svalna, stelnade kristaller av vissa typer av mineraler relativt tidigt och kunde skilja sig från Magmas kropp. Denna process, till exempel, förmodligen skapat de Vita högländerna av månen efter låg densitet korn av mineral fältspat flöt till toppen av en tidig lunar ”ocean” av smält basalt., Skorporna av många satelliter av de jätte yttre planeterna, som består av blandningar av berg med vatten, metan och ammoniak ices, kan också ha uppstått från katastrofal smältning under första anhopning.
i motsats till produkten av sådana plötsliga, storskaliga episoder av smältning bildas sekundära skorpor efter värme från sönderfallet av radioaktiva element gradvis ackumuleras inom en planetarisk kropp. Sådan långsam uppvärmning orsakar en liten del av planeterna stenig mantel att smälta och resulterar vanligtvis i utbrott av basaltiska lavas., Ytorna på Mars och Venus och jordens havsgolv är täckta av sekundära skorpor skapade på detta sätt. Lunar maria (de gamla astronomernas” hav”) bildades också av basaltiska lavas som härstammar djupt i månens interiör. Värme från radioaktivitet-eller kanske från den böjning som orsakas av tidvattenkrafter-på någon isig måne av det yttre solsystemet kan också ha genererat sekundära skorpor.
Till skillnad från dessa jämförelsevis vanliga typer kan så kallad tertiär skorpa bildas om ytskikten återförs tillbaka till manteln på en geologiskt aktiv planet., Som en form av kontinuerlig destillation kan vulkanism sedan leda till produktion av mycket differentierad magma av en komposition som skiljer sig från basalt-närmare den ljusa, magmatiska stengraniten. Eftersom återvinning som är nödvändig för att generera granitiska magmer endast kan ske på en planet där platttektonik fungerar, är en sådan komposition sällsynt i solsystemet. Bildandet av kontinental skorpa på jorden kan vara dess enda plats.,
trots det lilla antalet exempel inom varje kategori verkar en generalisering om planetytornas genesis lätt att göra: det finns tydliga skillnader i de priser där primära, sekundära och tertiära skorpor bildas. Månen, till exempel, genererade sin vita, fältsparrika primära skorpa–cirka 9 procent av månens volym–på bara några miljoner år. Sekundära skorpor utvecklas mycket långsammare., Månarna basalt maria (sekundär skorpa) är bara några hundra meter tjocka och utgör bara en tiondel av 1 procent av månens volym, och ändå krävde dessa så kallade hav mer än en miljard år att bilda. Ett annat exempel på sekundär skorpa, de basala oceaniska bassängerna på vår planet (som utgör ungefär en tiondel av 1 procent av jordens massa), bildad under en period av cirka 200 miljoner år. Långsam eftersom dessa priser är, är skapandet av tertiär skorpa ännu mindre effektiv. Jorden har tagit flera miljarder år att producera sin tertiära skorpa-kontinenterna., Dessa funktioner uppgår till ungefär hälften av 1 procent av planetens massa.
flytande kontinenter
många element som annars sällan finns på jorden är berikade i granitiska stenar, och detta fenomen ger kontinentalskorpan en betydelse i förhållande till sin lilla massa. Men geologer har inte kunnat uppskatta den totala sammansättningen av skorpa-en nödvändig utgångspunkt för någon undersökning av dess ursprung och utveckling-genom direkt observation. En tänkbar metod kan vara att sammanställa befintliga beskrivningar av stenar som utstött på ytan., Även denna stora mängd information kan mycket väl visa sig otillräcklig. Ett storskaligt prospekteringsprogram som kan nå tillräckligt djupt in i skorpan för ett meningsfullt prov skulle trycka på gränserna för modern borrteknik och skulle under alla omständigheter vara oöverkomligt dyrt.
lyckligtvis finns en enklare lösning till hands. Naturen har redan åstadkommit en utbredd provtagning genom erosion och deponering av sediment. Lowly muds, som nu förvandlas till fast sedimentär rock, ger en överraskande bra genomsnittlig komposition för den exponerade kontinentala skorpan., Dessa prover saknas emellertid de element som är lösliga i vatten, såsom natrium och kalcium. Bland de olösliga material som överförs från skorpan till sediment utan förvrängning i deras relativa överflöd är de 14 sällsynta jordartsmetaller, kända för geokemister som REEs. Dessa elementära taggar är unikt användbara för att dechiffrera skorpans sammansättning eftersom deras atomer inte passar snyggt in i kristallstrukturen hos de vanligaste mineralerna. De tenderar istället att koncentreras i de sena formande granitiska produkterna av en kylande magma som utgör det mesta av kontinentalskorpan.,
eftersom REE-mönstren som finns i en mängd sediment är så lika, anser geokemister att förväxling, erosion och sedimentering måste blanda olika magmatiska källstenar tillräckligt effektivt för att skapa ett övergripande prov av kontinentalskorpan. Alla medlemmar i Ree-gruppen upprättar en signatur av övre skorpans sammansättning och bevarar, i form av de elementära överflödsmönstren, en rekord av de magmatiska händelserna som kan ha påverkat skorpans smink.,
med hjälp av dessa geokemiska spårämnen har geologer till exempel bestämt att sammansättningen av den övre delen av kontinentalskorpan approximerar den för granodiorit, en vanlig magmatisk sten som till stor del består av ljusfärgad kvarts och fältspat, tillsammans med en peppring av olika mörka mineraler. Djupt inom kontinentalskorpan, under ca 10 till 15 kilometer, är sten av en mer basaltisk komposition förmodligen vanlig., Den exakta naturen hos detta material är fortfarande kontroversiell, och geologer testar för närvarande sina idéer med hjälp av mätningar av värmen som produceras inom skorpan av de viktiga radioaktiva elementen uran, torium och 40K, den radioaktiva isotopen av kalium. Men det verkar rimligt att åtminstone delar av denna otillgängliga och gåtfulla region kan bestå av basalt fångad och underplaterad under kontinenterna med lägre densitet.
det är den här fysiska egenskapen hos granitisk sten-låg densitet-det förklarar varför de flesta kontinenterna inte är nedsänkta., Kontinentala skorpan stiger i genomsnitt 125 meter över havet, och cirka 15 procent av kontinentalområdet sträcker sig över två kilometer i höjd. Dessa stora höjder kontrast markant med djupet av hav golv, som i genomsnitt cirka fyra kilometer under havet-en direkt följd av deras fodrad av tät oceanic skorpa består mestadels av basalt och en tunn faner av sediment.
vid botten av skorpan ligger den så kallade Mohorovic diskontinuiteten (en tungvridande namngeologer förkortar alltid till ”Moho”)., Denna djupa yta markerar en radikal förändring i sammansättning till en extremt tät sten rik på mineral olivin som överallt ligger bakom både oceaner och kontinenter. Geofysiska studier med seismiska vågor har spårat Moho över hela världen. Sådan forskning har också visat att manteln under kontinenterna kan vara permanent fastsatt på toppen. Dessa relativt coola subcrustal ”kölar” kan vara så mycket som 400 kilometer tjocka och verkar rida med kontinenterna under sina plattektoniska vandringar., Stöd för detta begrepp kommer från analysen av små mineralinklusioner som finns inom diamanter, som tros ha sitt ursprung djupt i denna subcrustal region. Mätningar visar att diamanter kan vara upp till tre miljarder år gamla och därmed visa antiken av de djupa kontinentala rötterna.
det är nyfiken att reflektera att för mindre än 50 år sedan fanns det inga bevis för att klipporna som fodrade havsbassänger skilde sig på något grundläggande sätt från de som hittades på land. Oceanerna trodde helt enkelt att översvämmas med gjutna eller nedsänkta kontinenter., Denna uppfattning växte naturligt nog från konceptet att kontinentalskorpan var en världsomslutande funktion som hade uppstått som ett slags skum på en initialt smält planet. Även om det nu verkar säkert att jorden faktiskt smälte väldigt tidigt, verkar det som om en primär granitisk skorpa, av den typ som förmodades för årtionden sedan, aldrig faktiskt existerade.
utvecklingen av Geodiversity
hur var det att två sådana distinkta typer av skorpa, kontinentala och oceaniska, lyckades uppstå på jorden? För att svara på denna fråga måste man överväga solsystemets tidigaste historia., I området av den primordiala solnebulosan som ockuperades av jordens omloppsbana sveptes gas mestadels bort, och endast steniga skräp som var tillräckligt stora för att överleva intensiv tidig solaktivitet ackumulerades. Dessa objekt själva måste ha vuxit genom anhopning, innan de slutligen faller ihop för att bilda vår planet, en process som krävde cirka 50 miljoner till 100 miljoner år.
sent i detta skede av bildandet, en massiv planetesimal, kanske en Storleken på Mars, kraschade in i nästan helt bildade jorden., Den steniga manteln av provkroppen kastades ut i omloppsbana och blev månen medan den metalliska kärnan i kroppen föll i jorden. Som kan förväntas visade denna händelse katastrofal: den smälte helt den nybildade planeten. Som jorden senare kyldes och stelnade, en tidig basaltisk skorpa bildas förmodligen.
det är troligt att jordens yta i detta skede liknade Venus nuvarande utseende; men ingen av denna primära skorpa har överlevt., Oavsett om det sjönk in i manteln på ett sätt som liknar det som äger rum på jorden eller staplade upp i lokaliserade massor tills det var tillräckligt tjockt för att omvandlas till en tätare sten och sjunka är fortfarande osäkert. Under alla omständigheter finns det inga tecken på betydande granitskorpa i detta tidiga skede. Telltale bevis på en sådan skorpa borde ha överlevt i form av spridda korn av mineral Zirkon, som bildas inom granit och är mycket resistent mot erosion., Även om några gamla zirkoner från nära denna tid har hittats (de äldsta exemplen är från sedimentära bergarter i Australien och är cirka 4,3 miljarder år gamla), är dessa korn mycket knappa.
Mer information om den tidiga skorpan kommer från de äldsta stenarna för att ha överlevt intakt. Dessa stenar bildas djupt inom jordskorpan bara mindre än fyra miljarder år sedan och nu utstött på ytan i nordvästra Kanada. Denna stenbildning kallas Acasta Gneiss., Något yngre exempel på tidig skorpa har dokumenterats på flera platser över hela världen, även om den bäst studerade av dessa gamla formationer ligger i västra Grönland. Överflöd av sedimentära bergarter där intygar närvaron av rinnande vatten och förekomsten av vad som förmodligen var sanna hav under denna avlägsna epok., Men även dessa utomordentligt gamla stenar från Kanada och Grönland går från cirka 400 miljoner till 500 miljoner år efter den första anhopningen av jorden, en lucka i den geologiska posten orsakade, utan tvekan, av massiva effekter som allvarligt störde jordens tidigaste skorpa.
från posten bevarad i sedimentära bergarter vet geologer att bildandet av kontinental skorpa har varit en pågående process genom jordens långa historia. Men skapandet av skorpa har inte alltid haft samma karaktär. Till exempel, vid gränsen mellan de arkeanska och proterozoiska eonerna, runt 2.,5 miljarder år sedan sker en tydlig förändring i rockrekordet. Sammansättningen av den övre skorpan före denna paus innehöll mindre utvecklade beståndsdelar, bestående av en blandning av basalt och natriumrika graniter. Dessa stenar utgör den så kallade tonaliten-trondjemite-granodiorit, eller TTG, svit. Denna komposition skiljer sig avsevärt från den nuvarande övre skorpan, som domineras av kaliumrika graniter.
den djupgående förändringen i jordskorpans sammansättning för 2,5 miljarder år sedan verkar vara kopplad till förändringar i Jordtektonregimen., Före denna tid producerade högre nivåer av radioaktivt förfall mer värme i planeten. Konsekvensen var att i den tidigare Archean var havskorpan varmare, tjockare och mer flytande och kunde inte subduceras. I stället, under tjockare delar av skorpan som kan likna moderna Island, smälte tätare skorpa och producerade de natriumrika magmatiska stenarna i TTG-sviten.
något liknande stenar bildas nu på några ställen som södra Chile, där unga oceanic crust subdukter., Men dessa moderna stenar, som nu bildas på grund av platttektonik, skiljer sig subtilt från sina äldre arkeiska kusiner, som bildades av sjunkande plattor under tjock skorpa. Modern stil platta tektonik började inte fungera förrän den sena Arkean (mellan 3,0 miljarder och 2,5 miljarder år sedan), när havskorpan blev kallare, förlorade sin flytkraft och kunde därmed sjunka tillbaka in i manteln.
den tidiga tendensen för magma att bilda med en TTG-komposition förklarar varför crust växte som en blandning av basalt och tonalit under den Archean eon., Stora mängder-minst 50 procent och kanske så mycket som 70 procent av kontinentalskorpan-uppstod vid denna tidpunkt, med en stor episod av tillväxt mellan 3.0 miljarder och 2.5 miljarder år sedan. Sedan dess har den relativa höjden av havsområden och kontinentala plattformar varit relativt stabil. Med början av den proterozoiska eon 2,5 miljarder år sedan hade skorpan redan antagit mycket av sin nuvarande smink, och modern platttektonisk cykling började.
för närvarande bildar oceanic crust genom utbrott av basaltisk lava längs ett jordglobomslutande nätverk av mid-ocean åsar., Mer än 18 kubikkilometer sten produceras varje år genom denna process. Plattan av nybildad skorpa rider ovanpå ett yttre lager av manteln, som tillsammans utgör den styva litosfären. Oceaniska litosfären sjunker tillbaka in i manteln vid så kallade subduktionszoner, som lämnar iögonfallande ärr på havsbotten i form av djupa diken. På dessa platser bär den nedåtgående plattan av litosfär våta marina sediment samt basalt störta in i manteln.,
på ett djup av ca 80 kilometer Driver värme vatten och andra flyktiga komponenter från de subducerade sedimenten till den överliggande manteln. Dessa ämnen fungerar sedan som ett flöde gör vid ett gjuteri, inducerande smältning i det omgivande materialet vid reducerade temperaturer. Magma fraktionerar, producerar andesiter, medan det mer grundläggande substratet sjunker förmodligen tillbaka in i manteln i en process som kallas delaminering. Andesite magma produceras på detta sätt så småningom når ytan, där det orsakar spektakulära, explosiva utbrott. 1980 utbrott av Mount St., Helens är ett exempel på en sådan geologisk katastrof. Stora kedjor av vulkaner-som Anderna-som drivs av kokande flyktiga ämnen lägger i genomsnitt cirka två kubikkilometer lava och aska till kontinenterna varje år. Denna andesit ger kontinentens bulkmaterial.
men ju mer kiselrik granitisk sten, som vi ser på kontinentens yta, kommer inifrån skorpan. Ackumuleringen av värme djupt inom kontinentalskorpan själv kan orsaka smältning, och den resulterande magma kommer slutligen att migrera till ytan., Även om en del av denna nödvändiga värme kan komma från sönderfallet av radioaktiva element, är en mer sannolik källa basaltisk magma som stiger från djupare i manteln och blir fångad under det granitiska locket; den smälta stenen fungerar sedan som en brännare under en stekpanna.
Crustal Growth Spurts
även om den mest dramatiska förändringen i genereringen av continental crust hände i slutet av Archean eon, för 2,5 miljarder år sedan, verkar kontinenterna ha upplevt episodiska förändringar under hela geologisk tid., Till exempel inträffade betydande senare tillägg till kontinentalskorpan från 2,0 till 1,7, från 1,3 till 1,1 och från 0,5 till 0,3 miljarder år sedan. Att jordens kontinenter upplevde en sådan punkterad utveckling kan först framstå som kontraintuitiv. Varför, trots allt, ska skorpa bildas i sprutor om generering av inre värme-och dess befrielse genom jordskorpan återvinning-är en kontinuerlig process?
en mer detaljerad förståelse av platttektonik hjälper till att lösa detta pussel., Under perm-perioden (cirka 250 miljoner år sedan) konvergerade jordens stora kontinenter för att skapa en enorm landmassa som heter Pangaea . Denna konfiguration var inte unik. Bildandet av sådana ”superkontinenter” verkar återkomma i intervall om cirka 600 miljoner år. Stora tektoniska cykler körning kontinenterna från varandra och tillsammans har dokumenterats så långt tillbaka som Början av Proterozoic, och det finns även förslag om att den första superkontinenten kan ha bildats tidigare under Archean.
sådana storskaliga tektoniska cykler tjänar till att modulera tempot för korsttillväxt., När en superkontinent bryter sig ihop, är oceanic crust vid sin äldsta och därmed mest sannolikt att bilda ny kontinental skorpa efter det subdukter. Som de enskilda kontinenterna reconverge kolliderar vulkaniska bågar (krökta kedjor av vulkaner skapade nära subduktionszoner) med kontinentala plattformar. Sådana episoder bevarar ny skorpa som bågstenarna läggs till kontinenternas marginaler.
i mer än fyra miljarder år har de peripatetiska kontinenterna samlat sig i passar och börjar från många olika Terraner., Begravd i den resulterande amalgam är det sista återstående testamentet tillgängligt för huvuddelen av jordens historia. Den historien, sammansatt av stenar som är som så många jumbled bitar av ett pussel, har tagit lite tid att reda ut. Men förståelsen av jordskorpans ursprung och evolution är nu tillräcklig för att visa att av alla planeter jorden verkar verkligen exceptionell. Genom en lycklig olycka av naturen-förmågan att upprätthålla plattektonisk aktivitet-har en planet ensam kunnat generera de betydande fläckar av stabil kontinental skorpa som vi tycker är så bekvämt att leva på.
författaren
S., ROSS TAYLOR och SCOTT M. MCLENNAN har arbetat tillsammans sedan 1977 för att undersöka Jordens jordskorpans utveckling. Taylor har också aktivt följt lunar och planetariska studier och har publicerat många böcker om planetologi. Han är utländsk medarbetare till National Academy of Sciences. Taylor är för närvarande med institutionen för jorden och marina vetenskaper vid Australian National University och Lunar and Planetary Institute i Houston. McLennan är professor i geovetenskap vid Stony Brook University., Hans forskning gäller geokemi av sedimentära bergarter till studier av crustal evolution på jorden och Mars. McLennan är medlem i Mars Exploration Rover science team.