Jak powstała i wciąż zmienia się skorupa ziemska?
Dziś na jednym z portali internetowych znalazłem artykuł Klaudii Stawskiej noszący tytuł „Skorupa Ziemi gwałtownie się zmieniła. Odkrycie potwierdza piasek z Grenlandii”[1]. Autorka pisząc ten artykuł powołuje się na czasopismo Nature Communications, na łamach, którego 12 stycznia b.r. zostały opublikowane badania owego piasku, na podstawie którego, przypuszczalnie również za tym artykułem wyciąga – w mojej ocenie – dość ryzykowne wnioski.
Przeczytałem ten artykuł z zainteresowaniem, gdyż temat ten nie jest mi już całkiem obcy. Wprawdzie jestem z wykształcenia historykiem, a później i literaturoznawcą, ale zajmując się też historiozofią musiałem dla zrozumienia pewnych procesów historycznych zainteresować się różnymi kataklizmami, które dotykały Ziemię od czasów pojawienia się naszego gatunku. Gnany ciekawością sięgnąłem i głębiej, czego efektem jest wydana w zeszłym roku książka „Kataklizmy, które zmieniały obraz Ziemi” (w tym roku ukazała się w formie e-booka). Będąc historykiem mogłem tylko próbować zrozumieć pewne procesy, zapewne w ich interpretacji popełniłem wiele błędów, niemniej jednak spróbowałem (właśnie jako historyk) uporządkować dotychczasową wiedzę na temat wielkich kataklizmów, jakie dotykały Ziemię od czasu jej powstania, aż do czasów obecnych. Dopiero pisząc tę książkę, zorientowałem się jak szczupła jest nasza dotychczasowa wiedza w tym zakresie, jak nieuporządkowana. Jak wiele wcześniejszych teorii w wyniku kolejnych odkryć trzeba było odrzucić. O bardzo wielu ogromnych kataklizmach dowiedzieliśmy się dopiero w XXI wieku. Ślady kilku z nich zostały odkryte dopiero w czasie gdy pisałem moją książkę i w związku z tym musiałem zmieniać fragmenty niektórych z jej rozdziałów w trakcie jej pisania.
Z tego powodu w mojej książce często używam określenia hipoteza. Nasza wiedza w tym zakresie, również wiążąca się ze wspomnianym wyżej artykułem, jest wciąż zbyt mała i niepewna.
Zdziwiły mnie więc kategoryczne stwierdzenia cytowanych przez wspomnianą redaktor naukowców. Dziwią również wyciągane wnioski.
Wyniki wspomnianych badań (prowadzonych przez jak przypuszczam jakiś instytut nauk o Ziemi na Curtin University w Australii pod kierunkiem profesora Chrisa Kirklanda) potwierdzają jakoby, że ok. 3 mld lat temu skorupa ziemska rozdęła się w czasie gwałtownego wzrostu. Geologowie odkryli, że 1,5 mld lat po uformowaniu się Ziemi, płaszcz (warstwa skał krzemianowych między skorupą a zewnętrznym rdzeniem) rozgrzał się, powodując, że magma z tej warstwy wyciekała na fragmenty starszej skorupy. Te fragmenty posłużyły za „nasiona”, z których wyrosły współczesne kontynenty.
Dowody na potwierdzenie swojej teorii naukowcy znaleźli w starożytnych kryształach cyrkonu znalezionych na Grenlandii. Te niezwykle trwałe kryształy powstały właśnie w czasie gwałtownego wzrostu skorupy ziemskiej 3 mld lat temu.
Jak pisze autorka, zdaniem wspomnianych badaczy, przed tym wydarzeniem, skorupa ziemska była znacznie cieńsza i słabsza niż obecnie. Naukowcy podają, że to doprowadziło do jej rozpadu i umożliwiło ukształtowanie się kontynentów. „Skorupa Ziemi jest jak pływająca tratwa na płaszczu planety”, wyjaśnia Kirkland i dodaje, że cały czas otrzymuje z wnętrza Ziemi kolejne partie materiału, dzięki czemu przez lata stawała się coraz twardsza i grubsza.
Gwałtowny rozrost skorupy Ziemi trwał około 200 mln lat, a pod jego koniec zaczęły kształtować się pierwsze kontynenty. To umożliwiło rozwój złożonego życia na lądzie, co miało miejsce ok. 400 mln lat temu.
Dowodem na to, że w pewnym momencie nastąpił gwałtowny rozrost skorupy ziemskiej, znaleziono w kryształach cyrkonu o wielkości poniżej 100 mikronów (mniej niż szerokość ludzkiego włosa), które zostały zerodowane ze skał i nagromadzone w osadach strumieni w zachodniej Grenlandii.
Datując izotopy – wersje pierwiastków z różną liczbą neutronów w każdym atomie – w każdym „pierścieniu” odkryli, że kryształy „składały się” z fragmentów skorupy datowanej pomiędzy 4 a 3 mld lat. Potwierdziło to ich hipotezę, że starsze fragmenty skorupy działały jako nasiona i umożliwiają formowanie się nowszej skorupy.
O cyrkonie wspominałem również w mojej książce, choćby w tym cytacie: Okres w dziejach Ziemi przed i w trakcie formowania się skorupy ziemskiej określany jest w geologii mianem Hadeiku (od słowa Hades). Ocenia się, że trwał około 0,6 miliarda lat, czyli do ok. 4 miliardów lat temu. Na ten czas datowane są kryształy cyrkonu (w złożach zachodniej Kanady i zachodniej Australii), do których powstania niezbędna była woda w stanie płynnym, oraz wstęgowe rudy żelaziste na Grenlandii, zawierające węgiel organiczny, co może świadczyć o jakiejś formie fotosyntezy.
Czas powstania pierwszej skorupy Ziemi oblicza się dziś na około 4,6 miliarda lat. Jej powstanie wiąże się z ogromnym kataklizmem. Ostatnie badania wskazują, że u zarania powstania naszej planety doszło do kolizji z inną, nieco mniejszą, poruszającą się na tej samej orbicie (wielkości Marsa – zwaną Theą lub Orfeuszem). To w wyniku tej kolizji doszło do powstania Księżyca o masie ponad 80 razy mniejszej od naszej planety. Część skał oderwanych w wyniku tego kataklizmu od ziemi zamieniło się w roje meteorytów. Ubocznym efektem tego kataklizmu było też powstanie skorupy ziemskiej. Na początku prekambru była ona jeszcze bardzo cienka, liczyła zaledwie kilka kilometrów i zbudowana była ze skał zasadowych i ultrazasadowych. Była bardzo niestabilna, na jej powierzchni tworzyły się obszary gorącej lawy. W wyniku uderzenia Thei doszło do korzystnej, z punktu późniejszego rozwoju życia na naszej planecie, zmiany osi kuli ziemskiej, która odtąd krąży wokół słońca z nachyleniem od 22 do 24,5 stopnia. Tyleż stopni liczy też promień każdego z pól podbiegunowych oraz odległość zwrotników od równika. Dzięki temu zmieniają się na Ziemi pory roku.
Powinniśmy tu postawić ważne pytanie, w jakim stanie materii była przed owym zderzeniem Ziemia i wspomniana Thea? Moim zdaniem, ciekawą i wartą rozważenia jest hipoteza, że planety te miały formę plazmy. W wyniku ich zderzenia doszło do utworzenia się skorupy ziemskiej, ogromne ciśnienie i temperatura spowodowały, że była to gorąca magma.
Przez kolejne miliardy lat Ziemia dotykana była ogromną ilością większych i mniejszych zderzeń (z asteroidami i kometami).
Do dziś zderzenia meteorytów z Ziemią nie są rzadkością. Szacuje się, że codziennie w atmosferę Ziemi wpada około 274 ton materiałów kosmicznych (ok. 100 tys. ton w skali rocznej), ale większość tego typu wydarzeń pozostaje niezauważona, ponieważ są to bardzo małe ziarenka skalne.
Proszę pomnożyć 100 tys. ton przez miliardy lat, wówczas zauważymy jak wciąż wzrastała (w wyniku upadku asteroid i komet) grubość skorupy ziemskiej. Należy ponadto pamiętać, że kiedyś upadków tych było znacznie więcej i były znacznie większe.
Asteroidy pochodzą z tzw. pasa asteroid (planetoid) między Jowiszem i Marsem. Dziś ich sumaryczna masa szacowana jest od 3,0×1021 do 3,6×1021 kilogramów, czyli około 4% masy Księżyca. Naprawdę niewiele, należy jednak pamiętać, że jest to tylko 0,1% ich masy początkowej.
Uważa się, że obecny pas asteroid zawiera jedynie niewielki ułamek masy pierwotnego pasa. Symulacje komputerowe sugerują, że oryginalny pas asteroid mógł zawierać masę równoważną Ziemi. Głównie z powodu zaburzeń grawitacyjnych większość materiału została wyrzucona z pasa w ciągu około 1 miliona lat od powstania, pozostawiając mniej niż 0,1% pierwotnej masy. Od czasu ich powstania rozkład wielkości pasa asteroid pozostał względnie stabilny: nie odnotowano znaczącego wzrostu lub zmniejszenia typowych wymiarów asteroid pasów głównych.
Jaki był los 99,9% pochodzącej z pasa planetoid materii. Wyrzucona ze swych orbit w wyniku zachodzących w tym pasie zderzeń różnych planetoid i ich rozpadu z ogromną prędkością początkową zaczęły krążyć wokół wspólnego dla układu słonecznego środka ciężkości. Cześć z nich trafiała w pola grawitacyjne różnych planet, przecinały się z ich drogami i dochodziło do kataklizmów. W ten sposób, moim zdaniem, rosła skorupa Ziemi, Marsa, nawet Księżyca. Ostatnie ślady tych kataklizmów są widoczne w postaci kraterów.
Na spowitą chmurami trujących gazów Ziemię spadał deszcz meteorytów, zderzały się asteroidy, które po uderzeniu w powierzchnię planety tworzyły kratery wielkości Belgii, a jak się dowiadujemy i większe. Apogeum tego kosmicznego bombardowania przypadło na okres około 3,9 miliarda lat temu i zostało nazwane przez naukowców okresem Late Heavy Bombardment (LHB). Naukowcy obliczyli, że w chwili uderzenia każdy z meteorytów oddawał 6 proc. swojej masy w postaci dwutlenku węgla i 12 proc. w postaci pary wodnej. Pierwsza substancja szybko wypełniła powietrze wilgocią, druga ociepliła planetę.
Odnośnie pojawienia się na naszej planecie wody (ona również stanowi część skorupy ziemskiej, nie przybyła ponadto sama, lecz przynoszące ją asteroidy niosły też inne pierwiastki) w nauce istnieją dwie główne hipotezy. Pierwsza mówi o tym, że woda pochodzi z dysku protoplanetarnego, z którego potem ukształtowały się planety Układu Słonecznego. Pod wpływem aktywności wulkanicznej tzw. pierwotna woda uwięziona we wnętrzu Ziemi zaczęła przedostawać się na powierzchnię i tworzyć pierwsze zbiorniki. Ponadto, gdy istniała już gęsta atmosfera i wysoka temperatura oraz tlen, z połączenia dwóch pierwiastków, wodoru i tlenu właśnie, tworzyła się para wodna. Następnie skraplała się w wyższych, zimniejszych warstwach atmosfery. I tak powstał praocean. Druga teoria – obecnie przyjmowana za bardziej wiarygodną – mówi o tym, że woda trafiła do nas wraz z kometami i asteroidami w okresie „wielkiego bombardowania”, wywołanego gwałtownymi zmianami orbit planet Układu Słonecznego, w początkach historii naszej planety (między 3,8 a 4,1 mld lat temu). Z tamtego okresu pochodzi większość uderzeniowych kraterów na Księżycu. Ziemia też była wówczas areną ciągłego bombardowania kometami i innymi okruchami kosmicznymi.
Teoria ta miała dotąd jeden słaby punkt: komety, chociaż zwykle zawierają bardzo dużo lodu wodnego, to jednak są ciałami małymi i pojawiającymi się rzadko. Pochodzą też najczęściej z daleka (a więc z Pasa Kuipera, leżącego za Plutonem, lub jeszcze bardziej odległego Obłoku Oorta). Wodę więc musiały „dowieźć” na Ziemię inne obiekty kosmiczne – np. znacznie bliższe i znacznie większe asteroidy. Od dawna podejrzewano, że niektóre z nich mogą zawierać wodę, ale dopiero niedawno udało się to potwierdzić. W połowie 2010 r. dwa niezależne zespoły astronomów z Florida State University oraz John Hopkins University po raz pierwszy wykryły wyraźne spektograficzne ślady wody na asteroidzie. Chodzi o bryłę materii o średnicy około 200 km, zwaną 24 Themis. Okrąża ona Słońce w tzw. głównym pasie planetoid rozciągającym się między orbitami Marsa i Jowisza. Czyli dość blisko Ziemi. 24 Themis przewodzi całej rodzinie podobnych do niej asteroid, które nazywa się też asteroidami dynamicznymi, a czasem kometopodobnymi, ponieważ ciągną one za sobą ogony podobne do kometarnych. Podejrzewano, że zjawisko to spowodowane jest właśnie uwalnianiem drobin wody z ich powierzchni. Teraz wiadomo już, że tak jest.
Zdaniem autorów odkrycia woda jest o wiele bardziej rozpowszechniona na asteroidach pasa głównego niż wcześniej sądzono. W przypadku 24 Themis znajduje się ona – w postaci lodu – nie tylko na powierzchni obiektu, lecz także w jego wnętrzu. Uwiarygodnia to hipotezę, że nasze oceany mają pozaziemskie pochodzenie. Przy czym w hipotezie tej nie neguje się źródła pierwotnego, a więc powstania części zasobów wodnych Ziemi z materii protoplanetarnej. Jakaś część ziemskiej wody z pewnością pochodzi z tego źródła, jednak znacznie więcej wody przybyło do nas z kosmosu i to przede wszystkim ta kosmiczna woda utworzyła dzisiejsze oceany. Ostatnie lata przyniosły wysyp odkryć dowodzących istnienia wody na wielu planetach i księżycach Układu Słonecznego, często na takich, których wcześniej nawet nie podejrzewano o jej obecność. Uważam, że założenie mówiące o tym, że woda na Ziemię dostała się za pośrednictwem asteroid, wcale nie wyklucza tego, że część jej mogła tu trafić w wyniku upadku komet. Na pozaziemskie pochodzenie wody wskazuje też podobieństwo wody zawartej w niektórych kometach i tej, która znajduje się w oceanach i morzach. Międzynarodowy zespół naukowców, (w którym uczestniczyła także Polska Akademia Nauk) wykazał, że proporcje dwóch izotopów wodoru (deuteru oraz zwykłej postaci tego pierwiastka) są w obu przypadkach podobne.
To więc kolejny wielki kataklizm (cała ich seria) przyczynił się w sposób znaczący do zmiany obrazu naszej planety. Wyżej przedstawiłem teorię, że do powstania oceanów, doszło w wyniku „wielkiego bombardowania”, które trwało ok. 300 milionów lat. Myślę jednak, że proces ten trwał znacznie dłużej, i tylko jego intensywność uległa zmianie. Wiele późniejszych upadków komet i asteroid mogło następować w już istniejące oceany, które jak wiemy dziś zajmują prawie 75% powierzchni Ziemi. Ich śladów oczywiście dziś znaleźć nie sposób. Być może udowodni je dalsza analiza chemiczna wód istniejących na Ziemi i w istniejących dziś kometach. Poniżej w tekście wspominam właśnie o jednym z takich „mokrych impaktów”.
Potężne uderzenia kosmicznych skał rzeźbiły w skorupie ziemskiej ogromne kratery, które dla istniejących już pierwszych form życia mogły być przyjaznym środowiskiem do rozwoju.
W wyniku zniszczenia skał pierwotnej skorupy oraz pojawienia się atmosfery i hydrosfery powstały pierwsze osadowe skały okruchowe, które podobnie jak skały magmowe ulegały przetapianiu i przeobrażaniu. Z czasem, w wyniku różnicowania się magmy, zaczęły powstawać pierwsze magmowe skały obojętne, a później kwaśne, tworząc w skorupie pierwsze segmenty sialiczne (mikrokontnenty).
Powyższe informacje wymagają wyjaśnienia. Słowa pojawienie się, powstanie, czy zniszczenie skał pierwotnej skorupy, są bardzo nieprecyzyjne. Nie mówią niczego o przyczynach takich zmian. Mówimy o „wielkim bombardowaniu” w wyniku, którego trafiła na Ziemię woda. Pierwsze wyraźne ślady upadku asteroid datowane są na około 2,5 mld lat, a przecież upadki asteroid miały miejsce już od ponad 4 mld lat. Przypuszczam, że w początkach istnienia naszej planety były one nawet często znacznie większe od późniejszych. To z nimi przybyła na ziemię nie tylko woda, ale i magma, ropa oraz wiele minerałów, do których utworzenia doszło już w pasie asteroid. Nie wiemy, w jakiej postaci trafiły na Ziemię i jak przebiegały kolejne spowodowane następnymi upadkami asteroid reakcje, ale uważam, że aż do około 1 mld – 500 mln lat temu powierzchnia ziemi ona swego rodzaju wielkim laboratorium, w którym ważną rolę odgrywały upadki asteroid. W miarę jednorodna skorupa ziemska powstała wskutek z jej zderzenia z Theą różnicowała się.
Pracując nad wspomnianą książką, wciąż pozyskiwałem nowe informacje. Często zmuszały mnie one do przeredagowania pewnych jej fragmentów. Powinienem również poprawić poprzedni akapit. Postanowiłem jednak go pozostawić i tylko uzupełnić o kolejną informacje. W ten sposób możemy dostrzec jak szybko zmienia się obecnie nasza wiedza. Napisałem, że pierwsze wyraźne ślady upadku asteroid są datowane na 2,5 mld lat, tymczasem okazuje się, że dziś musimy przesunąć tę datę o całe pół miliarda lat.
Grupa naukowców z Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS) wraz z badaczami z Walii, Szwecji i Rosji zidentyfikowała najstarszy ślad kosmicznej kolizji na Ziemi. Jest nim 100-kilometrowej średnicy krater, leżący u zachodniego wybrzeża Grenlandii w rejonie Maniitsoq, który powstał w wyniku uderzenia potężnej asteroidy lub komety, do którego doszło 3 miliardy lat temu. Poszukiwania nie były łatwe, bowiem struktura ta nie przetrwała do naszych czasów w charakterystycznym kształcie. Po zderzeniu pozostały tylko ślady zapisane głęboko pod powierzchnią. Te ślady to sposób ułożenia skał granitowych, które można wyjaśnić tylko uderzeniem asteroidy, bo żadne znane procesy ich nie tłumaczą. To także charakterystyczne pęknięcia pokładów kwarcu, które obserwowano już w innych kraterach uderzeniowych. Ich odczytanie zajęło badaczom trzy lata, a ich interpretacja nie od razu spotkała się z akceptacją środowiska naukowego.
Warto tu przypomnieć również i to, że na Księżycu zaobserwowano liczne kratery uderzeniowe sprzed 3 do 4 miliardów lat. Młoda Ziemia ze swą znacznie większą masą musiała doświadczyć w tym okresie jeszcze silniejszego bombardowania. Znalezienie jego śladów nie jest jednak łatwe, bo woda i atmosfera przyczyniły się do ich ukrycia. Wiele z nich znalazło się też pod warstwami młodszych skał.
Za jeden z najstarszych dużych kontynentów w dziejach Ziemi uważa się Kenorland, który powstał około 2,7 mld lat temu na skutek połączenia się kilku mniejszych kratonów: Baltiki, Laurencji, zachodniej Australii i Kalahari. Kontynent ten rozpadł się już na początku paleoproterozoiku. Być może właśnie na skutek kolejnych kataklizmów, upadku wielkich meteorytów właśnie w tym czasie, o których wspominam poniżej. Po upływie pół miliarda lat uformował się superkontynent Kolumbia (zwany też kontynentem Hudsona lub Nuna), którego trzon stanowiły Laurencja, Baltika i Angara, a w części brzeżnej znajdowały się kratony Pilbara, Kalahari, Dekanu i wschodniej Antarktydy. Na początku mezoproterozoiku zaczął się rozpad Kolumbii, jednak już po kolejnej połowie miliarda lat kontynenty połączyły się w innej konfiguracji, tworząc superkontynent Rodinę.
Dla celów tego artykułu wybrałem tylko kilka informacji spośród wielu zawartych w mojej książce. Myślę jednak, że już one powinny wystarczyć, by odrzucić hipotezę o jakimś „puchnięciu”, „rozdęciu się” skorupy ziemskiej. Odrzucić pojęcie jakichś „nasion”, z których wyrosły kontynenty. Dziwię się, że naukowcy jeszcze dziś posługują się takim językiem.
Wspomniani naukowcy, a za nimi pani redaktor twierdzą też, że zrozumienie sposobu formowania się skorupy ziemskiej ma również bardziej praktyczny cel. Naukowcy zwrócili uwagę, że dzięki temu i podobnym odkryciom są w stanie zlokalizować nowe źródła metali do celów wydobywczych.
Do dziś miejsca występowania metali, ropy lokalizowane są na bazie śladów kataklizmów kosmicznych (kraterów).
Dziś, dla wielu badaczy jest rzeczą wręcz oczywistą, że wymaga weryfikacji wiele wcześniejszych założeń z zakresu geologii. Na przykład, badania prowadzone nad pierwszym znanym i zarazem jedynym z najmłodszych, ziemskich kraterów impaktowych, kraterem Meteor Crater (lub Krater Barringera) w Arizonie, naprowadziły naukowców na trop, który pozwolił rozwikłać zagadkę niezwykle bogatych złóż metali w pobliżu innych kraterów impaktowych na świecie. Do czasów badań nad kraterem Meteor Crater podobne formy terenu na Ziemi uważano głównie za twory geologiczne, powstałe na skutek wybuchu wulkanu lub gwałtownej erupcji pary wodnej, którą spowodowało wdarcie się magmy do podziemnego zbiornika wody gruntowej (tzw. maar). Amerykański geolog i astronom Gene Shoemaker obserwując kratery po próbnych eksplozjach nuklearnych doszedł do wniosku, że podobnie jak krater w Arizonie zawierają one dziwne szkliste struktury krystaliczne. Dziś wiemy, że to stiszowit, rodzaj metamorficznej formy kwarcu (dwutlenku krzemu), do którego powstania konieczna jest temperatura 1200–1400 °C i ciśnienie rzędu 160 tys. atm. Dodatkowo obszar wokół krateru w Arizonie usiany był odłamkami prawie czystego żelaza, które w tej formie nie występuje praktycznie na Ziemi. Kazało mu to przypuszczać, że spadł tam olbrzymi meteoryt. Uderzenie asteroidy w powierzchnię Ziemi wyzwala olbrzymią energię, która oprócz wydrążenia krateru i zasypania kilkuset kilometrów kwadratowych pyłem i odłamkami, powoduje stopienie okolicznych skał. Uderzenie tak dużego ciała w skorupę ziemską należy traktować, więc jako wydarzenie geologiczne[2]. Nie sposób udowodnić, że w warstwie skorupy ziemskiej od 4,5 mld lat do czasów obecnych zachodziły takie procesy (powstanie temperatury i ciśnienia), które mogły doprowadzić do powstania w niej wielu minerałów, gazów czy ropy. Takie musiały mieć miejsce poza Ziemią lub w wyniku zderzenia z nią asteroid, lub komet. Wiele wskazuje, że trafiły one na Ziemię wraz z asteroidami. Do ich utworzenia doszło w pasie asteroid, być może kolejne ich zderzenia prowadziły do dalszych zmian, do takich mogło dochodzić również w wyniku wejścia w atmosferę ziemską i uderzenia w Ziemię.
Cóż, może powyższe uwagi zachęcą Państwo do sięgnięcia do mojej książki. A może mają Państwo zdanie odmienne. Zachęcam do dyskusji. Z wielką chęcią zamieścimy Państwa uwagi na łamach naszej gazety. Dyskusja jest twórcza. Nikt nie ma monopolu na „mądrość”.
Piotr Kotlarz
Obraz Aynur Zakirov z Pixabay
[1] Klaudia Stawska, Skorupa Ziemi gwałtownie się zmieniła. Odkrycie potwierdza piasek z Grenlandii. https://tech.wp.pl/skorupa-ziemi-gwaltownie-sie-zmienila-odkrycie-potwierdza-piasek-z-grenlandii-6600066241395680a, 25-01-2021 07:45
[2] Por.: Wikipedia: hasło – Krater Meteorytowy.
