Rendkívüli kőzeteket találtak a földtörténet kezdetéről

A Földdel csaknem egykorú kőzetekre bukkantak amerikai geológusok a Kanadához tartozó Baffin-szigeten. A vulkanikus kőzetek korát 4,55-4,45 milliárd évesre teszik, keletkezésükkor a Föld felszínén még izzó magmaóceán lehetett.

Földünk pontos koráról nincs teljes egyetértés a tudósok körében (néhány tíz-százmillió éves eltérések vannak az egyes eredmények között), de a 4,6 milliárd év az általánosan elfogadott. A most felfedezett, eddig ismert legidősebb kőzetek betekintést nyújtanak a Föld életének hajnalába. Ez a köpenyeredetű anyag kimaradt a geológiai körforgásból, így maradhatott meg eredeti állapotában. Ez lehet a kulcs Földünk fejlődésének jobb megismeréséhez - mondja Richard Carlson, a Carnegie Intézet geológusa.

A kőzetek

A földtörténet korai szakaszából származó kőzetmaradványok rendkívül ritkák, mivel túlnyomó részük a lemeztektonika földfelszínt megújító folyamatainak eredményeképpen folyamatosan újraolvad, módosul, ezért számít rendkívüli jelentőségűnek egy több milliárd éves kőzetdarab felszínre bukkanása.

Ezek a máig megőrződött köpenyeredetű kőzetek (ún. "köpenyrezervoárok") csupán néhány 10 millió évvel azután keletkeztek, hogy a bolygó összeállt az egymással ütköző kisebb testekből, és a mag már differenciálódott (a differenciálódás az az eseménysor, melynek során az égitestek elnyerik réteges szerkezetüket, azaz belsejük különböző tulajdonságú övekre tagolódik), azonban még azelőtt, hogy megindult volna a mai kéreg elkülönülése. Bár a kéreg későbbi megszilárdulásával egy új folyamat, a lemeztektonika lépett fel, és teljesen újraformálta a Föld felszínét, az ősi köpenyanyag kis részletei mégis megőrződtek eredeti formájukban.

A Föld belső szerkezete

A Föld anyaga a differenciáció folyamán különböző fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkező rétegekre különült el.

A Föld belső szerkezetére és összetételére a földrengéshullámok terjedése alapján lehet következtetni. A rengéshullámok terjedési sebességét ugyanis befolyásolja, hogy milyen sűrű közegen haladnak át. A földrengéskor keletkező hullámok sebességének mérése alapján a Föld belseje eltérő halmazállapotú és sűrűségű övekre oszlik: kéreg (a Föld legkülsőbb kőzetburka), köpeny (közel 2900 km vastag, szilikátokban gazdag gömbhéj, mely a bolygó magját burkolja be) és mag (a Föld belső szerkezetének vasban gazdag legbelső öve).

A fő rétegek továbbonthatók kisebb övekre:

0 - 40 km: szilárd kéreg (óceáni és szárazföldi)
40 - 400 km: felső köpeny (felső szilárd rész és alsó képlékeny asztenoszféra)
400 - 650 km: átmeneti réteg
650 - 2700 km: szilárd alsó köpeny
2700 - 2890 km: D-réteg
2890 - 5150 km: folyékony külső mag
5150 - 6378 km: szilárd belső mag

A Föld tömegének legnagyobb részét (mintegy kétharmadát) a szilikát kőzetöv (a szilikátokban gazdag köpeny és kéreg együttes, melynek túlnyomó részét a köpeny teszi ki, a kéreg csupán 1 százalékát) alkotja.

Az ősi szilikát kőzetövet, amikor a köpeny és a kéreg nem különült el, gyakran primitív köpenynek nevezik. Összetételének megállapításával a Föld több milliárd évvel ezelőtti állapotára lehet következtetni.

Erre egyrészt a köpenyből származó kőzetminták (tektonikus úton felszínre került peridotitok vagy nagy mélységből feltörő lávák által felhozott köpenydarabkák, ún. peridotit xenolitok - a peridotit a földköpeny jellemző kőzete) elemzése nyújt lehetőséget. E kőzetek természetesen csak közvetve tükrözik a köpeny összetételét, hiszen a felszín felé vezető útjukon a változó körülmények (pl. nyomás, hőmérséklet) hatására valamennyire módosulhatnak.

A másik lehetőséget a kondritok (kicsiny gömböket, görögül kondrumokat, azaz magokat tartalmazó meteoritek) kémiai vizsgálata jelenti. A kondritok (azon belül is a szenes kondritok) összetétele áll ugyanis a feltevések szerint legközelebb az ősi anyag összetételéhez, amelyből a Naprendszer bolygói kialakultak (ez az elmélet a kondritos földmodell).

A kutatást vezető Matthew Jackson (Boston University) és kollégiái a baffin-szigeti lávakőzetek ősi voltát az izotóp-összetétel vizsgálatával állapították meg. A hélium-3 izotóp szokatlanul magas arányát mutatták ki bennük, mely tulajdonság a Föld történetének korai szakaszában volt jellemző. Az azóta eltelt évmilliárdok alatt a hélium-3 izotóp azonban nagyrészt eltávozott a bolygó anyagából, és helyette a hélium-4 dúsult fel fokozatosan. Ennek eredményeképp a fiatalabb kőzetekben magasabb a hélium 4-es izotópjának aránya. A Baffin-sziget magmás kőzeteinek nagy hélium-3 tartalma tehát ősi eredetükre utal. A radiometrikus kormeghatározás alapján korukat 4,55 és 4,45 milliárd év között határozták meg.

Korábbi csúcstartók

A mostani felfedezést megelőzően az ismert legidősebb kőzetei 3,8-4,28 milliárd év közötti Nuvvuagittuq zöldkő-övezetetben találhatók, amely szintén Kanadában helyezkedik el, Quebec északi részén, a Hudson-öböl keleti partján. Hasonló korú az ország északnyugati területéről származó Acasta gneisz is (4,03 milliárd éves).

A kutatók nagy része elfogadja azt az elméletet, hogy a kéreg elkülönülése előtt a köpeny kémiai összetétele a kondritos meteoritekéhez volt hasonló, de a kéreg kialakulása folyamán módosult. Az inkompatibilis elemek (a magma kihűlésekor nem épülnek be ásványokba, hanem sokáig az olvadékban maradnak: Rb, Ba, U, Th, Ta, Na, K) nagy része ugyanis ekkor a köpenyben végbemenő olvadással keletkezett magmával távoztak a köpenyből a kéregbe.

Jackson és kollégiái azonban megkérdőjelezték ezt a modellt. Úgy vélik, a köpenyanyag már a kéreg létrejötte előtt is szegény volt inkompatibilis elemekben.

Két elképzelésük van erre vonatkozóan: vagy egy korai differenciálódás történt, vagy a Föld olyan blokkokból állt össze, melyek eleve kevés inkompatibilis elemet tartalmaztak. A kutatók az előbbit tartják valószínűnek. Eszerint létezett egy globális magmaóceán, melynek felszíne kihűlt és egy instabil primitív kérget alkotott (felhalmozva az inkompatibilis elemeket), de a magas vastartalom miatt hamar lesüllyedt és nagyrészt beolvadt, ám egyes darabjai megmaradtak eredeti állapotukban.

Ez az új elmélet megváltoztathatja tehát a Föld fejlődésének kezdeti szakaszáról való elképzelésünket. A kondritos modell ellen a kutatók az ősi köpenydarabok neodymium izotóp arányát hozták fel bizonyítékként. A Baffin-szigeteken talált idős kőzeteknek ugyanis jóval magasabb a neodymium-tartalma, mint a kondritokénak, azaz mint ami a kondritos modell alapján várható lenne.

Miért tulajdonítanak nagy jelentőséget az új felfedezésnek?

A különböző övekben és földtörténeti szakaszokban keletkezett kőzetek kémiai összetétele információt hordoz a Föld kialakulásának és fejlődésének, illetve differenciálódásának körülményeiről. A bolygó fejlődéstörténete az ősi kőzetek és meteoritek nyom- és főelem, valamint izotóparány viszonyaiban van kódolva.

Az újonnan felfedezett, bolygónk újszülött korából származó kőzetek összetételéből a fiatal, még formálódó Föld összetételére lehet következtetni.