Od małych minerałów do wielkich interpretacji. Historia wczesnej Ziemi skrywa wiele tajemnic [WYWIAD]

Czy na podstawie niewielkich próbek cyrkonów można stwierdzić, jak wyglądały kontynenty przed miliardami lat? Okazuje się, że tak. O najstarszych czasach naszej planety wiemy niewiele, ale geolodzy z Polskiej Akademii Nauk pracują, aby braki w wiedzy uzupełnić. Rozmawialiśmy z Piotrem Królem z Instytutu Geofizyki PAN na temat najstarszych skał i minerałów na świecie, jak i o potencjalnie pierwszym w historii Ziemi superkontynencie sprzed 4 mld lat.
Naukowcy PAN na Grenlandii / fot. Marcin Mieszczak
Naukowcy PAN na Grenlandii / fot. Marcin Mieszczak

Jakub Zygmunt, Focus.pl: Na początek chciałbym się zapytać, gdzie znajdują się najstarsze skały na świecie?

Piotr Król, Instytut Geofizyki PAN: Akurat to pytanie bardzo często ludzie mi zadają. Najstarszymi skałami na świecie są gnejsy z kompleksu Acasta, który znajduję się w Terytoriach Północno-Zachodnich w Kanadzie. Liczą one nieco ponad 4 mld lat. I w zasadzie to jedyne skały, które zostały wydatowane powyżej tej granicy wieku. Jeśli natomiast mowa o nieco „młodszych” skałach wieku eoarchaicznego (4-3,6 mld lat), to jest kilkanaście stanowisk ich występowania. Większość w regionach trudno dostępnych dla człowieka – mowa na przykład o Grenlandii (skały Issua), półwyspie Labrador i Antarktydzie (kompleks Napier) ze skałami dochodzącymi do 3,8 mld lat. Są również pojedyncze stanowiska np. w północnych Chinach, Australii, czy Południowej Afryce. Każde z tych miejsc jest bardzo ważne dla zrozumienia wczesnej historii naszej planety.

Mówimy o najstarszych skałach na świecie, ale również tak samo można wypowiedzieć się o minerałach.

Najstarsze minerały na naszej planecie zostały zachowane w postaci ziaren cyrkonu, czyli krzemianu cyrkonu (nie myląc ich z pierwiastkiem cyrkonu o symbolu Zr). Próbki z Jack Hills z najstarszymi cyrkonami mają 4,43 mld lat. Oczywiście zostały one przebadane przez spore grono naukowców w ciągu ostatnich 20 lat i są niezbitym dowodem na to, że już wtedy na Ziemi istniała skorupa kontynentalna, czyli pierwsze kontynenty.

Czytaj też: Odkryto nowy minerał we wnętrzu Ziemi – davemaoit. Wcześniej jego istnienie wynikało tylko z teorii

Naukowcy PAN na Grenlandii / fot. Marcin Miszczak

Projekt naukowy PAAN Polskiej Akademii Nauk (Polish Together. Missing link between Arctic and ANtarctic Early Earth record), którego jesteś członkiem zespołu badawczego, ma za zadanie znaleźć wspólny mianownik między Arktyką i Antarktyką w kontekście historii geologicznej wczesnej Ziemi. Między innymi chodzi o hipotezę, że przed 4 mld lat istniał już pierwszy superkontynent. Skąd takie podejrzenia, że tereny na dwóch przeciwległych biegunach mogły mieć ze sobą coś wspólnego?

Teraz te kontynenty są na przeciwległych biegunach, ale 4 mld lat temu na pewno tak nie było. Dzisiaj działa chociażby tektonika płyt (choć nie wiemy, czy istniała ona w tamtym czasie). Przede wszystkim to o eoarchaiku wiemy bardzo mało. Był to okres „morskiej Ziemi” – sądzi się, że mało lądów wystawało nad powierzchnię wody, a objętość oceanów była większa niż dzisiaj. Zatem wracając do naszej hipotezy dotyczącej tego, że skały z Arktyki i Antarktyki pochodzą z tego samego lądu, to odwrócę zdanie i powiem, że nie ma przesłanek, żeby tak nie twierdzić.

Jak dotąd naszą pracę opieramy na datowaniu i badaniu różnych chemicznych cech cyrkonów. Są to jedyne minerały, jakie znamy z tych czasów – to są takie „czarne skrzynki”, które przechowują informacje o tym, co się działo 4 mld lat temu. Zatem to, co chcemy znaleźć w nich, to pewne korelacje (połączenia), które będą przyczyną do dalszych badań. Obszary, w których pracujemy są słabo zbadane. Ostatnio byliśmy na Grenlandii, gdzie na temat tamtych skał powstała ledwie jedna praca naukowa i to kilkadziesiąt lat temu.

Czytaj też: „Wielka Niezgodność”, czyli dlaczego w skałach brakuje śladów miliarda lat w historii Ziemi?

Naukowcy PAN na Grenlandii / fot. Marcin Miszczak

Historia początków Ziemi zapisana w minerałach

Zostańmy jeszcze chwilę przy cyrkonach. Dlaczego tak bardzo są cenne w badaniach skał sprzed miliardów lat?

Jest kilka cech cyrkonów, które sprawiają, że są fantastycznym materiałem badawczym. Po pierwsze są dość powszechne. Pomimo tego, że są minerałem akcesorycznym (jest ich do 1 proc. w skale), występują we wszystkich typach skał: magmowych, osadowych i metamorficznych. Cyrkon to również bardzo wytrzymały minerał, który dobrze znosi wysokie temperatury i ciśnienie. W kontekście geochronologii (datowania) zawiera on wysoką zawartość pierwiastków promieniotwórczych, które rozpadają się do radiogenicznego ołowiu – takimi elementami są chociażby uran i tor, które przez podobieństwo do pierwiastkowego cyrkonu lubią go zastępować w strukturze minerału. Zatem cały ołów, który znajdujemy dzisiaj w cyrkonach jest pochodzenia radiogenicznego, a to pozwala nam dokładnie datować izotopowo skałę.

Ponadto na podstawie innych izotopów – lutetu i hafnu – wchodzących w skład minerału możemy dowiedzieć się, jaka jest historia magmy, z której cyrkon wykrystalizował – czy miała charakter pierwotny, czy pochodziła z wcześniej przetworzonych skał.

Mało tego, możemy poznać także skład izotopów tlenu w cyrkonie i określić w ten sposób, jaki był udział skał skorupowych (w tym również osadowych) w magmie, z której krystalizowały badane przez nas minerały. To są główne metody geochemiczne, jakich używamy. Na ich podstawie możemy dojść do dobrych konkluzji, co się działo, jakie procesy zachodziły na Ziemi i w jakim dokładnie czasie.

Czytaj też: Antarktyda topnieje w zastraszającym tempie. Są też jednak dobre wieści

W jakich skałach znajdujecie analizowane przez Was cyrkony?

Są to skały metamorficzne, żadne inne, ponieważ nie ma na świecie skał, które by nie uległy metamorfizmowi od tamtego czasu. Jeśli chodzi o nasze tereny badań (Antarktyda, Grenlandia i półwysep Labrador), to są to skały magmowe, które zostały przeobrażone w wysokich temperaturach, dosłownie spieczone przy ponad 800 st. C. Takie skały nazywa się granulitami.

Badania nad cyrkonami w laboratorium / fot. Piotr Król, archiwum prywatne

Już rozumiemy naturę cyrkonów, wiemy, skąd pobieracie próbki, ale jakich konkretnych poszlak szukacie w skałach z północy i południa? Gdzie może być ten wspólny mianownik?

Przede wszystkim interesuje nas wiek tych skał. Będziemy korelować (łączyć) wiek i pewne cechy izotopowe cyrkonu z różnych stanowisk. Ponadto zbadamy skład chemicznych całych skał – one zostały poddane metamorfizmowi regionalnemu, czyli domniema się, że układ chemiczny metamorfizmu był zamknięty, tzn. „wszystko gotowało się w tej samej zupie”.

Ten skład także porównamy z różnych stanowisk. Zresztą takie badanie geochemiczne także dużo mówi nam o głębokości wytopu magmy, co może nam pomóc w zrozumieniu, gdzie zachodziły procesy magmatyczne – czy w strefie subdukcji, czy w strefie ryftowej, o ile takie istniały. A to już jest jest poważną, daleko idącą interpretacją na temat eoarchaiku.

Czytaj też: Takich próbek jeszcze nikt nie tu zbierał! Zbadali, jak Arktyka się zmienia przez klimat

Zajmujecie się tylko z pozoru bardzo drobnymi detalami niewidzialnych gołym okiem minerałów, z których paradoksalnie można wyinterpretować, jak wyglądał świat 4 mld lat temu.

Dokładnie. Dodam jeszcze, że obecnie zajmuję się badaniem składu izotopowego tlenu w cyrkonach z Antarktydy. Wyniki dają jednoznaczny dowód, że pewien fragment skał w eoarchaiku był wynurzony ponad powierzchnię oceanów i wystawiony na działanie warunków atmosferycznych. To jest coś fascynującego, że z małych cyrkonów możemy wyjść do tak dużych interpretacji dotyczących całego środowiska.

Zwłaszcza, że w terenie nasze skały często wyglądają tak samo, gołym okiem nie różnią się niczym się od siebie (przyczyną jest to metamorficzne „podgrzanie” w wysokich temperaturach), ale kiedy dogłębnie je badamy, to okazują się kompletnie różne.

Badane skały w przybliżeniu / fot. Marcin Miszczak

Superkontynenty w historii Ziemi – ile ich było?

Wracając do zasadniczego celu Waszych badań, czy Pangea – superkontynent istniejący na Ziemi na przełomie ery paleozoicznej i mezozoicznej – była jedynym takim „superlądem” w historii naszej planety? Czy może jednak był jeszcze wcześniej jakiś inny?

Nie, nie. Przed Pangeą była chociażby jeszcze Rodinia około miliarda lat temu, a wcześniej jeszcze kilka innych superkontynentów z okresu proterozoiku i archaiku.

A czy te skały, które badacie, faktycznie mogą być częścią tego pierwszego, najstarszego na Ziemi superkontynentu?

Byłbym jednak ostrożnym z użyciem tego terminu. W eoarchaiku skorupa ziemska była bardzo niestabilna, co było związane z większą ilością ciepła we wnętrzu Ziemi. Ponadto wtedy udział skorupy oceanicznej na całej planecie był znacznie większy. Jeśli zatem mówimy w przypadku naszych skał jako o fragmencie najstarszego superkontynentu, to tylko i wyłącznie takiego w skali mikro.