Najstarsze dzieje naszej planety wciąż kryją wiele tajemnic. Jesteśmy jednak w stanie w dużym przybliżeniu odtworzyć wygląd zarówno młodej Ziemi, jak i całego Układu Słonecznego. Oto ta historia, w największym skrócie.

Artystyczna wizja młodej planety.

Artystyczna wizja młodej planety typu ziemskiego. Krajobraz Ziemi przed czterema miliardami lat był jednak prawdopodobnie zdominowany nie przez wysokie góry, ale kratery uderzeniowe. Rys. NASA/JPL-Caltech.

Kiedy powstała Ziemia?

Na Ziemi nie zachowały się niemal żadne pamiątki po pierwszym miliardzie lat jej dziejów. Skąd więc wiemy, kiedy powstała nasza planeta? Wskazówkę stanowią skały pochodzące z innych planet oraz satelitów Układu Słonecznego. Najstarsze skały rozpoznane na Księżycu wydatowano na prawie 4,5 mld lat. Wiek meteorytów to blisko 4,6 mld lat. Możemy więc przypuszczać, że planety naszego układu powstały nieco wcześniej, z wielkiej chmury materii, która dała początek Słońcu oraz okrążającym je ciałom kosmicznym.

Dlaczego wiek Ziemi ustalamy badając inne planety oraz Księżyc? W odróżnieniu od innych, bliskich nam ciał kosmicznych powierzchnia Ziemi podlega nieustającym przemianom, które prowadzą do niszczenia najstarszych skał. Kontynenty przemieszczają się po powierzchni planety (teoria tektoniki kier litosfery), niszcząc skorupę oceanów znajdujących się pomiędzy nimi. Ciepło dopływające z wnętrza planety powoduje przetapianie materii, powodując nieustanne krążenie pierwiastków w obrębie skorupy. Gęsta atmosfera i związane z jej działaniem procesy powodują stałe niszczenie (wietrzenie i erozję) skał znajdujących się na powierzchni. Wszystko to odróżnia Ziemię od innych planet, stanowi niezbędny warunek umożliwiający podtrzymanie życia, ale niszczy jednocześnie zapis najstarszych dziejów.

Jak wyglądała młoda Ziemia?

Początkowo planetę stanowił niezróżnicowany obłok rozgrzanej materii międzyplanetarnej, która ulegała ciągłemu zagęszczaniu, a później całkowitemu przetopieniu. Najcięższe pierwiastki pozostały wewnątrz młodej Ziemi, tworząc jądro. Wyżej utworzył się płaszcz, w obrębie którego dochodziło do cyrkulacji materii, podlegającej konwekcji, czyli wynoszeniu w niektórych miejscach ku powierzchni. Na zewnątrz zgromadziły się najlżejsze pierwiastki, tworząc skorupę. Gazy (przede wszystkim dwutlenek węgla, azot i kwas solny) stały się pierwszą atmosferą młodej Ziemi.

Ziemia 4 mld lat temu.

Próba rekonstrukcji wyglądu Ziemi przed czterema miliardami lat. W rzeczywistości kontynenty były o wiele mniejsze, w znacznie większym stopniu przykryte wodami oceanów. W pobliżu południowego bieguna widoczne skutki niedawnej kolizji z dużym ciałem kosmicznym. Rys. Simone Marchi (SwRI), SSERVI, NASA.

Nie wiadomo dokładnie, jak szybko doszło do ostygnięcia przypowierzchniowych warstw planety, które utworzyły skorupę ziemską. Jednak już około 4,45 miliarda lat temu musiały istnieć jakieś skały. Co więcej, prawdopodobnie doszło już wówczas do rozdzielenia skorupy na gęstszą (dzisiaj jest to skorupa oceaniczna), oraz lżejszą, bogatą w krzemionkę, krystalizującą w postaci kwarcu oraz skaleni – najpopularniejszych minerałów budujących dzisiejsze kontynenty.

Skąd wiemy, kiedy pojawiła się ta skorupa, przypominająca już w pewnym stopniu dzisiejszą skorupę ziemską? Mówi nam o tym cyrkon – niezwykle odporny minerał, występujący w niewielkich ilościach (a więc będący minerałem akcesorycznym) w skałach granitoidowych. Skały takie, liczące więcej niż 4 miliardy lat, nie zachowały się. Uległy niemal całkowitemu przetopieniu – z wyjątkiem znajdujących się w nich cyrkonów. To właśnie te cyrkony znaleziono w skałach Australii, datując je za pomocą metod radiometrycznych na ponad 4,4 miliarda lat. Oznacza to, że już wtedy istniały na Ziemi skały podobne do granitów, a więc zbudowane głównie z kwarcu i skaleni. Są to zatem typowe skały skorupy kontynentalnej.

Pierwsze oceany

Badania geochemiczne najstarszych cyrkonów wykazały, że ulegały one działaniom tak zwanych roztworów hydrotermalnych, co pozwala na przypuszczenie, że już około 4,4 mld lat temu większość (jeśli nie cała powierzchnia) planety pokryta była oceanami. Choć Słońce dostarczało wtedy tylko 70% dzisiejszych ilości energii, to obfitość dwutlenku węgla w atmosferze powodowała silny efekt cieplarniany. Temperatury rosły, być może nawet nawet do poziomów bliskich 100 °C.

Dodatkowym impulsem powodującym wzrost temperatur była kilkakrotnie wyższa niż obecnie dostawa ciepła z wnętrza Ziemi. Niewykluczone więc, że niekiedy dochodziło do częściowego wyparowania pierwotnych oceanów, zwłaszcza w okresach następujących po upadkach dużych ciał kosmicznych. Warunki dla życia, które narodziło się w wodzie, były zatem wówczas niekorzystne.

Kosmiczne bombardowanie

Najstarsze ziemskie skały ulegały niszczeniu nie tylko z powodu ciągłej wędrówki kontynentów oraz w wyniku działania procesów wietrzenia i erozji. Wiadomo, że w początkach dziejów Ziemi (i całego Układu Słonecznego) na powierzchnię naszej planety spadało bardzo wiele dużych meteorytów (tak zwanych bolidów), a nawet całych planetoid. Dzisiaj takie katastrofy zdarzają się niezmiernie rzadko. Prawdopodobieństwo upadku dużego ciała kosmicznego za naszego życia jest praktycznie zerowe. Wówczas, w początkach Układu Słonecznego, sytuacja była jednak inna: orbity wielu planetoid przecinały się z orbitami planet, co prowadziło do nieuchronnych kolizji. Z czasem doszło do „oczyszczenia” układu planetarnego. Planetoidy zgromadziły się w rejonie pasa planetoid pomiędzy Marsem a Jowiszem lub stały się satelitami planet.

Młodośc Układu Słonecznego.

Niespokojny Układ Słoneczny, ponad cztery miliardy lat temu. Na powierzchnie planet nieustannie spadały meteoryty, bolidy oraz duże planetoidy. Rys. NASA Discovery Program.

Upadki dużych ciał kosmicznych na powierzchnię Ziemi również prowadziły do niszczenia skał. Jedna z kolizji była katastrofą na gigantyczną skalę. Uderzenie ciała o wielkości prawdopodobnie zbliżonej do wielkości Marsa (astronomowie nadali mu nazwę Thea) spowodowało przetopienie niemal całej skorupy Ziemi, a także wybicie dużej ilości materii w przestrzeń kosmiczną. Materia ta przypuszczalnie utworzyła wówczas Księżyc. Nie wiemy dokładnie, kiedy to wydarzenie miało miejsce, być może krótko po powstaniu Ziemi, a na pewno wcześniej niż cztery miliardy lat temu.

Począwszy od około 3,8 miliarda lat temu upadki dużych ciał kosmicznych stały się dużo rzadsze – jednak nie tak ekstremalnie rzadkie, jak w najbliższym nam fragmencie dziejów planety. Znaleziska z południowej Afryki, datowane na około trzy miliardy lat pokazują, że także wtedy zdarzały się duże katastrofy kosmiczne, a ich częstotliwość, choć już niewielka, była i tak o wiele większa niż podczas ostatniego miliarda lat.

Powstanie Księżyca.

W ten sposób mógł powstać Księżyc, w wyniku gigantycznej kolizji przed ponad czterema miliardami lat. Rys. NASA/JPL-Caltech.

Najstarsze skały

Wielokrotne przetapianie zewnętrznych warstw Ziemi, połączone z odprowadzaniem cięższych pierwiastków do jej wnętrza, a także ze stopniowym ochładzaniem się skorupy i płaszcza ziemskiego, doprowadziło do powstania pierwszych kontynentów. Były one – tak jak dzisiaj – zbudowane głównie ze skał bogatych w krzemionkę (dwutlenek krzemu), określanych często mianem kwaśnych. Skały takie to przede wszystkim granitoidy.

W odróżnieniu od cienkiej, zbudowanej z bazaltu skorupy oceanicznej, ulegającej szybkiemu niszczeniu, kontynenty stanowią o wiele stabilniejsze struktury. Prawdopodobnie pojawiły się one już około 4,4 mld lat temu. Świadczą o tym wspomniane wcześniej cyrkony, pochodzące właśnie z granitoidów.

BIF ze skał z Isua na Grenlandii.

Jedna z najstarszych skał na Ziemi, pochodząca z kompleksu Isua na Grenlandii i licząca około 3,8 mld lat. Ciemne warstewki są interpretowane przez niektórych naukowców jako efekt działalności życiowej pierwszych organizmów. Fot. James St. John.

Ze względu na liczne upadki dużych ciał kosmicznych oraz wysoką temperaturę wnętrza Ziemi te najstarsze kontynenty – i budujące je skały – w zasadzie nie zachowały się do dzisiaj. Najstarsze duże fragmenty skał datowane są na około 3,8 miliarda lat. Zachowały się natomiast całkiem spore fragmenty skorupy kontynentalnej sprzed 3,5 mld lat. Dzisiaj budują one przede wszystkim fragmenty północno-wschodniej Kanady, Grenlandię, zachodnią Australię, a także południową Afrykę.

Najstarsze kontynenty

Skorupa kontynentalna sprzed 3,5 miliarda lat pozwala nam na podjęcie próby rekonstrukcji wyglądu ówczesnych kontynentów. Niemal na pewno były one bardzo małe. Kontynenty takie jak współczesne nie miałyby szans przetrwania, ponieważ o wiele cieplejsze niż obecnie wnętrze Ziemi i unoszące się w płaszczu silne strumienie konwekcyjne doprowadziłyby do ich natychmiastowego rozerwania.

Pierwotna skorupa kontynentalna była prawdopodobnie dużo cieńsza niż obecnie. Kontynenty były zatem prawdopodobnie w dużym stopniu zalane wodami płytkich mórz, a jedynie ich niewielkie, centralne fragmenty pozostawały wynurzone.

Pierwsze ziemskie „kontynenty” były więc raczej wyspami. Trzy miliardy lat temu zaczęły się one łączyć, tworząc kontynenty z prawdziwego zdarzenia. Jednym z nich była Vaalbara, którą tworzyły dwa fragmenty skorupy kontynentalnej oddzielone dzisiaj Oceanem Indyjskim – znajdująca się obecnie w północno-zachodniej Australii tarcza Pilbara oraz budująca podłoże południowej Afryki tarcza Kaapvaal.

Skały osadowe znalezione przez geologów w południowej Afryce pozwalają na stwierdzenie, że kontynent Vaalbara otoczony był oceanami, a na jego wybrzeżach powstawały osady zbliżone do współczesnych. Skały te powstały między innymi w wyniku intensywnego falowania, a także w wyniku oddziaływania pływów morskich.

Choć osady tworzące się przed trzema miliardami lat na obrzeżach kontynentu Vaalbara są nieco podobne do współczesnych, to jednak zauważyć można istotne różnice. Przede wszystkim inny jest skład mineralny piasków budujących plaże współczesne oraz te z pierwszego eonu dziejów Ziemi, czyli z archaiku. Dzisiaj głównym minerałem, z którego zbudowane są ziarnka piasku, jest kwarc; natomiast w gorącym klimacie powstają osady węglanowe (z węglanu wapnia, CaCO3). To między innymi efekt działania tlenowej atmosfery Ziemi. W najstarszych skałach osadowych znaleźć można natomiast minerały, które ulegają szybkiemu utlenianiu. To oznacza, że ówczesna atmosfera różniła się znacząco od współczesnej.

Powstanie ziemskiej atmosfery

Najstarsza ziemska atmosfera składała się zapewne głównie z dwutlenku węgla oraz azotu, z podrzędnymi ilościami kwasu solnego, wodoru i argonu. Obecność HCl, w połączeniu z intensywną działalnością gorących źródeł powodowała prawdopodobnie zakwaszenie wód oceanicznych, których pH oscylowało pomiędzy 5-6. Tlen pojawił się w atmosferze o wiele później – przez długi czas uważano, że wydarzenie to miało miejsce około 2,2 mld lat temu, podczas tak zwanego wielkiego zdarzenia oksydacyjnego. Obecnie coraz więcej przesłanek wskazuje na to, że wolny tlen zaczął się pojawiać, choć początkowo tylko w wodach oceanów, o wiele wcześniej, być może już przed trzema miliardami lat.

Najstarsze ślady życia

Co spowodowało tak istotne zmiany składu atmosfery ziemskiej oraz chemizmu wód oceanicznych? Badacze nie mają wątpliwości, że ogromną rolę odegrało pojawienie się życia – a konkretnie organizmów fotosyntetyzujących, uwalniających tlen. Co ciekawe, pojawiły się one prawdopodobnie bardzo wcześnie. Nie możemy jednak określić, kiedy dokładnie.

W skałach znalezionych na Grenlandii, liczących około 3,8 mld lat, znaleziono substancje chemiczne interpretowane jako pozostałości po prymitywnych organizmach oraz produkty ich metabolizmu. Skały, w których się one znajdują, są jednak silnie przeobrażone przez procesy geologiczne oddziałujące przez blisko cztery miliardy lat. Opinie naukowców na temat tych znalezisk są więc podzielone. Jest możliwe, że skały kompleksu Isua z Grenlandii nie zawierają żadnych śladów życia.

Bardziej jednoznaczne znaleziska pochodzą z terenu północno-zachodniej Australii i są datowane na niecałe 3,5 mld lat. Są to struktury interpretowane jako skamieniałości prokariontów, w tym być może także sinic, a więc już organizmów fotosyntetyzujących. Przynależność tych skamieniałości do konkretnej grupy archeanów lub bakterii nie jest jednak przesądzona.

Obecnie większość naukowców uznaje znaleziska z Australii za najstarsze skamieniałości. O dyskusji na temat genezy tajemniczych, mikroskopijnych struktur można przeczytać tutaj.

Początek wędrówki kontynentów

Wnętrze młodej Ziemi było o wiele gorętsze niż obecnie. Początkowo cała planeta była płynną kulą, z której zaczęły się wyodrębniać trzy główne warstwy: skorupa, płaszcz oraz jądro. Po pojawieniu się stałej skorupy doszło do jej różnicowania na cieńszą, gęstszą skorupę oceaniczną, zbudowaną głównie z bazaltów, oraz grubszą, sztywniejszą i lżejszą skorupę kontynentalną, którą tworzą granitoidy.

Powstające kontynenty i oceany poruszały się po niestabilnym podłożu gorącego płaszcza ziemskiego, w którym działały silne prądy konwekcyjne. Unosiły one ku powierzchni planety silnie podgrzaną materię. W efekcie skorupa Ziemi nie mogą zachowywać się tak, jak obecnie.

Skutki wysokich temperatur panujących w obrębie płaszcza oraz silnych prądów konwekcyjnych były bardzo dalekosiężne:

  • nie mogły powstawać duże kontynenty, bo podgrzewające je od spodu prądy konwekcyjne doprowadziłyby do ich szybkiego rozerwania,
  • skorupa oceaniczna nie mogła zanurzać się pod kontynentalną, tak jak robi to dzisiaj w strefach subdukcji.

Nie wiemy dokładnie, kiedy procesy w obrębie skorupy ziemskiej zaczęły przypominać mechanizmy działające obecnie. Niektórzy z badaczy stoją na stanowisku, że miało to miejsce bardzo wcześnie, być może już około 3,5 miliarda lat temu. Zdaniem innych skorupa ziemska zaczęła się zachowywać we współczesnym stylu dopiero około 2,7 mld lat, a być może nawet 2,2 mld lat temu.

Możliwe są także rozwiązania pośrednie. Jest prawdopodobne, że procesy tektoniczne rządzące działaniem skorupy ziemskiej zaczęły działać mniej więcej około 3,2 mld lat temu. Taki wiek mają najstarsze znaleziska przypominające skały powstające dzisiaj w miejscach kolizji kontynentów, a także w strefach subdukcji, czyli zanurzania się jednego fragmentu skorupy (tak zwanej płyty lub kry) pod inny.

Na razie nie udało się jeszcze opracować takiej wersji wydarzeń związanych z rozwojem skorupy ziemskiej, która odpowiadałaby większości naukowców. Kolejne odkrycia pojawią się zapewne w najbliższych latach. Kontrowersje związane z wielkim bombardowaniem materią kosmiczną, powstaniem skorupy i atmosfery tlenowej, a także najstarszymi śladami życia dobrze pokazują, jak niewiele wiemy jeszcze o powstaniu Ziemi oraz o jej młodości.