Jak powstały kontynenty?

Kontynenty wydają się być stałym i trwałym elementem powierzchni naszej planety. Trudno uwierzyć, że u zarania dziejów Ziemi nie było na niej kontynentów w dzisiejszym znaczeniu tego słowa. W jaki sposób doszło więc do ich powstania?

Wszystkie współczesne kontynenty łączy ze sobą kilka ważnych, wspólnych cech. Oto one:

• ich podłoże buduje skorupa kontynentalna,
• wszystkie fragmenty ziemskiej skorupy kontynentalnej wykazują zbliżone cechy fizyczne: gęstość wynoszącą około 2,7 g/cm3 oraz grubość około 30 km (od 10 do 120 km),
• krawędzie kontynentów otoczone są aktywnymi i/lub pasywnymi krawędziami; pierwsze z nich wiążą się z istnieniem stref subdukcji, w których skorupa oceaniczna jest niszczona poprzez jej podsuwanie pod inną krę litosferyczną, drugie z nich nie wykazują istnienia subdukcji (i związanych z nią katastrofalnych trzęsień ziemi oraz wybuchów wulkanów).

Skorupa kontynentalna posiada kilka ważnych cech odróżniających ją od skorupy oceanicznej, budujących dna największych zbiorników morskich świata:

• mniejszy ciężar właściwy; dzięki temu skorupa kontynentalna może ulegać pogrubieniu, nie będąc przy tym pogrążana w głąb Ziemi,
• w efekcie kontynenty podścielone są skorupą średnio 3-4 grubszą niż oceany,
• skorupa kontynentalna jest starsza od oceanicznej; może to sugerować, że kontynenty powstały jako pierwsze. Tak jednak nie jest. Skorupa oceaniczna ulega niszczeniu w strefach subdukcji – stąd też jej najstarsze fragmenty już dawno zniknęły z powierzchni naszej planety,
• kontynenty zbudowane są w dużej mierze ze skał magmowych kwaśnych (zbliżonych składem do granitu), a także z produktów niszczenia oraz przeobrażania tych skał; skorupa oceaniczna ma natomiast skład zbliżony do bazaltu (skała chemicznie obojętna, co oznacza ubóstwo krzemionki).

Jak widzimy, skorupa ziemska jest strukturą bardzo niejednorodną. Ta jej część, która podściela oceany, posiada inne cechy fizyczne i chemiczne niż podłoże kontynentów.

Wędrówka w głąb czasu: pierwotna skorupa ziemska

Nie zawsze tak jednak było. Gdy Ziemia powstawała, stanowiła chmurę jednorodnej materii, z której wyodrębniały się kolejne elementy strukturalne: od budującego wnętrze planety jądra, poprzez otaczający je płaszcz ziemski, aż po znajdującą się na zewnątrz skorupę.

Powierzchniowe warstwy uległy z czasem zastygnięciu. Ocean płynnej magmy, który stanowiła początkowo Ziemia, zamienił się wówczas w twardą skorupę.

Skorupa ta była niemal idealnie jednorodna. Składem przypominała współczesne skały magmowe obojętne. Stanowią one ogniwo pośrednie pomiędzy bogatymi w krzemionkę skałami kwaśnymi, a pozbawionymi jej skałami zasadowymi.

Pierwotna, obojętna skorupa miała najprawdopodobniej skład zbliżony do bazaltu. Współcześnie jest to jedna z najpowszechniej występujących skał wulkanicznych obojętnych. Buduje ona skorupę podścielającą dna oceanów.

Wniosek płynący z tych założeń wydaje się ewidentny: pierwotnie powierzchnia Ziemi przypominała pod względem składu chemicznego dzisiejsze dna oceaniczne (bazaltowe). A to oznacza, że nie było na niej kontynentów!

Do odmieszania się (rozdzielenia) skorupy kontynentalnej od pierwotnej skorupy musiało dojść później, wraz z powstaniem pierwszych skał magmowych kwaśnych, przypominających składem dzisiejsze granity. Skały te określane są z reguły akronimem TTG. Termin ten obrazuje ich dokładny skład chemiczny, najbardziej przypominający trzy odmiany litologiczne: tonalit, trondheimit i granodioryt.

Skały TTG, jako posiadające mniejszy ciężar właściwy, mogły stworzyć ciała unoszące się ponad gęstszą skorupą bazaltową. Były to zaczątki, bardzo skromne, dzisiejszych kontynentów.

Kiedy powstały kontynenty?

Kiedy mogły pojawić się pierwsze skały magmowe o składzie TTG, budujące rdzeń kontynentów? Najstarsze znaleziska wydatowano na niecałe 4 mld lat. Na ich podstawie możemy stwierdzić, że już 3,95 mld lat na powierzchni Ziemi znajdowały się struktury przypominające kontynenty. Przypominające w bardzo dużym uproszczeniu, bo wielkością były one porównywalne ze współczesnymi wyspami i łukami wysp wulkanicznych.

Historię pierwszych kontynentów możemy jednak przesunąć jeszcze dalej wstecz. W niektórych skałach liczących mniej niż 4 mld lat znajdowane są bowiem ziarna cyrkonu – bardzo odpornego minerału pojawiającego się w niewielkich ilościach w skałach magmowych kwaśnych (między innymi o składzie TTG).

Co ciekawe, cyrkony te wykazują wiek przekraczający 4 mld lat. Datowania są różne. Wiek minerałów pochodzących z Kanady ustalono na około 4,2 mld lat. Natomiast cyrkony z Jack Hills w Australii mogą być jeszcze starsze – prawdopodobnie pochodzą one ze skał kwaśnych sprzed 4,4 mld lat!

Z tego okresu historii Ziemi (określanego niekiedy mianem Hadeanu) nie zachowały się żadne skały. Przypuszczalnie zostały one nieodwracalnie zniszczone podczas deszczów meteorytów, które nawiedzały Ziemię w okresie od 4,5 do 4,0 mld lat temu.

Cyrkony udowadniają nam jednak, że twarda skorupa ziemska musiała istnieć już wtedy. Co więcej, była to skorupa kwaśna – a więc przypuszczalnie kontynentalna.

Pierwsze odmieszanie skorupy oceanicznej i proto-kontynentalnej musiało zatem mieć miejsce bardzo szybko, niedługo po ukształtowaniu się naszej planety. Pozostaje jednak pytanie – jak do tego doszło?

Jak powstała skorupa kontynentalna?

Współcześnie nowe skały kwaśne mogą powstawać między innymi w rejonach stref subdukcji oraz ponad plamami gorąca. Duże intruzje skał kwaśnych związane są z kolizjami kontynentów.

We wczesnym archaiku część z tych źródeł skał magmowych zbliżonych składem do granitu była jednak niedostępna. Kolizje kontynentalne nie mogły mieć miejsca – kontynentów przecież nie było.

Dobrym kandydatem na potencjalnego sprawcę powstania pierwszej skorupy kontynentalnej są plamy gorąca – rejony ponad pióropuszami gorącej materii pochodzącej ze skorupy oceanicznej lub płaszcza, podgrzewającymi od spodu powierzchnię Ziemi. W dzisiejszym świecie dobry przykład takiego zjawiska stanowi Islandia.

Podobny mechanizm oddzielania kwaśnej materii budującej kontynenty od pierwotnej, obojętnej skorupy mógł działać także w archaiku. Wnętrze Ziemi było wówczas o wiele cieplejsze niż obecnie, a pióropusze płaszcza i plamy gorąca – zdecydowanie liczniejsze. To przemawia za takim wyjaśnieniem genezy pierwszych zaczątków skorupy kontynentalnej.

I w tym momencie opinie naukowców na temat dalszej ewolucji protokontynentów (pierwszych ziemskich kontynentów) zaczynają się różnić. Po pojawieniu się pierwszych kwaśnych ciał magmowych mogły teoretycznie uaktywnić się procesy, który znamy dzisiaj – a więc kolizje kontynentalne i strefy subdukcji. Ale czy rzeczywiście tak było?

Dawne strefy subdukcji: kontrowersje

Znalezienie dowodów na istnienie stref subdukcji przed czterema miliardami nie jest prostym zadaniem. Mogą w tym pomóc następujące przesłanki geologiczne:

• znalezienie w najstarszych ziemskich skałach odmian litologicznych podobnych do tych, które powstają współcześnie w strefach subdukcji – między innymi tak zwanych adakitów, boninitów oraz sanukitoidów,
• znalezienie skał przeobrażonych w warunkach wysokich temperatur oraz ciśnień (na przykład eklogitów); warunki takie mogą pojawić się w strefach subdukcji,
• wyniki analiz geochemicznych; pozwalają one na określenie, w jakich warunkach powstały najstarsze skały budujące skorupę kontynentalną.

Pierwsze z dwóch wymienionych przesłanek mają poważną wadę. Brak skał wskazujących na istnienie stref subdukcji, wydatowanych na 3,5 mld lat, może oczywiście oznaczać, że tych stref wówczas po prostu nie było.

Z drugiej jednak strony, zapis geologiczny sprzed 3,5 mld lat jest bardzo niekompletny i zniszczony. Być może skały takie istniały (a zatem strefy subdukcji musiały się wówczas pojawić), ale zostały one pogrzebane lub usunięte poprzez erozję w późniejszym czasie.

W świetle tych wątpliwości coraz bardziej obiecujące są wyniki analiz geochemicznych. Badania przeprowadzone na liczących 3,8 mld lat skałach z Grenlandii, budujących najstarszy znany nam obecnie fragment skorupy kontynentalnej, wykazały, że powstały one na głębokościach mniejszych niż 40 km.

Gdyby skały te zostały wytopione w strefach subdukcji przypominających współczesne, to wyniki analiz powinny wskazać na głębokości rzędu 100 km. Skały skorupy oceanicznej ulegają bowiem obecnie pogrążaniu w płaszczu ziemskim na bardzo duże głębokości, co pokazały wcześniejsze badania.

Konkluzja z opisanych badań (Nagel et al., 2012) nasuwa się sama: pierwsze fragmenty kontynentalne nie powstawały w strefach subdukcji, ale w rejonach, gdzie skorupa oceaniczna była pogrubiona. Jak wyglądały takie miejsca? Naukowcy uważają, że były to prawdopodobnie łuki wysp wulkanicznych.

Uzyskane rezultaty są zgodne z intuicyjnymi przypuszczeniami niektórych geologów. Pierwotny płaszcz ziemski był bardziej gorący i aktywny niż współcześnie, a to oznacza, że chłodna materia skorupy oceanicznej nie mogła być pogrążana na duże głębokości bez szybkiego przetopienia. Mechanizm ten bardzo utrudniałby wówczas powstawanie jakichkolwiek stref subdukcji podobnych do współczesnych.

Inne badania (Dhuime et al., 2012) wykazały z kolei wyraźne załamanie tempa przyrostu nowej skorupy kontynentalnej około 3 mld lat temu. Takie odstępstwo od średniej prędkości tworzenia nowego podłoża kontynentów (mniej więcej stałego w ciągu całych dziejów Ziemi) wskazuje na poważne zmiany związane z budową i ewolucją skorupy ziemskiej, które musiały wówczas zajść. Autorzy wspomnianych badań zakładają, że właśnie wtedy pojawiły się pierwsze strefy subdukcji.

Jak wyglądały pierwsze kontynenty?

Skoro mechanizmy rządzące ewolucją protokontynentów nie były w najdawniejszym okresie dziejów Ziemi takie, jak obecnie, to prawdopodobnie również owe zaczątki lądów musiały się różnić od współczesnej skorupy kontynentalnej. Jak więc wyglądały pierwsze kontynenty?

Dużo informacji na ich temat daje nam obszar dzisiejszej północno-zachodniej Australii. Na obszarze tak zwanej tarczy Pilbara odsłania się tam na powierzchni ziemi największy fragment najstarszej zachowanej skorupy kontynentalnej. Można go obserwować na zdjęciach satelitarnych.

Załączona fotografia pokazuje rejon tarczy Pilbara. Widoczne są na nim dwa główne rodzaje skał budujących ten teren, wydatowanych na około 3,5-3,2 mld lat:

• jasne, okrągłe ciała to skały kwaśne o składzie zbliżonym do granitoidów – są to zatem pozostałości pierwszych, niewielkich protokontynentów, które potem weszły w skład większych kontynentów, a ostatecznie – dzisiejszej Australii,
• oraz ciemniejsze skały, o meandrujących zarysach, otaczające ciała granitoidowe – są to skały metamorficzne, będące efektem przeobrażenia pierwotnych skał magmowych, zasadowych, a więc budujących dawne dna oceaniczne.

Skały zasadowe tworzą charakterystyczne pasma, którym nadano nazwę pasów zieleńcowych. Ich nazwa pochodzi od zieleńców – skał metamorficznych występujących w nich powszechnie, a pochodzących z przeobrażenia bazaltów.

Zdjęcie pozwala nam uzmysłowić sobie, jak wyglądały pierwsze, mikroskopijne protokontynenty. Ich średnica nie przekraczała stu kilometrów. Stały się one później budulcem tworzącym współczesne, wielkie kontynenty.

Kwestią otwartą pozostaje sposób, w jaki te pierwotne ciała granitoidowe (a więc kwaśne), zostały “obudowane” ciemniejszymi skałami zasadowymi. Niezwykle plastyczne i sugestywne obrazy pochodzące ze zdjęć satelitarnych prowokują stwierdzenie, że doszło do kolizji owych niewielkich protokontynentów, pomiędzy którymi uwięziona została skorupa oceaniczna.

Dane geologiczne przeczą jednak takiej, na pozór najbardziej oczywistej interpretacji. Ciała granitoidowe widoczne na zdjęciach są bowiem nierzadko młodsze niż otaczające je pasy zieleńcowe. Sugeruje to ich powstanie raczej w drodze intruzji w obręb starszej skorupy oceanicznej, niż poprzez kolizje, z dodatkowym udziałem stref subdukcji.

Wygląda zatem na to, że teorie zakładające brak tektoniki kier litosfery (a więc i brak subdukcji) lepiej tłumaczą najwcześniejsze dzieje kontynentów. To pokazuje, że kontynenty takie, jakie znamy dzisiaj, wcale nie były kiedyś oczywistym i ważnym elementem powierzchni Ziemi. Musiały minąć setki milionów lat zanim zaczęła działać współczesna tektonika globalna, nierozerwalnie związana z wędrówką i kolizjami wielkich kontynentów.

Cytowania:

B. Dhuime, C. J. Hawkesworth, P. A. Cawood, C. D. Storey, 2012. A Change in the Geodynamics of Continental Growth 3 Billion Years Ago. Science 335, 6074, 1334-1336. DOI: 10.1126/science.1216066

T. J. Nagel, J. E. Hoffmann, C. Munker, 2012. Generation of Eoarchean tonalite-trondhjemite-granodiorite series from thickened mafic arc crust. Geology. DOI: 10.1130/G32729.1