Temperatura we wnętrzu Ziemi nie zawsze zmienia się tak, jak przewidują modele geologiczne. Naukowcy zbadali niezwykłą skałę znalezioną na wyspie Goodenough w Papui-Nowej Gwinei, która około 4,4 miliona lat temu została wciągnięta na głębokość ponad 90 kilometrów. Jej minerały zachowały ślady zaskakującej podróży: na głębokości około 45 kilometrów temperatura wynosiła już 700°C, ale dwukrotnie głębiej wzrosła tylko o kolejne 100°C. Odkrycie sugeruje, że procesy zachodzące na granicach płyt tektonicznych mogą być znacznie bardziej skomplikowane, niż dotąd zakładano.
Temperatura we wnętrzu Ziemi nie zawsze rośnie zgodnie z przewidywaniami
Im głębiej pod powierzchnię Ziemi, tym wyższa temperatura. To jedna z podstawowych zasad, które poznajemy podczas nauki o budowie naszej planety.
Rzeczywistość geologiczna jest jednak bardziej skomplikowana.
Temperatura skał zależy nie tylko od głębokości, ale również od ich historii, szybkości przemieszczania się, wieku struktur geologicznych oraz procesów zachodzących na granicach płyt tektonicznych.
Szczególnie interesujące są strefy subdukcji, w których fragmenty skorupy ziemskiej przemieszczają się w głąb planety.
To właśnie z takiego środowiska pochodzi niezwykła próbka skały odkryta we wschodniej części Papui-Nowej Gwinei.
Jej analiza pozwoliła odtworzyć warunki panujące dziesiątki kilometrów pod powierzchnią.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie naukowym „Nature Geoscience”.
Niezwykłą skałę znaleziono na wyspie Goodenough
Badany materiał pochodzi z wyspy Goodenough, należącej do Papui-Nowej Gwinei.
Naukowcy pobrali próbkę z odsłonięcia skalnego zawierającego eklogit.
To skała metamorficzna powstająca w warunkach bardzo wysokiego ciśnienia.
Eklogity są szczególnie interesujące dla geologów, ponieważ mogą przechowywać informacje o procesach zachodzących na znacznych głębokościach.
Ich skład mineralny zmienia się pod wpływem temperatury i ciśnienia.
Analizując te zmiany, badacze mogą odtworzyć historię skały, nawet jeśli dziś znajduje się ona na powierzchni Ziemi.
W przypadku próbki z wyspy Goodenough historia okazała się wyjątkowo zaskakująca.
Skała dotarła na głębokość ponad 90 kilometrów
Naukowcy ustalili, że badany fragment skorupy kontynentalnej został w przeszłości wciągnięty głęboko pod powierzchnię Ziemi.
Według rekonstrukcji skała osiągnęła głębokość przekraczającą 90 kilometrów.
To ogromna odległość.
Dla porównania najgłębsze kopalnie na świecie sięgają zaledwie kilku kilometrów pod powierzchnię.
Skała z Papui-Nowej Gwinei przebyła więc drogę do środowiska, którego nie możemy bezpośrednio badać zwykłymi metodami geologicznymi.
Najważniejszy dowód jej głębokiej podróży znajdował się wewnątrz minerałów.
Koezyt zdradził ekstremalne ciśnienie
W próbce odkryto niewielką inkluzję minerału zwanego koezytem.
To szczególna odmiana krzemionki, która powstaje w warunkach bardzo wysokiego ciśnienia.
Jego obecność jest ważną wskazówką dotyczącą warunków, w jakich znajdowała się skała.
Koezyt może tworzyć się głęboko we wnętrzu Ziemi, gdy ciśnienie jest znacznie wyższe niż przy powierzchni.
W badanej próbce minerał zachował się wewnątrz kryształu granatu.
Taka naturalna osłona pomogła zachować ślad dawnych warunków geologicznych.
Dzięki temu naukowcy mogli ustalić, że skała rzeczywiście znajdowała się na głębokości ponad 90 kilometrów.
Cyrkon pomógł ustalić wiek wydarzenia
Kolejnym ważnym minerałem był cyrkon.
Jego właściwości pozwalają geologom określać wiek różnych procesów zachodzących w skałach.
Analiza wskazała, że ekstremalne warunki związane z głębokim pogrążeniem próbki występowały około 4,4 miliona lat temu.
Oznacza to, że w geologicznie stosunkowo niedawnej przeszłości fragment skorupy kontynentalnej został przemieszczony na ogromną głębokość.
Następnie skała powróciła ku powierzchni, gdzie geolodzy mogli ją odnaleźć i zbadać.
To właśnie ta podróż pozwoliła zachować niezwykły zapis temperatury i ciśnienia.
Na głębokości 45 kilometrów skała miała już 700°C
Najbardziej zaskakujący wynik dotyczył temperatury.
Według rekonstrukcji naukowców na głębokości około 45 kilometrów badana skała osiągnęła temperaturę wynoszącą około 700°C.
To znacznie więcej, niż przewidują niektóre modele termiczne stref subdukcji dla takiej głębokości.
Zwykle zakłada się, że skały przemieszczające się w głąb Ziemi w strefie subdukcji są stosunkowo chłodne.
Dzieje się tak dlatego, że fragment skorupy może opadać szybciej, niż zdąży ogrzać się do temperatury otaczającego go środowiska.
W rezultacie pogrążająca się płyta tektoniczna często pozostaje chłodniejsza od otaczających skał.
Tymczasem próbka z Papui-Nowej Gwinei była na stosunkowo niewielkiej głębokości zaskakująco gorąca.
Głębiej temperatura wzrosła tylko o 100°C
Jeszcze ciekawsze okazało się to, co wydarzyło się później.
Kiedy skała przemieściła się na głębokość ponad 90 kilometrów, jej temperatura wynosiła około 800°C.
Oznacza to wzrost o zaledwie 100°C w porównaniu z wcześniejszym etapem podróży.
Skała znalazła się więc ponad dwa razy głębiej, ale jej temperatura wzrosła stosunkowo nieznacznie.
To właśnie ten kontrast stanowi sedno odkrycia.
Naukowcy spodziewali się innego przebiegu zmian temperatury w miarę wzrostu głębokości.
Zamiast tego otrzymali zapis, który nie pasuje do dotychczasowych modeli.
Czy skała rzeczywiście ochłodziła się podczas opadania?
W opisie odkrycia pojawia się pozornie paradoksalne stwierdzenie, że skała znalazła się w chłodniejszych warunkach, gdy przemieściła się głębiej.
Nie oznacza to jednak, że jej temperatura spadła z 700°C do niższej wartości.
Wręcz przeciwnie.
Temperatura wzrosła do około 800°C.
Chodzi o to, że na większej głębokości skała była chłodniejsza, niż można byłoby oczekiwać na podstawie standardowych modeli.
W porównaniu z wcześniejszym, bardzo gorącym etapem jej dalsze ogrzewanie było zaskakująco słabe.
To istotne rozróżnienie.
Odkrycie nie przeczy samej zasadzie wzrostu temperatury wraz z głębokością. Pokazuje natomiast, że tempo tego wzrostu może być inne, niż zakładano.
Czym właściwie jest subdukcja?
Subdukcja to jeden z najważniejszych procesów zachodzących we wnętrzu Ziemi.
Polega na przemieszczaniu się jednej płyty tektonicznej pod drugą.
W takich miejscach fragmenty skorupy ziemskiej i związanych z nią skał mogą być transportowane na znaczne głębokości.
Towarzyszą temu ogromne ciśnienia, zmiany temperatury oraz reakcje prowadzące do powstawania nowych minerałów.
Proces ten jest jednym z elementów globalnej tektoniki płyt.
Wpływa na kształtowanie powierzchni Ziemi, rozwój struktur geologicznych i obieg materii pomiędzy skorupą a głębszymi częściami planety.
Właśnie dlatego dokładne zrozumienie temperatur panujących w strefach subdukcji ma tak duże znaczenie.
Strefy subdukcji nie są jednakowo zimne
W klasycznych modelach pogrążająca się płyta tektoniczna pozostaje zwykle stosunkowo chłodna.
Transportuje bowiem materiał z powierzchni w kierunku znacznie gorętszego wnętrza Ziemi.
Jednak ogrzewanie skały wymaga czasu.
Im szybciej materiał przemieszcza się w dół, tym większa może być różnica temperatur między nim a otoczeniem.
W rzeczywistych strefach subdukcji sytuację komplikują dodatkowe czynniki.
Znaczenie może mieć wiek płyt tektonicznych, ich prędkość ruchu, geometria kontaktu oraz procesy mechaniczne zachodzące podczas przemieszczania.
Skała z wyspy Goodenough pokazuje, że lokalne warunki mogą prowadzić do zupełnie innej historii termicznej, niż przewiduje uproszczony model.
Tarcie między płytami mogło wytworzyć dodatkowe ciepło
Jednym z możliwych wyjaśnień jest nagrzewanie ścinające.
Gdy dwie ogromne masy skalne przemieszczają się względem siebie, na ich granicy występują silne naprężenia.
Przemieszczanie się materiału i jego deformacja mogą prowadzić do wydzielania dodatkowego ciepła.
Podobną zasadę można zaobserwować podczas pocierania dwóch powierzchni.
W skali geologicznej mechanizm jest jednak znacznie bardziej złożony i obejmuje ogromne ciśnienia oraz bardzo powolne, ale długotrwałe odkształcenia skał.
Według naukowców intensywne ścinanie w rejonie kontaktu płyt mogło doprowadzić do wyjątkowo silnego ogrzewania skały na głębokości około 45 kilometrów.
To mogłoby wyjaśniać, dlaczego temperatura była tam tak wysoka.
Młoda strefa subdukcji to kolejne możliwe wyjaśnienie
Badacze rozważają również inną hipotezę.
Strefa subdukcji, w której znalazła się skała, mogła być stosunkowo młoda.
Oznaczałoby to, że jej struktura termiczna nie zdążyła jeszcze osiągnąć warunków typowych dla bardziej rozwiniętych i długotrwale działających stref subdukcji.
W takim przypadku temperatury na różnych głębokościach mogłyby znacząco odbiegać od przewidywań standardowych modeli.
To również mogłoby tłumaczyć niezwykły zapis zachowany w minerałach.
Na obecnym etapie naukowcy nie wskazują jednak jednej ostatecznie potwierdzonej przyczyny.
Oba wyjaśnienia pozostają możliwościami wymagającymi dalszych analiz.
Temperatura we wnętrzu Ziemi może zależeć od lokalnej historii tektonicznej
Odkrycie pokazuje, że nie wystarczy znać głębokości, aby dokładnie przewidzieć temperaturę skały.
Należy również uwzględnić jej wcześniejsze położenie, sposób przemieszczania się i oddziaływania z otaczającym materiałem.
Dwie skały znajdujące się na podobnej głębokości mogą mieć odmienne historie termiczne.
Jedna mogła zostać powoli ogrzana przez otoczenie.
Druga mogła wcześniej doświadczyć intensywnego nagrzewania podczas deformacji.
Właśnie dlatego analiza pojedynczych minerałów może dostarczać informacji, których nie widać w ogólnych modelach temperatury.
Odkrycie może zmienić modele stref subdukcji
Główny autor badania, Jan Schönig z Uniwersytetu w Getyndze w Niemczech, podkreśla, że zrekonstruowana historia skały nie zgadza się z obecnymi modelami termicznymi stref subdukcji.
To ważny sygnał dla geologów.
Modele komputerowe pomagają naukowcom odtwarzać warunki panujące głęboko pod powierzchnią Ziemi.
Ich dokładność zależy jednak od prawidłowego uwzględnienia procesów fizycznych.
Jeśli skały pokazują, że temperatury mogą zmieniać się inaczej, niż przewidują obliczenia, konieczne może być dopracowanie założeń.
W tym przypadku szczególne znaczenie może mieć uwzględnienie nagrzewania związanego z deformacją skał oraz młodego wieku struktur tektonicznych.
Jeden fragment skały może ujawnić miliony lat historii
Najbardziej fascynującym elementem badania jest to, że niewielka próbka pozwoliła odtworzyć wydarzenia sprzed milionów lat.
W minerałach zachowały się informacje o ciśnieniu, temperaturze i czasie.
Koezyt wskazał na ekstremalną głębokość.
Cyrkon pomógł określić wiek wydarzenia.
Pozostałe cechy mineralne pozwoliły zrekonstruować zmiany warunków podczas pogrążania się skały.
Połączenie tych informacji stworzyło obraz podróży od głębokości około 45 kilometrów aż do ponad 90 kilometrów.
To przykład tego, jak wiele danych o wnętrzu Ziemi może przechowywać materiał znajdujący się dziś na jej powierzchni.
Dlaczego geolodzy badają takie ekstremalne skały?
Bezpośrednie badanie wnętrza Ziemi jest niezwykle trudne.
Nie możemy po prostu wywiercić otworu sięgającego kilkudziesięciu czy kilkuset kilometrów w głąb planety.
Dlatego geolodzy wykorzystują naturalne próbki, które wcześniej znajdowały się znacznie głębiej.
Skały wyniesione ku powierzchni zachowują ślady dawnych warunków.
Dzięki nim można badać procesy, których nie sposób zaobserwować bezpośrednio.
Szczególnie cenne są minerały powstające tylko przy określonych temperaturach i ciśnieniach.
Stanowią one naturalne archiwum procesów zachodzących we wnętrzu naszej planety.
Czy podobne zjawiska występują także w innych miejscach?
Nowe badanie dotyczy konkretnej próbki pochodzącej z Papui-Nowej Gwinei.
Nie oznacza to automatycznie, że wszystkie strefy subdukcji mają podobną strukturę termiczną.
Możliwe jednak, że podobne zjawiska występują również w innych częściach świata, lecz nie zostały dotąd odpowiednio rozpoznane.
Jeśli kolejne badania potwierdzą występowanie podobnych historii termicznych, konieczne może być szersze uwzględnienie takich procesów w modelach geologicznych.
Szczególnie interesujące będzie sprawdzenie, jak duże znaczenie ma nagrzewanie ścinające oraz jak zmienia się temperatura w młodych strefach subdukcji.
Temperatura we wnętrzu Ziemi skrywa więcej niespodzianek
Nowe odkrycie nie oznacza, że dotychczasowa wiedza o budowie Ziemi jest błędna.
Pokazuje raczej, że niektóre procesy zachodzące głęboko pod powierzchnią mogą być bardziej złożone, niż przewidują uproszczone modele.
Skała z wyspy Goodenough została wciągnięta na głębokość ponad 90 kilometrów około 4,4 miliona lat temu.
W trakcie tej podróży doświadczyła niezwykłych warunków.
Na głębokości około 45 kilometrów osiągnęła temperaturę 700°C, a po dalszym pogrążeniu się w głąb Ziemi jej temperatura wzrosła jedynie do około 800°C.
Tak nietypowy przebieg zmian może wskazywać na dodatkowe ogrzewanie związane ze ścinaniem skał lub szczególne warunki młodej strefy subdukcji.
Temperatura we wnętrzu Ziemi nie zależy więc wyłącznie od tego, jak głęboko znajduje się dany fragment skały.
Równie ważna jest historia jego przemieszczania się przez skorupę i głębsze warstwy planety.
Niewielka próbka z Papui-Nowej Gwinei pokazała, że nawet po dziesięcioleciach badań geolodzy wciąż odkrywają nowe szczegóły procesów, które od milionów lat kształtują naszą planetę.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Geoscience .