Geolozi otkrivaju prvi dokaz o proto Zemlji

Znanstvenici na američkom tehnološkom institutu MIT, otkrili su iznimno rijetke ostatke "proto Zemlje", koja je nastala prije otprilike 4,5 milijardi godina, prije nego što je kolosalni sudar nepovratno promijenio sastav primitivnog planeta i stvorio Zemlju kakvu danas poznajemo. Njihovi nalazi, objavljeni danas u časopisu Nature Geosciences, pomoći će znanstvenicima da sastave primordijalne početne sastojke koji su skovali ranu Zemlju i ostatak Sunčevog sustava.

Prije milijardi godina, rani Sunčev sustav bio je vrtložni disk plina i prašine koji se na kraju skupljao i akumulirao stvarajući najranije meteorite, koji su se potom spojili i formirali proto Zemlju i susjedne planete.

U toj najranijoj fazi, Zemlja je vjerojatno bila stjenovita i kipjela od lave. Zatim, manje od 100 milijuna godina kasnije, meteorit veličine Marsa udario je u planet u razvoju u jedinstvenom "divovskom udaru" koji je potpuno poremetio i otopio unutrašnjost planeta, učinkovito resetirajući njegov kemijski sastav. Smatralo se da je izvorni materijal od kojeg je proto Zemlja bila napravljena potpuno transformiran.

No, nalazi MIT-ovog tima sugeriraju drugačije. Istraživači su identificirali kemijski potpis u drevnim stijenama koji je jedinstven u odnosu na većinu drugih materijala koji se danas nalaze na Zemlji. Potpis je u obliku suptilne neravnoteže u izotopima kalija otkrivenim u uzorcima vrlo starih i vrlo dubokih stijena. Tim je utvrdio da neravnoteža kalija nije mogla biti uzrokovana prethodnim velikim udarima ili geološkim procesima koji se trenutno odvijaju na Zemlji.

Najvjerojatnije objašnjenje kemijskog sastava uzoraka jest da moraju biti ostaci materijala s proto Zemlje koji je nekako ostao nepromijenjen, čak i dok je većina ranog planeta bila pogođena i transformirana.

„Ovo je možda prvi izravni dokaz da smo sačuvali materijale proto-Zemlje“, kaže Nicole Nie, docentica za razvoj karijere Paula M. Cooka za znanosti o Zemlji i planetima na MIT-u. „Vidimo dio vrlo drevne Zemlje, čak i prije divovskog udara. Ovo je nevjerojatno jer bismo očekivali da će se ovaj vrlo rani potpis polako izbrisati tijekom evolucije Zemlje.“

Godine 2023. Nie i njezini kolege analizirali su mnoge od glavnih meteorita prikupljenih s lokacija diljem svijeta i pažljivo proučenih. Prije nego što su udarili u Zemlju, ovi su meteoriti vjerojatno nastali u različito vrijeme i na različitim lokacijama diljem Sunčevog sustava te stoga predstavljaju promjenjive uvjete Sunčevog sustava tijekom vremena. Kada su istraživači usporedili kemijski sastav ovih uzoraka meteorita sa Zemljom, među njima su identificirali „anomaliju izotopa kalija“.

Izotopi su neznatno različite verzije elementa koje imaju isti broj protona, ali različit broj neutrona. Element kalij može postojati u jednom od tri prirodna izotopa, s masenim brojevima (protoni plus neutroni) od 39, 40 i 41. Gdje god je kalij pronađen na Zemlji, postoji u karakterističnoj kombinaciji izotopa, s kalijem-39 i kalijem-41 koji su pretežno dominantni. Kalij-40 je prisutan, ali u zanemarivo malom postotku u usporedbi.

Nie i njezini kolege otkrili su da meteoriti koje su proučavali pokazuju ravnotežu izotopa kalija koja se razlikuje od većine materijala na Zemlji. Ova anomalija kalija sugerira da bilo koji materijal koji pokazuje sličnu anomaliju vjerojatno prethodi sadašnjem sastavu Zemlje. Drugim riječima, svaka neravnoteža kalija bila bi snažan znak materijala s proto Zemlje, prije nego što je divovski udar resetirao kemijski sastav planeta.

„U tom smo radu otkrili da različiti meteoriti imaju različite izotopske potpise kalija, a to znači da se kalij može koristiti kao traser Zemljinih gradivnih blokova“, objašnjava Nie.

U trenutnoj studiji, tim je tražio znakove kalijevih anomalija ne u meteoritima, već unutar Zemlje. Njihovi uzorci uključuju stijene, u obliku praha, s Grenlanda i Kanade, gdje se nalaze neke od najstarijih sačuvanih stijena. Također su analizirali naslage lave prikupljene s Havaja, gdje su vulkani izbacili neke od najranijih, najdubljih Zemljinih materijala iz plašta (najdebljeg sloja stijena na planetu koji odvaja koru od jezgre).

Tim je prvo otopio različite uzorke praha u kiselini, zatim pažljivo izolirao kalij iz ostatka uzorka i koristio poseban maseni spektrometar za mjerenje omjera svakog od tri izotopa kalija. Zanimljivo je da su u uzorcima identificirali izotopski potpis koji se razlikovao od onoga što je pronađeno u većini materijala na Zemlji.

Točnije, identificirali su manjak izotopa kalija-40. U većini materijala na Zemlji, ovaj izotop je već beznačajan udio u usporedbi s druga dva izotopa kalija. No, istraživači su uspjeli uočiti da njihovi uzorci sadrže još manji postotak kalija-40. Otkrivanje ovog sićušnog manjka je kao uočavanje jednog zrnca smeđeg pijeska u kanti, a ne žlice pune žutog pijeska.

Tim je otkrio da su uzorci doista pokazivali deficit kalija-40, što pokazuje da su materijali „izgrađeni drugačije“, kaže Nie, u usporedbi s većinom onoga što danas vidimo na Zemlji.

No, jesu li uzorci rijetki ostaci proto Zemlje? Kako bi odgovorili na to pitanje, istraživači su pretpostavili da bi to mogao biti slučaj. Zaključili su da ako je proto Zemlja izvorno bila napravljena od materijala s nedostatkom kalija-40, tada bi većina tog materijala prošla kroz kemijske promjene, od divovskog udara i kasnijih, manjih udara meteorita, što je u konačnici rezultiralo materijalima s više kalija-40 koje vidimo danas.

Tim je koristio podatke o sastavu svakog poznatog meteorita i proveo simulacije kako bi se deficit kalija-40 u uzorcima promijenio nakon udara ovih meteorita i divovskog udara. Također su simulirali geološke procese koje je Zemlja doživljavala tijekom vremena, poput zagrijavanja i miješanja plašta. Na kraju su njihove simulacije proizvele sastav s nešto većim udjelom kalija-40 u usporedbi s uzorcima iz Kanade, Grenlanda i Havaja. Što je još važnije, simulirani sastavi podudarali su se s onima većine modernih materijala.

Rad sugerira da su materijali s deficitom kalija-40 vjerojatno ostaci izvornog materijala iz proto Zemlje.

Zanimljivo je da se potpis uzoraka ne podudara precizno ni s jednim drugim meteoritom u zbirkama geologa. Iako su meteoriti u prethodnom radu tima pokazali anomalije kalija, one nisu baš deficit viđen u uzorcima proto Zemlje. To znači da meteoriti i materijali koji su izvorno formirali proto Zemlju još nisu otkriveni.

„Znanstvenici su pokušavali razumjeti izvorni kemijski sastav Zemlje kombinirajući sastave različitih skupina meteorita“, kaže Nie. „Ali naša studija pokazuje da trenutni popis meteorita nije potpun i da ima još mnogo toga za saznati o podrijetlu našeg planeta.“