Mantelseilas ga jorden liv

I dag dekker landmassene 29 prosent av jordens overflate, men slik har det ikke alltid vært. De første kontinentene var i havsnød, og det var bare takket være en gigantisk redningsbøye jorden unngikk å bli helt dekket av hav.

I dag dekker landmassene 29 prosent av jordens overflate, men slik har det ikke alltid vært. De første kontinentene var i havsnød, og det var bare takket være en gigantisk redningsbøye jorden unngikk å bli helt dekket av hav.

I dag er det en selvfølge at vi står tørrskodd på land, og at landjorda rager over bølgene som et trygt skipsdekk.

Men for geologene har det vært litt av en utfordring å finne en forklaring på at kontinentene oppsto – og ikke minst hvorfor de fortsatt er her i dag.

Det er nemlig langt ifra opplagt at en planet danner den lette typen jordskorpe som kontinentene består av – siden den ikke finnes på de andre steinplanetene i solsystemet vårt.

Enda mer forbløffende er det at de første kontinentene ikke ble slukt av planetens glovarme indre, og at flere av dem har eksistert i over 2,5 milliarder år.

Men nå har en forskergruppe ledet av professor Graham Pearson ved universitetet i Alberta i Canada oppdaget hvordan de første kontinentene kunne gripe fast i en gigantisk redningsbøye og dermed unngå drukningsdøden i et frådende hav av magma.

Jorden er delt opp som en bløtkake

I 2021 offentliggjorde forskergruppen oppdagelsene sine i tidsskriftet Nature. En av de som samarbeidet med Pearson, er geologen Kristoffer Szilas ved Københavns Universitet.

«Målet var å finne svaret på hvordan klodens aller første kontinenter, de såkalte kratonene, ble dannet, og hvordan de har klart å overleve i flere milliarder år», forklarer han til Illustrert Vitenskap.

Kratonene er blokker av lett stein som i dag utgjør spesielt stabile kjerner av kontinentene. Et eksempel på en kraton er det mer enn tre milliarder år gamle baltiske skjoldet som utgjør den stabile kjernen i det nordøstlige Skandinavia og det nordvestligste Russland.

Klode
© Shutterstock

Klodens eldste kontinenter har eksistert i milliarder av år

Klodens første mikrokontinenter, kratonene, oppsto i jordens ungdom, for 2,5 milliarder år siden. Kratonene ble holdt oppe av den såkalte litosfæren og utgjør i dag de tykke og stabile kjernene av kontinentene.

Forskergruppen har klart å vise at kratonene oppsto på en tid da de geologiske kreftene fungerte ganske annerledes enn i dag.

Men før vi kan forstå hvordan jorden oppførte seg den gangen, må vi forstå hvordan den oppfører seg i dag.

Jordens kontinenter beveger seg rundt i en prosess geologene kaller for platetektonikk. Sju store og mange små kontinentalplater driver kontinuerlig rundt og kolliderer med hverandre.

Nord-Amerika og Europa beveger seg for eksempel fra hverandre, mens India krasjer inn i Asia.

Platetektonikken er en slags resirkulering: Gammel jordskorpe, som regel havbunn, dykker ned i jordens indre.

Prosessen er bare mulig fordi jorden er delt i mange lag – som en enorm, kuleformet bløtkake.

Innerst ligger den faste indre kjernen, som er omgitt av den ytre kjernen, som er flytende. Deretter kommer mantelen, som er hele 2800 kilometer tykk, og som hovedsakelig er varm og tyktflytende. Ytterst driver de 2–40 kilometer tykke skorpeplatene rundt.

Jorden er den eneste planeten vi vet om som har kontinenter. Den såkalte litosfæriske mantelen spiller en viktig rolle siden den lar kontinentene holde «hodet over vannet».

Hav
© Claus Lunau

1. Jordskorpen finnes i to utgaver

Jorden har to typer stiv skorpe som utgjør planetens ytterste lag. Havbunnsskorpen består først og fremst av den tunge, svarte bergarten basalt, mens kontinentalskorpen hovedsakelig er bygd opp av lettere granittbergarter.

Hav2
© Claus Lunau

2. Stiv mantel følger med

Under skorpen ligger den litosfæriske mantelen. Laget er stivt og klistrer seg til undersiden av skorpen slik at de til sammen utgjør den 80–300 kilometer tykke litosfæren, som er lettere enn laget under og derfor flyter på toppen av det.

Hav3
© Claus Lunau

3. Litosfæren flyter på glovarmt hav

Det underliggende laget kalles den astenosfæriske mantelen, og det holder en temperatur på om lag 1300 grader. Astenosfæren er dermed myk og flytende nok til å utgjøre det havet som litosfæren seiler på. Under astenosfæren ligger den enda varmere mesosfæren.

Studier viser at den aller øverste delen av mantelen er så kjølig, og dermed stiv, at den følger med kontinentene når platene beveger seg. Samtidig er den så lett at den sammen med skorpen klarer å holde seg høyt og la kontinenter seile av sted på den tyngre og mykere delen av mantelen.

Til sammen kalles skorpen og denne øverste, stive delen av mantelen for litosfæren.

Dytt og press gjorde litosfæren tykk

Den helt store utfordringen for Pearson, Szilas og de andre forskerne var å finne ut hvordan denne eldgamle redningsbøyen oppsto og sørget for at kontinentene kunne overleve.

«Vi ville forstå hvordan den litosfæriske mantelen er dannet, og hvilke prosesser som må til», sier Kristoffer Szilas til Illustrert Vitenskap.

Forskergruppens studie bygde på data fra hele verden. Szilas bidro blant annet med feltarbeid i det sørvestlige Grønland.

Observasjoner

En del av feltarbeidet foregikk i det sørvestlige Grønland der den danske geologen Kristoffer Szilas samlet inn 3,8 milliarder år gamle prøver av bergarten peridotitt.

© Kent Pørksen

Da forskerne sammenlignet dataene sine, ble det klart at litosfæren måtte ha oppstått med såkalt horisontal tektonikk, der landmasser støter mot hverandre.

Hver gang to landmasser støter sammen, blir de kortere, men også betydelig tykkere og dermed mer levedyktige.

Sammenstøt av den typen krever krefter som virker mot hverandre. Men slike krefter fantes først på jorden i det øyeblikket den nåværende platetektonikken kom i gang, og skorpeplatene begynte å drive rundt og kollidere med hverandre.

Og her oppstår et paradoks, for med platetektonikken følger fenomenet subduksjon, som innebærer at gammel skorpe synker ned i dypet og forsvinner i såkalte subduksjonssoner. I dag fortærer sonene hovedsakelig den tynne havbunnsskorpen, men uten den tykke litosfæren ville de også klart å svelge et kontinent.

Uten kontinenter kunne altså ikke den tykke litosfæren oppstå, men kontinentene kunne ikke ha klart å holde seg flytende uten litosfæren.

Kristoffer Szilas understreker at den litosfæriske mantelen under kontinentene var helt sentral for at den kunne overleve – og dermed avgjørende for at vi mennesker eksisterer – for hvis jordens kontinenter hadde gått til grunne, ville planeten i dag være dekket av hav.

Det måtte altså mangle en brikke. Og den brikken dukket opp et uventet sted.

Lavalampe bygde kontinenter

Da Szilas og de andre forskerne sammenlignet alderen på litosfæren rundt omkring på kloden, fikk de seg en overraskelse. Det viste seg nemlig at den tykke litosfæriske mantelen under kontinentene er mye yngre enn de eldste delene av selve kontinentene.

I dataene kunne geologene se at den litosfæriske mantelen vokste eksplosivt for omkring 2,5 milliarder år siden. Mye tyder altså på at platetektonikken allerede hadde startet så tidlig.

«Vi ser en tydelig stigning i dannelsen av den litosfæriske mantelen. Det tyder på at de vannrette og kompressive krefter har oppstått på denne tiden», sier Szilas.

Litosfæren måtte altså være dannet etter kontinentene. Og det store spørsmålet ble dermed: Hva var det som holdt dem oppe?

Det tyder på at de vannrette, komprimerende kreftene har oppstått for om lag 2,5 milliarder år siden. Geolog Kristoffer Szilas

Siden klodens eldste bergarter er mer enn fire milliarder år gamle, må både de tidligste kontinentene, kratonene, og den medfølgende litosfæren altså være dannet før platetektonikken kom i gang.

Og det er her det viser seg at geologiske kreftene fungerte ganske annerledes da jorden var ung, for hvis det ikke var platetektonikk som skapte redningsbøyen under de første kontinentene, hva var det da?

Geologene mener at det har vært noen så langt ukjente krefter involvert – et fenomen som de har døpt vertikal tektonikk. Prosessen kan ifølge Szilas sammenlignes med en lavalampe: Kaldt materiale synker ned, og varmt materiale stiger opp i loddrette bevegelser.

Modeller viser at kratonene kan ha blitt skapt på den måten.

«Vi tror at kontinentene oppsto i et miljø der det hele tiden ble stablet basalter på toppen av hverandre», forklarer han.

Basalt er en bergart som dannes når materiale fra mantelen smelter. I dag strømmer basalten ut av midthavsrygger. Men siden plater i skorpen hele tiden beveger seg vekk fra midthavsrygger, blir aldri basalten spesielt tykk.

På den tidlige jorden eksisterte ikke platetektonikken, og derfor fikk laget av basalt lov til å vokse uhemmet i tykkelse. Ny magma strømmet hele tiden opp gjennom revner og sprekker og bygde de tidligste kontinentene, kratonene, lag for lag.

Etter hvert som laget av basalt vokste, ble det tyngre og trykket ned den nederste delen i den varme mantelen, der basalten begynte å smelte.

Det var imidlertid ikke alle mineralene i basalten som smeltet med det samme, bare 10–20 prosent. Magmaen som ble dannet, var derfor veldig ulik fra den som opprinnelig hadde skapt basalten.

Vi tror at kontinentene oppsto i et miljø der basalter hele tiden ble stablet oppå hverandre. Geolog Kristoffer Szilas

Den nye magmaen var lettere og steg derfor opp til overflaten, der den størknet og blant annet ble til den granitten kontinentene først og fremst består av i dag.

Oppdagelsen har fått forskerne til å konkludere med at platetektonikken, der plater støter mot plater, ikke var så viktig for å danne kontinentene. Men uten platetektonikken ville de ikke ha nådd den tykkelsen som var nødvendig for å overleve fram til i dag.

Geologene har faktisk et ganske presist anslag for når platetektonikken startet. Tidspunktet har de funnet et uvanlig sted, nemlig i eldgamle diamanter.

Kan gi et vink om andre planeter

Diamanter består av rent karbon, grafitt, og kan bare oppstå under voldsomt trykk mer enn 200 kilometer under overflaten.

Når diamantene blir dannet, kan små biter av annet materiale bli en del av dem, og de inneholder alltid fremmede grunnstoffer i små mengder. Begge deler forteller om hvordan diamanten ble skapt.

Diamant

Diamanter oppstår når karbon utsettes for voldsomt trykk 200 kilometer under overflaten. Deretter blir diamantene brakt opp til overflaten integrert i bergarten kimberlitt.

En studie fra 2020 viser at diamantenes innhold av fremmedlegemer endret seg for tre milliarder år siden.

Da begynte de såkalte eklogitiske diamantene å oppstå. De dannes når bergarten det er mest av i havbunnen, basalt, blir utsatt for økende trykk og temperatur. Og det gjør den først i det øyeblikket platetektonikken starter, og havbunnsskorpen dykker ned i subduksjonssonene.

Samtidig begynner innholdet av andre grunnstoffer i diamanten å variere vilt. Det tyder på at miljøet i 200 kilometers dybde plutselig ble tilført materiale fra overflaten i form av havvann, gjørme og kanskje til og med karbon fra levende organismer – altså enda et tydelig tegn på at platetektonikken startet.

Med tidspunktet for kontinentaldriftens begynnelse og litosfærens rolle som redningsbøye er forskerne et langt skritt nærmere å kunne kartlegge de avgjørende fasene i jordens utvikling.

Den kunnskapen er ifølge Kristoffer Szilas ikke bare sentral for forståelsen av den planeten vi bor på, men også for vurderingen av hvilke typer av planeter i fremmede solsystem som kan ha liv.

«Hvordan skal vi forstå dem hvis vi knapt forstår vår egen planets geologiske utvikling?» avslutter han.