Микроскопические минералы, извлеченные из древнего обнажения Джек-Хиллз в Западной Австралии, стали предметом интенсивных геологических исследований, поскольку они, кажется, несут следы магнитного поля Земли, существовавшего еще 4,2 миллиарда лет назад. Это почти на 1 миллиард лет раньше, чем считалось ранее, когда возникло магнитное поле, и почти в то время, когда сформировалась сама планета.
Но какой бы интригующей ни была эта история происхождения, команда под руководством Массачусетского технологического института нашла доказательства обратного. В статье, опубликованной в журнале Science Advances, группа исследовала кристаллы того же типа, называемые цирконами, извлеченные из того же обнажения, и пришла к выводу, что собранные ими цирконы ненадежны в качестве регистраторов древних магнитных полей.
Другими словами, до сих пор не выяснено, существовало ли магнитное поле Земли раньше, чем 3,5 миллиарда лет назад.
«Нет надежных доказательств наличия магнитного поля до 3,5 миллиардов лет назад, и даже если поле существовало, будет очень трудно найти доказательства его наличия в цирконах Джек-Хиллз», - говорит Кауэ Борлина. аспирант кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Это важный результат в том смысле, что мы знаем, чего больше не искать».
Борлина является первым автором статьи, в которую также входят профессор EAPS Бенджамин Вайс, главный научный сотрудник Эдуардо Лима и научный сотрудник Массачусетского технологического института Джахандар Рамезан, а также другие представители Кембриджского университета, Гарвардского университета, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Анхелес, Университет Алабамы и Принстонский университет.
Поле, всколыхнулось
Считается, что магнитное поле Земли играет важную роль в обеспечении обитаемости планеты. Мало того, что магнитное поле задает направление наших стрелок компаса, оно также действует как своего рода щит, отражая солнечный ветер, который в противном случае мог бы разъесть атмосферу.
Ученые знают, что сегодня магнитное поле Земли питается от затвердевания жидкого железного ядра планеты. Охлаждение и кристаллизация ядра взбалтывают окружающее жидкое железо, создавая мощные электрические токи, которые генерируют магнитное поле, простирающееся далеко в космос. Это магнитное поле известно как геодинамо.
Множественные доказательства показали, что магнитное поле Земли существовало по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. Однако считается, что ядро планеты начало затвердевать всего 1 миллиард лет назад, а это означает, что магнитное поле должно было управляться каким-то другим механизмом до 1 миллиарда лет назад. Определение того, когда именно сформировалось магнитное поле, может помочь ученым выяснить, что его породило.
Борлина говорит, что происхождение магнитного поля Земли может также пролить свет на ранние условия, в которых закрепились первые формы жизни на Земле.
«В первый миллиард лет существования Земли, между 4,4 и 3,5 миллиардами лет, именно тогда зарождалась жизнь», - говорит Борлина. «Если у вас есть магнитное поле в то время, это по-разному влияет на среду, в которой зародилась жизнь на Земле. Это мотивация для нашей работы».
Циркону нельзя доверять
Ученые традиционно использовали минералы в древних горных породах для определения ориентации и интенсивности магнитного поля Земли в прошлом. По мере формирования и охлаждения породы электроны внутри отдельных зерен могут смещаться в направлении окружающего магнитного поля. Как только камень остывает до определенной температуры, известной как температура Кюри, ориентация электронов, так сказать, фиксируется. Ученые могут определить их возраст и использовать стандартные магнитометры для измерения их ориентации, чтобы оценить силу и ориентацию магнитного поля Земли в данный момент времени.
С 2001 года Вайс и его группа изучают намагниченность пород и зерен циркона из Джек-Хиллз, поставив перед собой непростую цель установить, содержат ли они древние записи о магнитном поле Земли.
«Цирконы Джек-Хиллз - одни из самых слабомагнитных объектов, изученных в истории палеомагнетизма», - говорит Вайс. «Кроме того, эти цирконы включают в себя самые старые из известных земных материалов, а это означает, что существует множество геологических событий, которые могли сбросить их магнитные записи».
В 2015 году отдельная исследовательская группа, которая также начала изучать цирконы из Джек-Хиллз, утверждала, что они нашли доказательства наличия магнитного материала в цирконах, возраст которых, по их мнению, составляет 4,2 миллиарда лет - первое свидетельство того, что магнитное поле Земли могло иметь существовал до 3.5 миллиардов лет назад.
Но Борлина отмечает, что команда не подтвердила, действительно ли магнитный материал, который они обнаружили, образовался во время или после образования кристалла циркона 4,2 миллиарда лет назад - цель, которую он и его команда поставили перед собой в своей новой работе.
Борлина, Вайс и их коллеги собрали горные породы из того же обнажения Джек-Хиллз и из этих образцов извлекли 3 754 зерна циркона, каждое длиной около 150 микрометров, что примерно равно ширине человеческого волоса. Используя стандартные методы датирования, они определили возраст каждого зерна циркона, который колебался от 1 миллиарда до 4,2 миллиарда лет..
Около 250 кристаллов старше 3,5 миллиардов лет. Команда изолировала и сделала изображения этих образцов, ища признаки трещин или вторичных материалов, таких как минералы, которые могли отложиться на кристалле или внутри него после того, как он полностью сформировался, и искала доказательства того, что они были значительно нагреты за последние несколько миллиардов лет. лет с момента их образования. Из этих 250 они идентифицировали только три циркона, которые были относительно свободны от таких примесей и, следовательно, могли содержать подходящие магнитные записи.
Затем команда провела подробные эксперименты с этими тремя цирконами, чтобы определить, какие виды магнитных материалов они могут содержать. В конце концов они определили, что магнитный минерал, называемый магнетитом, присутствовал в двух из трех цирконов. Используя квантовый алмазный магнитометр с высоким разрешением, команда изучила поперечные сечения каждого из двух цирконов, чтобы нанести на карту расположение магнетита в каждом кристалле.
Они обнаружили магнетит, лежащий вдоль трещин или поврежденных зон внутри цирконов. Такие трещины, говорит Борлина, являются путями, которые позволяют воде и другим элементам проникать внутрь скалы. Такие трещины могли пропускать вторичный магнетит, осевший в кристалле намного позже, чем при первоначальном образовании циркона. В любом случае, говорит Борлина, доказательства очевидны: эти цирконы нельзя использовать в качестве надежного регистратора магнитного поля Земли.
«Это доказательство того, что мы не можем доверять этим измерениям циркона в качестве записи магнитного поля Земли», - говорит Борлина. «Мы показали, что до 3,5 миллиардов лет назад мы до сих пор не знаем, когда появилось магнитное поле Земли».
Несмотря на эти новые результаты, Вайс подчеркивает, что предыдущие магнитные анализы этих цирконов по-прежнему очень ценны.
«Команда, которая сообщила об оригинальном магнитном исследовании циркона, заслуживает большой похвалы за попытку решить эту чрезвычайно сложную проблему», - говорит Вайс. «В результате всей работы обеих групп мы теперь гораздо лучше понимаем, как изучать магнетизм древних геологических материалов. Теперь мы можем начать применять эти знания к другим минеральным зернам и к зернам с других планетарных тел».