Kappsegling gav jorden liv

I dag utgörs 29 procent av jordens yta av land, men så har det inte alltid varit. De första kontinenterna befann sig i veritabel sjönöd. Det var tack vare en gigantisk livboj som jorden undgick att helt och hållet täckas av hav.

I dag utgörs 29 procent av jordens yta av land, men så har det inte alltid varit. De första kontinenterna befann sig i veritabel sjönöd. Det var tack vare en gigantisk livboj som jorden undgick att helt och hållet täckas av hav.

I dag är det en självklarhet att vi står torrskodda på marken och att landområden skjuter upp ovanför oceanernas vågor likt ett tryggt och säkert fartygsdäck.

För geologerna har det emellertid varit något av en utmaning att förklara hur det kommer sig att kontinenterna en gång bildades – och inte minst hur det kommer sig att de fortfarande existerar.

Det är nämligen långt ifrån givet att en planet bildar den särskilda lätta typ av jordskorpa som jordens kontinenter består av. Den finns till exempel inte på de övriga stenplaneterna i vårt solsystem.

Ännu mer förbluffande är det faktum att de första kontinenterna inte slukades av planetens glödheta inre och att flera av dem har funnits i över 2,5 miljarder år.

Nu har dock en forskargrupp ledd av professor Graham Pearson vid University of Alberta i Kanada upptäckt att en gigantisk livboj spändes om livet på de sköra kontinenterna och räddade dem från drunkningsdöden i ett skummande hav av magma.

Jorden är uppdelad som en tårta

År 2021 publicerade forskargruppen sina upptäckter i tidskriften Nature. Pearsons kollega Kristoffer Szilas vid Köpenhamns universitet deltog också i arbetet.

”Målet var att komma fram till svaret på hur planetens första kontinenter, de så kallade kratonerna, bildades och hur de har kunnat överleva i miljardtals år”, berättar han för Illustrerad Vetenskap.

Kratoner är block av lätt sten, som i dag utgör särskilt stabila kärnor i kontinenterna. Ett exempel på en kraton är den över tre miljarder år gamla Baltiska skölden, som utgör den stabila kärnan i nordöstra Skandinavien och nordvästra Ryssland.

Världskarta
© Shutterstock

Planetens äldsta kontinenter har existerat i miljardtals år

Planetens första mikrokontinenter, kratonerna, bildades i jordens ungdom för 2,5 miljarder år sedan. De hölls uppe av den så kallade litosfären och utgör i dag de tjocka, stabila kärnorna i vår tids världsdelar.

Forskargruppens studier visar att kratonerna bildades vid en tidpunkt då jordens geologiska krafter fungerade på ett helt annat sätt än i dag.

Innan vi kan förstå hur jorden fungerade då måste vi emellertid förstå hur den fungerar i dag.

Numera rör sig jordens kontinenter i en process som geologerna kallar plattektonik, där sju stora och ett flertal mindre kontinentalplattor ständigt driver omkring.

Nordamerika och Europa rör sig exempelvis bort från varandra, medan Indien seglar in i Asien.

Plattektoniken är den ultimata återvinningen, eftersom gammal jordskorpa, i regel havsbotten, dyker ner i jordens inre.

Denna process är möjlig för att jorden är uppdelad i flera geologiska lager, likt en jättelik klotformad tårta.

Innerst finns en fast kärna, som omges av en flytande yttre kärna. Sedan kommer manteln, som omfattar cirka 2 800 kilometer av planetens innandöme och huvudsakligen är varm och trögflytande. Ovanpå driver skorpans mellan två och 40 kilometer tjocka plattor omkring.

Jorden är den enda planet vi känner till som har kontinenter. Särskilt viktig i detta sammanhang är den så kallade litosfäriska manteln, för det är den som håller kontinenterna flytande.

Hav
© Claus Lunau

1. Två typer av jordskorpa

Jorden har två typer av hård skorpa, som utgör planetens yttersta lager. Havsbottenskorpan består huvudsakligen av den tunga, svarta bergarten basalt, medan kontinentalskorpan mestadels är uppbyggd av lättare granitbergarter.

Hav2
© Claus Lunau

2. Stelnad mantel följer med

Under skorpan ligger den litosfäriska manteln. Detta lager är stelt och klibbar fast på mantelns undersida, så att de tillsammans utgör den 80–300 kilometer tjocka litosfären, som är lättare än det underliggande lagret och därför flyter ovanpå.

Hav3
© Claus Lunau

3. Litosfären seglar på glödhett hav

Det underliggande lagret, den astenosfäriska manteln, är cirka 1 300 grader varm. Den är därmed tillräckligt mjuk och flytande för att fungera som det hav på vilket litosfären seglar. Under astenosfären följer den ännu varmare mesosfären.

Studier visar att mantelns översta delar är så pass svala – och därmed stela – att de följer med kontinenterna när plattorna rör sig. Samtidigt är de så lätta att de tillsammans med skorpan kan flyta högt och låta kontinenterna segla iväg på mantelns tyngre och mjukare delar.

Tillsammans kallas skorpan och denna översta, stela del av manteln litosfären.

Knuffar och tryck gjorde litosfären tjock

Den stora utmaningen för Pearson, Szilas och de övriga forskarna var att komma fram till hur den urgamla livbojen bildades och därmed säkerställde kontinenternas överlevnad.

”Vi ville förstå hur den litosfäriska manteln uppstod och vilka processer som krävdes för att det skulle ske”, säger Kristoffer Szilas till Illustrerad Vetenskap.

Forskargruppens studie bygger på data från hela världen, där Kristoffer Szilas bland annat bidrog med fältarbete i sydvästra Grönland.

Observation

En del av fältarbetet gjordes på sydvästra Grönland, där den danske geologen Kristoffer Szilas samlade in 3,8 miljarder år gamla prover av bergarten peridotit.

© Kent Pørksen

När forskarna jämförde sina data stod det klart att litosfären måste ha bildats genom så kallad horisontal tektonik, i vilken landmassor kolliderar med varandra.

Varje gång två landmassor kolliderar blir de något kortare, men också betydligt tjockare och därmed mer långlivade.

Kollisioner av detta slag förutsätter motverkande krafter. Sådana krafter existerade emellertid inte på jorden förrän den nuvarande plattektoniken uppstod och skorpplattorna började driva runt och kollidera med varandra.

Här uppstår en paradox, för med plattektoniken följer fenomenet subduktion, där gammal jordskorpa sjunker ner i djupet och försvinner i så kallade subduktionszoner. I dag förtär dessa zoner huvudsakligen den tunnare havsbottenskorpan, men utan den tjocka litosfären skulle även hela kontinenter kunna slukas.

Utan kontinenterna hade med andra ord den tjocka litosfären inte kunnat uppstå, men utan litosfären hade kontinenterna å andra sidan inte kunnat hålla sig flytande.

Kristoffer Szilas betonar för Illustrerad Vetenskap att den litosfäriska manteln under kontinenterna är omistlig för deras överlevnad och därmed avgörande för att vi människor över huvud taget existerar. Om jordens kontinenter hade gått under skulle nämligen planeten i dag vara helt täckt av hav.

Forskarna måste med andra ord sakna en pusselbit – och den dök upp på en oväntad plats.

Lavalampa byggde upp kontinenterna

När forskarna jämförde åldern på litosfären runtom i världen blev Kristoffer Szilas och hans kollegor förvånade. Det visade sig att den tjocka litosfäriska manteln under kontinenterna är betydligt yngre än de äldsta delarna av själva kontinenterna.

Med hjälp av data kunde geologerna se att den litosfäriska manteln växte explosionsartat för omkring 2,5 miljarder år sedan. Mycket tyder följaktligen på att plattektoniken redan existerade vid denna tidpunkt.

”Vi ser en tydlig ökning av den litosfäriska mantelns bildning, vilket tyder på att de vågräta, kompressiva krafterna uppstod vid denna tid”, säger Kristoffer Szilas.

Litosfären måste därför ha uppstått efter kontinenterna. Den stora frågan är då vad det var som höll uppe dem i deras tidiga ungdom.

Det tyder på att de vågräta, kompressiva krafterna uppstod för cirka 2,5 miljarder år sedan. Geologen Kristoffer Szilas

Eftersom planetens äldsta bergarter är över fyra miljarder år gamla måste både de tidigaste kontinenterna, kratonerna, och deras medföljande litosfär ha bildats innan plattektoniken uppstod.

Det är nu vi kommer fram till de markant annorlunda geologiska krafterna i den unga jorden. För om det inte var plattektonik som skapade livbojen under de första kontinenterna, vad var det då?

Geologerna tror att hittills okända krafter var i spel, ett fenomen som de kallar vertikal tektonik. Denna process kan enligt Kristoffer Szilas bäst jämföras med en lavalampa, där kallt material sjunker och varmt material stiger i lodräta rörelser.

Modeller visar att kratonerna kan ha uppstått på det viset.

”Vi tror att kontinenterna uppstod i en miljö där det hela tiden staplades nya lager av basalt på varandra”, förklarar han.

Basalt är en bergart som bildas när material från jordens mantel smälter. I dag strömmar basalten ut ur de mittoceaniska ryggarna, men eftersom jordens skorpplattor hela tiden rör sig bort från de mittoceaniska ryggarna blir basalten aldrig särskilt tjock.

I jordens ungdom fanns det inte någon plattektonik, vilket gjorde att lagret av basalt växte ohämmat i tjocklek. Ny magma strömmade hela tiden upp genom sprickor och byggde upp de tidigaste kontinenterna, kratonerna, lager för lager.

Efter hand som basaltlagret växte blev det tyngre och tryckte då ner den nedersta delen i den varma manteln, där basalten började smälta.

Alla mineraler i basalten smälte dock inte samtidigt, utan bara 10–20 procent av dem. Magman som bildades var därför väldigt annorlunda än den magma som ursprungligen gav upphov till basalten.

Vi tror att kontinenterna uppstod i en miljö där det hela tiden staplades nya lager av basalt på varandra. Geologen Kristoffer Szilas

Den nya magman var lättare och steg därför upp till ytan, där den stelnade och bland annat blev till den granit som kontinenterna i dag huvudsakligen består av.

Upptäckten har fått forskarna att sluta sig till att plattektoniken, där plattor kolliderar med varandra, visserligen inte var oumbärlig för att kontinenterna skulle bildas, men utan plattektoniken hade de inte blivit tjocka nog för att kunna överleva till i dag.

Geologerna har till och med ett relativt exakt bud på när plattektoniken uppstod. Det har de kommit fram till genom att studera något så oväntat som urgamla diamanter.

Visar vägen till andra planeters inre

Diamanter består av rent kol, grafit, och kan bara uppstå vid mycket högt tryck, minst 200 kilometer ner i marken.

När diamanter bildas kan små fragment av andra material lagras i dem. Dessutom innehåller de alltid små mängder främmande grundämnen. Dessa båda saker tillsammans skvallrar om hur diamanten skapades.

Diamant

Diamanter bildas när kol utsätts för högt tryck, minst 200 kilometer ner i marken. Därefter förs diamanterna upp till ytan, inlagrade i bergarten kimberlit.

En studie från år 2020 visar att diamanternas innehåll av främmande material förändrades för tre miljarder år sedan.

Då började så kallade eklogitiska diamanter bildas. Det sker när havsbottnens normala bergart basalt utsätts för högre tryck och temperatur, det vill säga när plattektoniken uppstod och havsbottenskorpa började dyka ner i subduktionszoner.

Samtidigt började innehållet av andra grundämnen i diamanter variera mycket, vilket tyder på att miljön på 200 kilometers djup plötsligt tillfördes material från ytan i form av havsvatten, lera och kanske till och med kol från levande organismer. Det är ännu ett tecken på att plattektoniken hade börjat.

I och med tidpunkten för kontinentaldriftens början och litosfärens roll som livboj har forskarna kommit ett stort steg närmare att kunna kartlägga de avgörande faserna i jordens utveckling.

Dessa kunskaper är enligt Kristoffer Szilas inte bara viktiga för förståelsen av vår egen planet, utan också för vår bedömning av vilka typer av planeter i främmande solsystem som skulle kunna hysa liv.

”Hur ska vi kunna förstå dem om vi knappt förstår vår egen planets geologiska utveckling?” avslutar han.