Cristale de zircon, originea granitelor și evoluția continentelor

Un grup multinațional de cercetători geologi de la Universitățile București, Cluj, Liege, Arizona, China University of Geosciences Wuhan și de la Institutul de Geodinamică București condus de profesorul universitar Mihai Ducea derulează un studiu inovativ al cărui scop ambițios este deslușirea originii și caracteristicilor crustei continentale pe Pământ, de la originile sale acum 4.5 miliarde de ani și până în prezent. Studiul este finanțat de Agenția Naționala de Cercetare din Romania (UEFISCDI), dar beneficiază și de alte fonduri de cercetare din Belgia, SUA și China.

Rezultatele vor avea un impact transformativ asupra înțelegerii mecanismelor și schimbărilor procesuale în tectonica planetei, dar vor putea să ne și ghideze în a descoperi noi resurse în viitor. Este un proiect de știință fundamentală, condus și implementat în principal de geologi români, dar care necesită muncă de teren și probare pe 5 continente. Proiectul are abrevierea CUTE (de la „evoluția tectonică a crustei continentale”, abrevierea bazându-i-se pe titlul în engleză al proiectului).

(Foto 1) Granite – din primul în ultimul plan – Sierra Nevada California / Sursa foto: Mihai Ducea

Crusta continentală este materia pe care ne desfășurăm activitățile zi de zi (cei care nu au norocul sa trăiască in insule exotice); este granitică (Foto 1) în medie și foarte diferită de crusta oceanică „bazaltică” sau de alte scoarțe ale planetelor și sateliților solizi din Sistemul Solar (de ex. Marte, Luna), toate bazaltice. În fapt, aceste granite și derivatele lor (sedimente) sunt tipice doar Pământului.

De ce le avem doar aici și cum s-au format ele de-a lungul celor 4.5 miliarde de ani ai planetei? Planează încă dubiu asupra formarii si evoluției lor.

S-au format continentele prin aceleași procese de-a lungul timpului, s-au format ele doar la început și de atunci sunt reciclate în roci din ce în ce mai noi? Cum se compară procesele tectonice de azi (pe care le știm destul de bine din observație directă) cu cele de acum, să zicem, 2-3 miliarde de ani?

O limitare majoră în a răspunde acestor întrebări vine de la gradul inegal de păstrare (prezervare) a rocilor de-a lungul timpului; nu avem acces egal sau acces pur și simplu la roci de anumite vârste, motiv pentru care evoluția continentelor rămâne destul de ambiguă.

Semnificația este uriașă pentru că la mijloc, dincolo de întrebările specifice și destul de sofisticate ale expertului în geoștiințe, se află o întrebare absolut fundamentală pentru geoștiințe: putem să folosim observația și experiența „azi”-ului pentru a interpreta fenomene din trecut și mai ales din trecutul adânc (miliarde de ani) sau trebuie să ne ajustăm gândirea în așa fel încât să acceptăm fenomene/modele total diferite și uneori catastrofice (de termen scurt) ca fiind responsabile pentru complexitatea și diversitatea rocilor continentale.

Grupul CUTE, condus de profesorul Mihai Ducea, constă în cercetători din două universități din România (Universitatea din București și Universitatea Babeș-Bolyai Cluj-Napoca) plus Institutul de Geodinamică din București care este partener principal și alte câteva universități mari de pe 3 continente finanțate separat pentru varii componente ale cercetării. Masteranzi, doctoranzi și cercetători postdoctorali sunt angajați în proiect în Universitatea gazdă, Universitatea București.

CUTE adresează întrebările de mai sus folosind niște aliați extrem de loiali – cristalele de zircon. Zirconul este un silicat de zirconiu (ZrSiO4), un mineral nu foarte abundent, dar care se găsește în aproape toate rocile granitice și sedimentele derivate și care are proprietatea de a fi extrem de rezistent mecanic. Îl vedeți uneori folosit ca piatră semi-prețioasă, deși nefiind colorat sau spectaculos geometric în majoritatea cazurilor nu este la fel de estetic ca alte minerale.

Avem zircoane de practic toate vârstele pe Pământ, inclusiv unele de 4.4 miliarde de ani (4400 milioane de ani!) care sunt cele mai vechi vestigii solide ale Planetei; ele sunt de găsit doar într-o arie extrem de limitată din vestul Australiei, într-un deal numit Jack Hills (Foto 2).

(Foto 2) Gresia de Jack Hills, Australia, care conține cele mai vechi zircoane din lume, 4.4 miliarde de ani / Sursa foto: Mihai Ducea

Zirconul se formează doar în granite, deci este o capsulă de timp a mecanismelor responsabile de a genera crusta continentală. Zirconul este de asemenea purtător de uraniu și poate fi datat prin metoda de dezintegrare radioactivă a uraniului în plumb; cu alte cuvinte, putem să determinăm vârsta oricărui zircon relativ ușor. De asemenea, în structura sa există alte elemente rare care sunt folosite în a determina compoziția granitelor din care s-a format respectivul zircon, temperatura și alți parametri fizici, inclusiv grosimea crustei din care provin acele granite. Putem deci să monitorizăm procese fizice (temperatura, grosimea crustei etc etc) pe scara timpului folosind aceste informații încuiate în milioanele de cristale de zircon pe care am putea să le analizăm. Ok.. hai să zicem că putem să analizăm doar câteva zeci de mii de cristale. Milioane… ar depăși cu mult bugetul proiectului.

Abilitatea de a obține toate aceste informații pe un singur cristal într-un timp scurt e rezultatul unor progrese recente în arsenalul analitic al geologilor. Analiza propriu-zisă (chimică și radiometrică) ar fi fost considerată science-fiction acum două decenii, dar se fac progrese aproape lunare în a simplifica și îmbunătăți procedura analitică. Dacă acum chiar și un deceniu și jumătate, cercetătorii dizolvau individual aceste mici cristale, le supuneau unei proceduri de o săptămână-două de separare a Uraniului și altor elemente de interes, pentru a le analiza în final printr-o metodologie complicată și nu extrem de precisă, azi ele sunt separate din roci, împachetate într-o rășină și măsurate cu ablație cu laser.

Un laser extrem de puternic sapă un crater de cca 20 microni (Foto 3) – acesta e materialul care e apoi introdus sub formă de plasmă într-un spectrometru de masă care măsoară elemente și izotopi cu o rapiditate și o precizie năucitoare; în decurs de 20 de secunde aflăm „live” pe ecranul calculatorului de bord al instrumentului care e vârsta cristalului, dar și toate caracteristicile fizice ale granitelor din care s-a format zirconul. Se lucrează la automatizarea acestui flux în așa fel încât driverul laserului să identifice singur locațiile de analiză pe cristal. Probabil că peste încă 10-15 ani nu o să mai avem nevoie de un operator în fața instrumentului și totul va fi automatizat.

(Foto 3) Cristale de zircon si cratere de cca 20 microni produse de ablația cu laser in timpul analizelor de vârsta; vârstele sunt notate pe fotografie (cristale din Munții Stâncoși ai Canadei, British Columbia, colecția Mihai Ducea)

Deci există o arhivă întreagă pentru evoluția continentelor, una păstrată în aceste capsule de timp care sunt zircoanele. Chiar dacă granitele din care ele s-au format au fost erodate, sau pur și simplu nu sunt expuse azi la suprafață din varii motive (sunt acoperite de vegetație, etc), putem colecta zircoane din sedimente care provin din eroziunea respectivelor materiale.

CUTE a colectat zircoane din râuri mari de pe planetă (Nil, Dunăre, Amazon, Yangtze etc) pentru că ele „spală” o geologie extrem de complicată și au zircoane de foarte multe vârste. Multe kilograme din aceste probe sunt procesate în laborator pentru a extrage câteva sute sau mii de zircoane prezente în fracția grea – pentru care se folosește o metodă modernă, dar asemănătoare cu cea aplicată de cei care căutau aur aluvionar în sedimente. Zircoanele sunt apoi montate împreună în grupuri de câteva sute și analizate prin această nouă procedură cu ablație cu laser.

Prepararea probelor se face la București într-un laborator proaspăt construit, iar analizele se fac deocamdată în laboratoarele Universității din Arizona. Ducea (care a fost printre pionierii acestei tehnologii în Arizona acum 15 ani) și colegii vor să construiască un laborator de top în România în viitorul apropriat. Primii pași spre o componentă analitic super performantă au fost făcuți la Cluj sub conducerea Dr. Constantin Balica, membru al echipei CUTE.

Geologi ai echipei CUTE pe teren / Foto: Mihai Ducea
Ce s-a aflat până acum?

Suntem la sfârșitul primului an de proiect și rezultate interesante au început să apară după un an de probare în colțuri care de care mai îndepărtate ale planetei. Primele rezultate ale acestui studiu tocmai au fost publicate într-o revistă de top (Earth and Planetary Science Letters, Balica et al., 2020, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X19306971?via%3Dihub) și sunt extrem de interesante.

În primul rând, surprinzător, nu pare să existe vreo schimbare majoră de-a lungul timpului, la scara globală, în modul în care continentele s-au format și acela este asemănător cu cel pe care îl vedem azi, chiar și în adâncurile primelor sute de milioane de ani, în era Hadeana! Granitoide de temperatură relativ scăzută, cu apă în ele, se formau, se pare, la fel atunci ca și azi. Crusta granitică nu era deloc diferită ca grosime, temperatură sau compoziție, ceea ce pare puțin contraintuitiv – asta înseamnă printre multe altele că și resursele pe care le găsim în roci tinere (cuprul, aurul etc) ar fi avut din punct de vedere chimic aceleași condiții pentru a se forma.

În al doilea rând, pe fondul acestei aparente constante, există totuși două momente punctuale, la 3200 milioane și la 600 milioane de ani, unde lucrurile par a fi luat-o razna, ca să zicem așa. La momentul 3200, se pare că toată crusta (sau marea ei majoritate la momentul respectiv) a fost „înghițită” – reciclată prin procese de afundare în mantă. Evenimentul e cumva vizibil și în alte tipuri de date publicate recent de alte grupuri, dar nu se „vede” cu aceeași magnitudine ca în datele grupului CUTE.

Exact care este mecanismul, rămâne de determinat. În ce privește ceea ce s-a întâmplat la momentul 600 Milioane de ani, se pare că la nivel global continentele s-au îngroșat treptat până la valori cu peste 5-7 km în plus față de ce vedem azi. A durat doar vreo 50 milioane de ani, anii critici de la începutul Cambrianului, când viața a explodat în magnitudine pe Pământ.

Alte mecanisme au fost considerate responsabile de acest moment esențial în diversificarea planetei, dar grosimea ubicuă a continentelor trebuie într-un fel să intre în ecuație în modele viitoare. Studiile viitoare ale grupului CUTE (2020 și după) se vor focusa pe aceste momente critice în viața planetei.

 

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

Articole recomandate

Studenții de la Fizică au încercat să “spargă” prima aplicație în limba română de recunoaștere vocală și facială / Proiect de cercetare pentru verificarea identității

Studenții de la Facultatea de Fizică a Universității din București au încercat să înșele prima aplicație în limba română de recunoaștere vocală și facială. O echipă internațională de cercetare lucrează…
Vezi articolul