V horninách z Grónska vědci našli stopy magmatického oceánu z počátků Země

Šest kusů horniny z jihozápadního Grónska nese chemický otisk žhavého magmatu, které před 4,5 miliardy let pokrývalo téměř celý povrch naší planety.

Foto: Pixnio

Nebylo to tak, že by někdo odhrnul led a pod ním se třpytila zkamenělá láva. Tým vedený Helen Williamsovou z Cambridgeské univerzity analyzoval metabazalty z jedné z nejstarších horninových sekvencí na Zemi, takzvaného suprakrustálního pásu Isua, a v jejich izotopovém složení rozpoznal podpis procesů, které se odehrály v prvních zhruba 45 milionech let existence planety. Šlo tedy o dobu, kdy Země po srážce s tělesem velikosti Marsu, z níž se zrodil Měsíc, připomínala spíš žhnoucí kouli magmatu než svět, jaký známe dnes. Studie vyšla v časopise Science Advances a její síla nespočívá v jednom překvapivém čísle, ale v kombinaci hned několika nezávislých geochemických stop, které společně ukazují stejným směrem.

Co vlastně vědci v grónském ledu našli

Suprakrustální pás Isua je úzký pás hornin v jihozápadním Grónsku starý přibližně 3,7 miliardy let. Původně šlo o polštářové lávy a gabra, které postupem času metamorfóza proměnila v amfibolity. Williamsová a její kolegové z nich vybrali šest vzorků ze severního teránu, ne náhodně, ale cíleně: hledali kameny s co nejmenší stopou pozdějších chemických přepisů. Vzorky měly nízký obsah těkavých látek, nevykazovaly výrazné anomálie ceru a obsahovaly uzavřené izotopové systémy lutecia-hafnia a samaria-neodymu. Jinými slovy, šlo o vzorky, které si po miliardách let stále nesou původní zprávu.

A ta zpráva je výmluvná. Metabazalty vykazují neobvykle těžké izotopy železa, hodnoty δ⁵⁷Fe dosahují až 0,30 ‰, což je výrazně víc, než kolik mívají běžné plášťové horniny. K tomu se přidávají kladné anomálie wolframu-182 (až +21,3 ppm) a specifický nesoulad mezi systémy hafnia a neodymu, který už dříve naznačoval existenci velmi starých, izolovaných rezervoárů hluboko v plášti.

Proč právě železo změnilo hru

O tom, že Země kdysi prošla fází globálního roztavení, se spekulovalo desetiletí. Starší práce, včetně studií spoluautorky Haniky Rizové z Carleton University, už v letech 2012 a 2016 ukázaly na wolframové a neodymové anomálie v grónských horninách, které naznačovaly existenci pradávných hadejských rezervoárů. Problém byl, že samotné signály neodymu a wolframu nedokázaly určit, jaká mineralogie za nimi stojí. Věděli jsme, že „něco starého“ v plášti existuje. Nevěděli jsme, co.

Železo to změnilo. Při extrémních tlacích hlubokého pláště se těžké izotopy železa přednostně hromadí v minerálech jako bridgmanit a vápníkový perovskit, tedy přesně ve fázích, které by měly krystalizovat z chladnoucího magmatického oceánu. Lehčí železo naopak putuje do kovového jádra. Když Williamsová a její tým spojili těžké železo s wolframovými a hafnio-neodymovými anomáliemi a přidali termodynamické modelování, alternativní vysvětlení (subdukční původ, recyklovaná kůra, pyroxenitový zdroj) jedno po druhém odpadala. Zbyla nejpravděpodobnější varianta: vzorky z Isuy nesou otisk kumulátů, které vznikly při tuhnutí prvotního magmatického oceánu.

Oceán lávy od obzoru k obzoru

Představa je jednoduchá a zároveň ohromující. Po obřím impaktu, který z Prazemě a dopadajícího tělesa vytvořil systém Země–Měsíc, byla naše planeta téměř celá roztavená. Cambridgeská univerzita to ve svém oznámení popisuje jako „hluboké moře žhavého magmatu“ rozprostírající se po povrchu a sahající stovky kilometrů do nitra. Žádné kontinenty, žádné oceány vody, žádná atmosféra v dnešním smyslu. Jen záře roztaveného křemičitanu.

Jak toto moře chladlo, těžší minerální fáze klesaly ke dnu, ke hranici jádra a pláště, a vytvářely tam izolované kapsy s unikátním chemickým otiskem. Williamsová je poeticky nazývá „pradávnými hřbitovy krystalů“. A právě tyto kapsy podle všeho přežily miliardy let konvekce pláště a občas se znovu dostaly k povrchu, buď do zdrojových oblastí archaických vulkánů, jejichž produkty dnes vidíme v Isue, nebo do plášťových proudů pod dnešními hotspotovými sopkami.

Grónsko není konec, ale začátek

Jedním z nejzajímavějších aspektů studie je její přesah za hranice Grónska. Autoři výslovně upozorňují na podobnosti mezi izotopovými podpisy z Isuy a signály, které se objevují v bazaltech z Havaje, Samoy, Islandu a Pitcairnu, tedy z míst, kde plášťové proudy vynášejí materiál z velkých hloubek. Pokud by se totožné geochemické stopy potvrdily i tam, znamenalo by to, že primordiální heterogenity vytvořené při tuhnutí Země nejen přežily 4,5 miliardy let, ale aktivně vstupují do zdrojů dnešního vulkanismu.

Rizová dnes pracuje i s horninami z komplexu Saglek-Hebron v severním Labradoru, dalšího z mála míst na planetě, kde se zachovaly horniny z eoarchejského období. Williamsová zase vede cambridgeský projekt EarthMelt zaměřený právě na fázi magmatického oceánu vyvolanou impaktem při vzniku Měsíce a její důsledky pro chemii pláště, vznik atmosféry i spuštění magnetického pole.

Proč to trvalo tak dlouho

Nabízí se otázka: proč se něco takového podařilo prokázat až teď? Důvodů je několik a navzájem se posilují. Téměř všechny horniny starší než čtyři miliardy let byly dávno pohlceny a přetaveny deskovou tektonikou; Isua je jednou z mála výjimek. I tam ale většina vzorků nese stopy pozdějších chemických přepisů, takže najít šest dostatečně „čistých“ kusů vyžadovalo pečlivý výběr. A konečně, teprve pokroky v hmotnostní spektrometrii a v pochopení toho, jak se izotopy železa chovají při extrémních tlacích spodního pláště, umožnily vůbec použít železo jako stopovač tak hlubokých procesů. Williamsová sama přiznává, že řada kolegů dříve váhala podobné chemické stopy vůbec hledat.

Šest nenápadných kamenů z grónského pásu Isua nepřepisuje učebnice, ale upevňuje jednu z jejich nejodvážnějších hypotéz. Země, na které stojíme, si ve svém nitru stále nese jizvy po svém ohnivém zrodu a některé z nich právě začínáme číst.