De buitenste laag van de aarde bestaat uit gigantische platen die samen malen, langs elkaar glijden of onder elkaar dompelen, waardoor aardbevingen en vulkanen ontstaan. Deze platen scheiden ook bij onderzeese bergruggen, waar gesmolten gesteente zich verspreidt vanuit de centra van oceaanbekkens.

Maar dit was niet altijd het geval. Vroeg in de geschiedenis van de aarde, de planeet was bedekt met een enkele schil bezaaid met vulkanen - net zoals het oppervlak van Venus tegenwoordig. Terwijl de aarde afkoelde, deze schaal begon te vouwen en te barsten, uiteindelijk het aardesysteem van platentektoniek creëren.

Volgens nieuw onderzoek is de overgang naar platentektoniek begon met behulp van smerende sedimenten, door gletsjers van de hellingen van de eerste continenten van de aarde geschraapt. Terwijl deze sedimenten zich verzamelden langs de jonge kustlijnen van de wereld, ze hielpen de beweging van nieuw gevormde subductiefouten te versnellen, waar een dunnere oceanische plaat onder een dikkere continentale plaat duikt.

De nieuwe studie, gepubliceerd op 6 juni 2019 in het journaal Natuur , is de eerste die suggereert dat sedimenten een rol spelen bij het ontstaan ​​en de evolutie van de mondiale platentektoniek. Michaël Bruin, een professor in de geologie aan de Universiteit van Maryland, co-auteur van het onderzoekspaper met Stephan Sobolev, een professor in de geodynamica aan het GFZ German Research Center for Geosciences in Potsdam.

De bevindingen suggereren dat sedimentsmering de snelheid regelt waarmee de aardkorst maalt en karnt. Sobolev en Brown ontdekten dat twee belangrijke periodes van wereldwijde ijstijd, wat resulteerde in enorme afzettingen van door gletsjers geschrobd sediment, elk veroorzaakte waarschijnlijk een daaropvolgende boost in de wereldwijde snelheid van platentektoniek.

De meest recente dergelijke episode volgde op de "sneeuwbal-aarde" die ongeveer 635 miljoen jaar geleden eindigde, resulterend in het moderne platentektonisch systeem van de aarde.

"De aarde heeft niet altijd platentektoniek gehad en is niet altijd in hetzelfde tempo gevorderd, Brown zei. "Het heeft ten minste twee perioden van versnelling doorgemaakt. Er zijn aanwijzingen dat tektoniek gedurende bijna een miljard jaar ook vertraagde tot een relatieve kruip. In ieder geval, we vonden een verband met de relatieve overvloed - of schaarste - van glaciale sedimenten."

Net zoals een machine vet nodig heeft om zijn onderdelen vrij te laten bewegen, platentektoniek werkt efficiënter met smering. Hoewel het misschien moeilijk is om de korrelige consistentie van klei te verwarren, slib, zand en grind met een glad vet, het effect is grotendeels hetzelfde op continentale schaal, in de oceaantroggen waar tektonische platen elkaar ontmoeten.

"Dezelfde dynamiek bestaat bij het boren in de aardkorst. Je moet modder gebruiken - een zeer fijne klei gemengd met water of olie - omdat water of olie alleen niet zo goed zal werken, " Brown zei. "De modderdeeltjes helpen de wrijving op de boor te verminderen. Onze resultaten suggereren dat tektonische platen ook dit soort smering nodig hebben om in beweging te blijven."

Eerder onderzoek aan de westkust van Zuid-Amerika was het eerste dat een verband identificeerde tussen sedimentsmering en wrijving langs een subductiefout. Voor de kust van Noord-Chili, een relatief gebrek aan sediment in de breukgeul zorgt voor hoge wrijving als de oceanische Nazca-plaat onder de continentale plaat van Zuid-Amerika duikt. Deze wrijving hielp om de hoogste toppen van het centrale Andesgebergte naar de hemel te duwen terwijl de continentale plaat platgedrukt en vervormd werd.

In tegenstelling tot, verder naar het zuiden is er een hogere sedimentbelasting in de sleuf, waardoor er minder wrijving is. Dit veroorzaakte minder vervorming van de continentale plaat en, bijgevolg, kleinere bergtoppen ontstaan. Maar deze bevindingen waren beperkt tot één geografisch gebied.

Voor hun studie Sobolev en Brown gebruikten een geodynamisch model van platentektoniek om het effect van sedimentsmering op de subductiesnelheid te simuleren. Om hun hypothese te verifiëren, ze controleerden op correlaties tussen bekende perioden van wijdverbreide ijstijd en eerder gepubliceerde gegevens die wijzen op de aanwezigheid van continentaal sediment in de oceanen en loopgraven. Voor deze stap, Sobolev en Brown vertrouwden op twee primaire bewijslijnen:de chemische signatuur van de invloed van continentale sedimenten op de chemie van de oceanen en indicatoren van sedimentverontreiniging in subductiegerelateerde vulkanen, net als degenen die de huidige "ring van vuur" rond de Stille Oceaan vormen.

Volgens de analyse van Sobolev en Brown, platentektoniek is waarschijnlijk tussen 3 en 2,5 miljard jaar geleden op aarde ontstaan, rond de tijd dat de eerste continenten van de aarde zich begonnen te vormen. Dit tijdsbestek valt ook samen met de eerste continentale ijstijd van de planeet.

Een grote toename van de platentektoniek vond plaats tussen 2,2 en 1,8 miljard jaar geleden, na een nieuwe wereldwijde ijstijd die enorme hoeveelheden sedimenten in de breukgroeven aan de randen van de continenten schrobde.

De volgende miljard jaar, van 1,75 miljard tot 750 miljoen jaar geleden, zag een wereldwijde vermindering van de snelheid van platentektoniek. Deze fase van de geschiedenis van de aarde was zo kalm, relatief gezien, dat het de bijnaam "de saaie miljard" verdiende onder geologen.

Later, na de wereldwijde "sneeuwbal aarde" ijstijd die ongeveer 635 miljoen jaar geleden eindigde, de grootste oppervlakte-erosie in de geschiedenis van de aarde heeft mogelijk meer dan een verticale mijl van dikte van het oppervlak van de continenten geschrobd. Volgens Sobolev en Brown, toen deze sedimenten de oceanen bereikten, ze begonnen de moderne fase van actieve platentektoniek.

Het onderzoeksrapport, "Oppervlakte-erosie-gebeurtenissen beheersten de evolutie van platentektoniek op aarde, " Stephan Sobolev en Michael Brown, werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuur op 6 juni, 2019.