De activiteit van de vaste aarde, bijvoorbeeld vulkanen op Java, aardbevingen in Japan, enz. - wordt goed begrepen in de context van de ~ 50 jaar oude theorie van platentektoniek. Deze theorie stelt dat de buitenste schil van de aarde (de "lithosfeer" van de aarde) is onderverdeeld in platen die ten opzichte van elkaar bewegen, concentreren de meeste activiteit langs de grenzen tussen platen. Het is misschien verrassend, dan, dat de wetenschappelijke gemeenschap geen duidelijk idee heeft over hoe platentektoniek is begonnen. Deze maand, een nieuw antwoord is naar voren gebracht door Dr. Alexander Webb van de afdeling Earth and Planetary Science &Laboratory for Space Research aan de Universiteit van Hong Kong, in samenwerking met een internationaal team in een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Webb fungeert als corresponderend auteur van het nieuwe werk.

Dr. Webb en zijn team stelden voor dat de vroege aardschil opwarmde, die uitzetting veroorzaakte die scheuren veroorzaakte. Deze scheuren groeiden en vloeiden samen tot een wereldwijd netwerk, het onderverdelen van de vroege aardschil in platen. Ze illustreerden dit idee via een reeks numerieke simulaties, met behulp van een code voor breukmechanica ontwikkeld door de eerste auteur van het artikel, Professor Chunan Tang van de Dalian University of Technology. Elke simulatie volgt de spanning en vervorming die wordt ervaren door een thermisch uitzettende schaal. De schelpen zijn over het algemeen bestand tegen ongeveer 1 km thermische uitzetting (de straal van de aarde is ~ 6371 km), maar extra uitbreiding leidt tot het ontstaan ​​van breuken en de snelle vestiging van het wereldwijde breuknetwerk (Figuur 1).

Hoewel dit nieuwe model eenvoudig genoeg is:de vroege schil van de aarde is opgewarmd, uitgebreid, en gebarsten - oppervlakkig lijkt dit model op lang in diskrediet geraakte ideeën en contrasteert het met de fysieke basisprincipes van de aardwetenschappen. Vóór de platentektoniekrevolutie van de jaren '60, De activiteiten van de aarde en de verdeling van oceanen en continenten werden verklaard door een verscheidenheid aan hypothesen, inclusief de zogenaamde uitbreidende aarde-hypothese. Luminaries zoals Charles Darwin stelden dat grote aardbevingen, bergbouw, en men dacht dat de verdeling van landmassa's het gevolg was van de uitbreiding van de aarde. Echter, omdat de belangrijkste interne warmtebron van de aarde radioactiviteit is, en het voortdurende verval van radioactieve elementen betekent dat er minder warmte beschikbaar is naarmate de tijd vordert, thermische uitzetting kan veel minder waarschijnlijk worden geacht dan het tegenovergestelde:thermische samentrekking. Waarom, dan, denken Dr. Webb en zijn collega's dat de vroege lithosfeer van de aarde thermische uitzetting ondervond?

"Het antwoord ligt in het overwegen van grote warmteverliesmechanismen die zich tijdens de vroege perioden van de aarde hadden kunnen voordoen, " zei Dr. Webb. "Als vulkanische advectie, het dragen van heet materiaal van de diepte naar het oppervlak, was de belangrijkste vorm van vroeg warmteverlies, dat verandert alles." Dominantie van vulkanisme zou een onverwacht huiveringwekkend effect hebben op de buitenste schil van de aarde, zoals gedocumenteerd in Dr. Webb en co-auteur Dr. William Moore's eerdere werk (gepubliceerd in Natuur in 2013).

Dit komt omdat nieuw heet vulkanisch materiaal uit de diepten van de aarde zou zijn afgezet als koud materiaal aan het oppervlak - de warmte zou verloren gaan in de ruimte. De evacuatie op diepte en het zich ophopen aan de oppervlakte zou uiteindelijk hebben vereist dat het oppervlaktemateriaal zonk, koud materiaal naar beneden brengen. Deze voortdurende neerwaartse beweging van koud oppervlaktemateriaal zou een huiveringwekkend effect hebben gehad op de vroege lithosfeer. Omdat de aarde in het algemeen afkoelde, de warmteproductie en het bijbehorende vulkanisme zouden zijn vertraagd. dienovereenkomstig, de neerwaartse beweging van de lithosfeer zou met de tijd zijn vertraagd, en dus zelfs toen de hele planeet afkoelde, de gekoelde lithosfeer zou in toenemende mate zijn opgewarmd via geleiding van heet diep materiaal eronder. Deze opwarming zou de bron zijn geweest van de thermische uitzetting die in het nieuwe model wordt aangeroepen. De nieuwe modellering illustreert dat als de vaste lithosfeer van de aarde voldoende thermisch wordt uitgezet, het zou breken, en de snelle groei van een breuknetwerk zou de aardse lithosfeer in platen verdelen.

Dr. Webb en zijn collega's blijven de vroege ontwikkeling van onze planeet onderzoeken, en van de andere planeten en manen in het zonnestelsel, via geïntegreerde veldgebaseerde, analytisch, en theoretische studies. Hun veldgebaseerde verkenningen brengen ze naar verre locaties in Australië, Groenland, en Zuid-Afrika; hun analytisch onderzoek peilt naar de chemie van oude gesteenten en hun minerale componenten; en hun theoretische studies simuleren verschillende voorgestelde geodynamische processen. Samen, deze studies breken een van de grootste overgebleven mysteries van de planetaire wetenschap af:hoe en waarom ging de aarde van een gesmolten bal naar platentektoniek?