הסלעים בכדור הארץ מתמחזרים כל הזמן, וקשה ללמוד מהם על אירועים שהתרחשו כשכדור הארץ היה צעיר. גילוי של סלעים עתיקים במיוחד משנה את התמונה
כבר עשרות שנים ידוע שמבנה היבשות בכדור הארץ מתעצב לאטו בהשפעתם של לוחות טקטוניים גדולים. במחקר שהתפרסם בכתב העת Science מציגים גיאוכימאים עדות לכך שסלעים עתיקים, בני 2.7 מיליארד שנה, משמרים בתוכם רמזים על ראשית דרכה של טקטוניקת הלוחות בכדור הארץ.
מפת העולם כפי שאנחנו מכירים אותה כיום שונה מאוד מזו שהיתה לפני מיליוני שנים, מכיוון שהלוחות הטקטוניים הנושאים את האוקיינוסים והיבשות נעים כל הזמן. אך השאלה היא כמה זמן הם כבר נעים? ידוע כי גיל כדור הארץ הוא כ-4.5 מיליארדי שנים, אך גיאולוגים חלוקים ביניהם בשאלה מתי התחילה פעילות הלוחות.
החומר שממנו עשויים הלוחות הטקטוניים עובר תהליך מתמיד של מיחזור, שבמהלכו נוצר ללא הרף חומר חדש בקרקעית האוקיינוס, ומצד שני לוחות קיימים נשחקים בהדרגה. הלוחות מורכבים מקרום אוקייני (הנושא אוקיינוסים), קרום יבשתי (הנושא יבשות), או משניהם יחד. הקרומים נבדלים אלה מאלה בהרכב הכימי ובתכונות הפיזיקליות שלהם.
הקרום היבשתי עשיר יותר בסיליקטים וביסודות קלים כמו חמצן, אלומיניום, נתרן ואשלגן. הקרום האוקייני מתאפיין בשיעור גבוה של מגנזיום וברזל וצפיפותו גבוהה יותר מהקרום היבשתי. לכן, אם קרום יבשתי וקרום אוקייני מתנגשים, הקרום האוקייני הכבד יותר יירד מתחת לקרום היבשתי ותכולתו "תמוחזר" דרך מעטפת כדור הארץ. זמן החיים של הקרום האוקייני, כלומר פרק הזמן שעובר מיצירת חומר אוקייני חדש ועד לחזרתו אל המעטפת, הוא כמאתיים מיליון שנה. תהליכי המיחזור של הקרום היבשתי מורכבים יותר, אך עד כה לא נמצאו בכדור הארץ סלעים עתיקים יותר מארבעה מיליארדי שנים.
הרמז שבעזרתו יכלו החוקרים ללמוד על תולדות הסלעים לקוח משילוב בין כימיה ופיזיקה: הרדיואקטיביות. רוב היסודות יכולים להגיע במספר צורות שונות, או איזוטופים. גרעין האטום של אותו היסוד תמיד יורכב מאותו מספר פרוטונים (חלקיקים בעלי מטען חשמלי חיובי), אך יכול להכיל מספר שונה של ניטרונים (חלקיקים ללא מטען חשמלי).
גרעין אטום הפחמן (C) מכיל למשל שישה פרוטונים בדיוק, אך מספר הניטרונים יכול להיות ששה, שבעה או שמונה. לכן מספר החלקיקים בגרעין הפחמן יכול להיות בין 12 (פחמן 12, או 12C) ל-14 (פחמן 14, או 14C). פחמן 14 הוא איזוטופ רדיואקטיבי, כלומר בלתי יציב. הגרעינים של איזוטופים רדיואקטיביים נוטים להתפרק, ובהתפרקות של פחמן 14 אחד הניטרונים בגרעין פולט אלקטרון והופך לפרוטון. אנו מקבלים שבעה פרוטונים בגרעין במקום שישה, והפחמן הופך ליסוד אחר – חנקן.
רמזים גיאולוגיים
במחקר החדש, החוקרים מקנה ומארצות הברית מדווחים כי גילו תכונה ייחודית בסלעים בקנדה שגילם 2.7 מיליארדי שנים: הסלעים הללו הכילו כמות יחסית גבוהה של איזוטופ של היסוד נאודימיום 142 (142Nd). האיזוטופ המסוים הזה נוצר מפירוק של היסוד הרדיואקטיבי סמריום 146 (146Sm).
חשיבות הממצא היא שהאיזוטופ הרדיואקטיבי הזה של סמריום אינו נמצא באופן טבעי על פני כדור הארץ כיום. למעשה, סמריום 146 אינו קיים בכדור הארץ כבר מיליארדי שנים. אך קיומו של האיזוטופ נאודימיום 142 מעיד שבעבר היה שם סמריום רדיואקטיבי שהתפרק. בשל כך, הכמויות החריגות של הנאודימיום בסלעים הללו הוביל את החוקרים להסיק שהסלעים הללו נוצרו מחומר עתיק ביותר, שריד לתקופה הקדומה שבה עוד היה בכדור הארץ סמריום 146.
כעת, כשהחוקרים ידעו שמדובר בסלעים עתיקים ביותר, הם יכלו ללמוד מהם על פעילות הלוחות הטקטוניים בימי קדם, באמצעות רמז גיאולוגי: הסלעים הללו היו עשירים בברזל ובמגנזיום, כלומר דומים בהרכבם לקרום האוקייני. כיום הקרום האוקייני ממוחזר כולו בתוך כ-200 מיליון שנה עקב תנועת הלוחות. כך שנדיר מאוד למצוא קרום אוקייני זקן יותר. כאן נמצא סלע דומה ששרד יותר ממיליארד שנה.
מסקנת החוקרים הייתה שייתכן שהקרום היבשתי הראשוני נוצר מקרום אוקייני, וגם שמנגנון טקטוניקת הלוחות כפי שאנחנו מכירים אותו החל לפעול בשלב יחסית מאוחר בתולדות כדור הארץ – אחרת העדות הזו הייתה מתמחזרת אל תוך מעטפת כדור הארץ וגיאולוגים עדיין היו חלוקים בדעתם בשאלה מתי התחילה פעילות טקטוניקת הלוחות.
