Differentieringen

Redaktör: Cecilia Aarnio. Efter Ari Brozinskis artikel Differentaatio.

Grundämnena börjar separera

Differentieringen började i samband med att värme frigjordes ur jordklotets inre och har haft en stor inverkan på jordens nuvarande utseende. Förutsättningen att jordklotet kunde genomgå differentiering var att alla delar, såväl magmahavet på jordytan som den täta inre kärnan, var smält och trögflytande. Vid differentieringen separerades tunga och lätta grundämnen ifrån varandra. Tunga element såsom järn sjönk genom lättare material till jordklotets kärna. De till ytan strävande lätta elementen förde med sig värme från jordens inre och småningom avkyldes det ursprungligen brinnande heta jordklotet. På detta vis lades grunden till jordklotets skiktade struktur där nickel och järn bygger upp kärnan, medan manteln och jordskorpan består av lättare stenmaterial. Naturligtvis finns det tyngre element i jordskorpan men inte i lika stora koncentrationer som i den metalliska kärnan.

Konvektionsströmmarna tar vid

Konvektionsströmmar uppkom i manteln då denna upphettades till 1000–2000°C av den energi som frigjordes då jordklotets dragningskraft ökade. Jordklotets massa koncentrerades alltmer till planetens mitt då den inre kärnan av nickel och järn växte till följd av den pågående differentieringen.

Processerna bakom konvektionsströmmarna kan jämföras med processerna som sker då man kokar vatten i en kastrull. Det undre vattenskiktet, i bottnen av kastrullen, värms upp och stiger p.g.a. sin då något lägre densitet till det övre vattenskiktet där det svalnar och sjunker ner igen.

Likt differentieringen transporterade också konvektionsströmmarna stora mängder värmeenergi från kärnan mot ytan vilket bidrog till att jordklotet avkyldes ytterligare. Den ovanliggande figuren uppvisar en förenklad beskrivning av konvektionsströmmarna i manteln.

Jordklotet utvecklar sin fasta skorpa

Jordklotets första jordskorpa var väldigt tunn och bildades till följd av att jordklotet avkyldes och temperaturen sjönk såpass mycket att den smälta ytan kristalliserade. Till följd av konvektionsströmmarna som ideligen omarbetade jordytan smälte den ursprungliga jordskorpan flera gånger och det nybildade materialet ändrade något i sammansättning i varje omgång. Så småningom uppkom bergarter som inte merdrogs ner i mantlen utan samlades på jordens yta. De äldsta mineralen (zirkoner), funna i Jack Hills i västra Australien, är uppskattningsvis 4,4 miljarder år gamla och fungerar som bevis på att jordklotet under denna period haft någon form av fast jordskorpa. De äldsta jordskorpefragmenten, observerade i orogena graniter i nordvästra Kanada, är drygt en halv miljard år yngre (3,96 Ma) än de äldsta zirkonerna. Detta beror delvist på att det unga jordklotet saknade en skyddande atmosfär och träffades av häftiga meteoritnedslag som förstörde jordytan. I första hand var det konvektionsströmmarna i manteln som orsakade att den tidiga jordskorpan gång på gång smälte och därför inte bevarats.

De första regnen

För över 4 miljarder år sedan var inte det unga jordklotet omgivet av en fullständigt utvecklad atmosfär. Runt jordklotet fanns istället en s.k. primäratmosfär av väte och helium. Gashöljet existerade dock inte länge eftersom det småningom avdunstade ut i rymden p.g.a. jordens korta avstånd till solen. I samband med den första jordskorpan utvecklades den sekundära atmosfären då vatten ur jordklotets inre frigjordes i atmosfären tack vare vulkanisk aktivitet. Vulkaniska gaser kan innehålla upptill 70-90% vatten. I och med att jordklotet avkyldes svalnade också den ursprungligen heta, atmosfären vilket ledde till att vattnet i atmosfären kondenserades och regnade för första gången ner på jordklotet. 

Från tidig jordskorpa till protokontinenter

De tidiga kontinentalplattorna, eller protokontinenterna, började ta form samtidigt som jordklotets atmosfär byggdes upp. Vulkaniska öbågar och hotspot-vulkaner bildades först sporadiskt ovanpå den trögflytande magman som ännu dominerade jordytan. Småningom började öbågarna och vulkanerna kollidera med varandra och växa till större plattor och senare till protokontinenter och kratoner. Denna tidsperiod kallas för den arkeiska eonen och började för ca 3,8 miljarder år sedan. Ur ett geologiskt perspektiv utvecklades jordklotets fasta jordskorpa tämligen snabbt. Blott under den arkeiska eonen bildades ca 80 % av jordklotets kontinentalskorpa. För 2,7 miljarder år sedan, 2000 miljoner år efter att den första fasta jordskorpan bildades, utvecklades redan kratoner i kontinentalplattornas inre delar. Kratoner är tjocka, tektoniskt lugna sköldområden bestående av äldre berggrund.

Källor

Brownlow, A. H. 1996: Geochemistry, 2nd ed. Prentice-Hall. USA.

Ernst, W. G. 2006: Speculations on evolution of the terrestrial lithosphere—asthenosphere system—Plumes and plates. Gondwana Research 11 (2007): 38-49.

Lehtinen, M., Nurmi, P. ja Rämö, T. 1998: Suomen kallioperä: 3000 vuosimiljoonaa. Suomen geologinen seura. Helsinki.

McDonough, W. F. 2000: The Composition of The Earth. Department of Earth and Planetary Sciences.

Middlemost, E. 1997: Magmas Rocks and Planetary Development: A survey of magma/igneous rock systems. Addison Wesley Longman Limited. Singapore.

Pidgeon, R. T ja Nemchin, A. A. 2006: High abudance of early Archaean grains and the age distribution of detrital zircons in a sillimanite-bearing quartzite from Mt Narryer, Western Australia. Precambrian Research 150: 201-220.

Press, F., Siever, R., Grotzinger, J. ja Jordan, T.H. 2003: Understanding Earth, 4th ed. W.H. Freeman and Company. USA.

Watson, E. B. ja Harrison, T. M. 2005: Zircon Thermometer Reveals Minimum Melting Conditions on Earliest Earth. Science 308: 841-844.

Windley, B. F. 1995: The Evolving Continents, 3rd ed. John Wiley & Sons Ltd. Iso-Britannia.