Jordens tektoniske plade er i konstant bevægelse, om end i et tempo der er svært at få øje på.

Typisk bevæger jordskorpens plader sig i en fart, der minder om væksthastigheden for en fingernegl – altså ganske få centimeter om året. 

Umiddelbart lyder det ikke af meget, men konsekvenserne af disse pladetektoniske bevægelser er enorme for vores planet. 

Når pladerne flytter sig bort fra hinanden, opstår der vulkanisme, og ny skorpe dannes langs midtoceanryggene på havbunden. 

Når disse plader kolliderer, synker den en side ned under den anden i det, der kaldes en subduktionszone, og der opstår kontinentalskorpe og bjergkædedannelse. 

Ingen andre planeter, vi kender til, har pladetektonik. 

Var Jorden for varm til pladetektonik? 

I stedet taler man om vertikal tektonik, som fungerer lidt i stil med en lavalampe, hvor varme dele af kappen stiger op, og kolde dele af skorpen synker ned.

Jorden var markant varmere i sin tidlige historie, hvilket formentlig betød, at de tektoniske plader ikke var stabile. 

Derfor mener forskere, at vores planet startede med at have vertikale tektoniske bevægelser som alle andre planeter. 

Med tiden opstod tydeligvis pladetektonik med sine karakteristiske horisontale tektoniske bevægelser, som vi har i dag.

Figurerne illustrer forskellen på vertikal tektonik i Jordens tidlige og varme fase i forhold til horisontal pladetektonik. Da Jordens kappe og skorpe blev lidt køligere, blev det muligt at have stabile litosfæriske plader og dermed subduktionszoner, hvor kolliderende plader kan forskydes under hinanden. (Figur: Aktuel Naturvidenskab efter Stern)

Pladetektonikkens kontinuerlige fornyelse af Jordens overflade frigiver essentielle næringsstoffer og regulerer atmosfærens sammensætning og dermed klimaet. 

Forskere mener derfor, at den pladetektoniske mekanisme er essentiel for, at liv kan trives og udvikle sig i tidsrum af milliarder af år. 

Derfor er et af de mest fundamentale spørgsmål indenfor geologien: ’Hvorfor og hvornår opstod pladetektonik her på Jorden?

Jordens varmeudvikling over tid som følge af radioaktivt henfald fra uran, thorium og kalium. (Figur: CC BY-SA 3.0 Evolution of Earths radiogenic heat & Aktuel Naturvidenskab).

Grønland gemmer på svaret

Jeg leder en forskergruppe på Københavns Universitet, som netop undersøger dette og relaterede spørgsmål. 

Vi udfører feltarbejde i Grønland hver sommer og indsamler prøver, som vi undersøger for deres indhold af mineraler og deres geokemiske sammensætning. 

Denne information bruger vi til at tolke deres alder og de geologiske processer, som oprindeligt dannede bjergarterne.  

Hidtil har man tolket 3,7 milliarder år gamle grønlandske lavabjergarter ved Isua tæt ved Nuuk som værende skabt af pladetektonik. Men de seneste år har en række studier sat spørgsmålstegn ved den tolkning (se for eksempel her og her). 

Min postdoc, Pedro Waterton, har netop publiceret et studie, som bakker den nye tolkning op. Vi finder dermed ikke grundlag for, at Isuas særlige bjergarter er opstået ved pladetektonik. Tværtimod (det vender jeg tilbage til). 

Forskerne er vildt uenige om pladetektonikkens oprindelse

Umiddelbart skulle man tro, at et så grundlæggende spørgsmål som: ’Hvornår opstod pladetektonik?’ var afklaret for længst. 

Men faktum er, at der foregår en heftig debat om netop dette, på trods af årtiers forskning. 

Estimaterne for, hvornår pladetektonik opstod her på Jorden, strækker sig fra for fire milliarder år siden til for under én milliard år siden. Med andre ord er der slet ingen konsensus om dette vigtige geologiske spørgsmål. 

Årsagen til denne enorme usikkerhed er i høj grad, at der ikke er enighed om kriterierne for, hvad der kan tolkes som geologisk evidens for pladetektonik og vulkanisme ved subduktionszoner (se faktaboksen). 

Nogle geologer hæfter sig ved variationer i koncentrationen af sporgrundstoffer i gamle vulkanske bjergarter, eksempelvis ratioen mellem thorium og niobium, der typisk er høj i lavaer, som er dannet ved pladetektoniske grænser. 

Andre geologer kræver, at diagnostiske højtryksmineraler skal være bevaret, såsom mineralerne glaukofan og omfacit, som udelukkende dannes dybt i subduktionszoner. 

Endelig er der geofysikerne. 

Via computermodeller kan de modellere de vertikale tektoniske processer, der måtte have eksisteret, før pladetektonikken opstod, men de kan ikke bevise, hvornår skiftet til pladetektonisk fandt sted alene ud fra computermodellerne. 

Der skal mere håndgribelige beviser til i form af bevarede bjergarter med diagnostiske mineraler og en bestemt geokemisk sammensætning. 

Implikationer for exoplaneter

Debatten om hvornår pladetektonik opstod på Jorden er blevet endnu mere relevant de seneste år, i takt med at der konstant bliver opdaget nye exoplaneter i vores galakse. 

For hvis vi ikke engang har styr på vores egen planets geologiske udvikling, hvordan skal vi så kunne tolke data fra exoplaneter?

Pladetektonik resulterer som nævnt i kollisionszoner, hvor der opstår vulkanisme og bjergkædedannelse. 

Dermed sker der kemisk udveksling mellem Jordens indre og hydrosfæren (oceaner og atmosfære), for eksempel reaktion mellem lava og havvand. 

Det er denne udveksling, som bestemmer atmosfærens sammensætning og udvikling over millioner af år, og det vil netop være sådanne signaturer, som vil blive observeret med det nye James Webb-rumteleskop.

Grønlandsk forkærlighed for pladetektonik

Videnskab burde som bekendt være helt objektiv og upåvirket af, hvem der fremsætter en given model eller teori. 

Ikke desto mindre ser man tydelige lokale videnskabelige traditioner indenfor den geologiske tolkning af ellers identiske bjergarter i henholdsvis Grønland og Australien. 

Det op til 3,6 milliarder år gamle Pilbara-område i det nordvestlige Australien betragtes som det bedste eksempel på den form for vertikal tektonik, der eksisterede, før pladetektonik opstod på Jorden. 

Her mener man, at der i stedet for horisontale pladetektoniske bevægelser eksisterede den form for vertikale bevægelser, hvor lava og vulkaner opstod via dybe opstigende dele af Jordens kappe, som tilsvarende blev erstattet af nedsynkende dele af Jordens skorpe. 

Hvorfor? Fordi Jorden, som nævnt ovenfor, var markant varmere dengang, end den er i dag. 

Derfor var de tektoniske plader ikke stabile nok til at kunne andet end at synke direkte tilbage i Jordens kappe.

Lignende vulkanske bjergarter med en alder på 3,7 milliarder år finder man ved Isua i det sydvestlige Grønland. 

Alligevel har man en meget lang tradition for at tolke disse bjergarter med udgangspunkt i nutidens geologiske processer, det vil sige i et pladetektonisk paradigme. 

Dette gælder både forskere fra Danmark, Tyskland, Canada og Australien, som beskæftiger sig med bjergarter med en tilsvarende alder andre steder i verden.

Detalje fra Isua, som viser mørke krystaller af olivin, som vokser senere end selve bjergarten blev dannet fra magma. (Foto: Kristoffer Szilas)

Et paradigmeskifte er på vej

En række studier har de seneste par år sat spørgsmålstegn ved den hidtil fremherskende model for Grønlands berømte bjergarter ved Isua, som regnes for at være de ældste vulkanske og sedimentære aflejringer på Jorden. 

Et studie, der blev publiceret i 2020, undersøgte strukturerne af bjergarterne ved Isua og fandt, at disse tyder på en form for vertikal tektonik, som man ikke kan forklare med pladetektonik, der resulterer i horisontal deformation af bjergarter. 

Et andet studie fandt sidste år, at jern-isotoper i lava fra Isua udviste tegn på en meget dyb kilde i Jordens kappe, som ligeledes tyder på vertikale tektoniske bevægelser. 

Den samme konklusion fandt en af verdens ledende geokemikere i en sammenfattende artikel. 

Han konkluderede, at de vulkanske bjergarter ved Isua ikke er dannet ved pladetektonik, men i stedet via vertikale tektoniske bevægelser.

Meget tyder altså på, at det pladetektoniske paradigme for Isua er ved at blive erstattet med et nyt paradigme, der kan forklare disse meget gamle bjergarter ved vertikale tektoniske processer. 

Ingen geokemiske tegn på pladetektonik ved Isua

I et helt nyt studie udgivet i tidsskriftet Earth and Planetary Science Letters undersøgte vi bjergarterne ved Isua. 

Vi fokuserede på den information, man kan udlede af platin-gruppe-metallerne samt isotopsammensætningen af osmiums henfald fra rhenium. 

Platin-gruppen omfatter udover platin også grundstofferne ruthenium, rhodium, palladium, iridium og osmium. 

Disse metaller er vigtige, fordi de er blev tilført til Jorden, efter dens kerne blev dannet. De fortæller os derfor noget om, hvilken temperatur en given vulkansk bjergart blev dannet ved.

Desuden kan man bruge osmium-isotoper til at datere, hvornår den vulkanske aktivitet fandt sted.

De geokemiske signaturer, vi observerede, viser med al tydelighed, at der ikke findes fragmenter af Jordens kappe ved Isua, hvilket ellers har været et af de stærkeste argumenter for en pladetektonisk tolkning af bjergarterne.

I stedet viser disse bjergarter tegn på dannelse fra dybt opsmeltende kappe og varm magma. Dette stemmer overens med argumenterne fra de nyere studier, der tolker Isua i det vertikal-tektoniske paradigme.

Minder om Venus

En lignende model, hvor vulkanisme med dyb forankring i kappen er domineret af vertikale bevægelser, er faktisk det, man antager for planeten Venus. 

Det giver rigtig god mening, at Jordens tidligste tektoniske processer fungerede på samme måde, fordi Jorden var betydeligt varmere dengang, og tektoniske plader derfor ikke var stabile.

Så hvornår opstod pladetektonik på Jorden? Formentlig et sted mellem 3-2,5 milliarder år siden, og vand spillede en ikke ubetydelig rolle i den sammenhæng. 

Den historie har jeg skrevet mere om i Aktuel Naturvidenskab. Så hvis du ikke kan få nok af pladetektonik, kan du læse videre her. 

Hvis du vil læse om, hvorfor mange forskere mener, pladetektonik er fundamentalt for liv, kan du se mere i boksen lige herunder. 

Det nye danske studie blev udført at Postdoc Pedro Waterton som en del af mit forskningsprojekt med titlen ’The Oldest Rocks on Earth’, som er støttet af Carlsbergfondet.