Hvad er og hvor findes Jordens ældste bjergarter ?

De ældste bjergarter, dannet på Jordens overflade, der er fundet indtil videre, findes på sydspidsen af Akilia-øen, 30 km syd for Nuuk og er mindst 3850 millioner år gamle. De indeholder det ældste bevis for vand på Jordens overflade. De indeholder også kulstof, hvis forhold fortolkes som bevis for, at der var liv på bunden af havet, da de blev aflejret. Dette er det ældste tegn på liv på Jorden.

Fredag d. 11. februar 2000
Vic McGregor
Emnekreds: Forskning, Geologi.

Indholdsfortegnelse:
Det ældste tegn på liv på Jorden
Hvordan dateres gamle bjergarter?
De ældste bjergarter på Jorden
Det ældste bevis for vand på Jordens overflade
Levende organismer på bunden af havet da den båndede jernmalm blev aflejret ?
Forskningsprojektet Isua Multidisciplinary Research Project - IMRP
Lidt om Månens historie og hvad den fortæller om Jordens tidlige historie
Liv på Jorden allerede for 4300 millioner år siden?


En artikel med overskriften "Ny fokus på Jordens ældste bjergarter", skrevet af Peter W. U. Appel, som er seniorforsker ved Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelse (GEUS), blev bragt på lnternettet af Berlingske Online (CNN.dk) den 2. december, 1999, og videreformidlet af Dansk Polar Center (www.dpc.dk) den 10. december.

Artiklen findes ikke længere på World Wide Web, hverken hos Berlingske Online eller hos Dansk Polar Center, men den samme artikel med samme illustrationer, er trykt i GEUS's Årsberetning for 1998.

l artiklen skriver Appel, at de ældste bjergarter på Jorden er Isua grønstensbæltet, som strækker sig 35 km i en bue i nærheden af indlandsisen ca. 150 km nordøst for Nuuk. Han citerer en alder på 3760 millioner år for jernmalm i det nordøstlige hjørne af bæltet, fra en artikel publiceret i 1973 og baseret på analyser på Oxford University, England, af bly-isotoper i prøver indsamlet af Stephen Moorbath og mig i 1971.

Appel skriver, at det ikke er sandsynligt at der findes bjergarter dannet på Jordens overflade, der er væsentligt ældre end Isua bjergarterne, fordi Jorden indtil for ca. 3800 millioner år siden blev udsat for et så heftigt bombardement af meteorer, at et hvert tilløb til dannelse af en jordskorpe før for 3800 millioner år siden meget hurtigt blev ødelagt. Ideen om hvornår det altødelæggende bombardement af Jorden sluttede af stammer fra kendskabet til Månens "geologi" og alderen af prøverne hentet under Apollo-landingerne mellem 1969 og 1972.

Begge Appels påstande er baseret på misforståelser. Den ældste bjergart, der indtil videre er blevet fundet på Jorden, er hele 4030 millioner år gammel. Det er en del af Acasta gnejsene, som kendes fra i et forholdsvis lille område ca. 400 km nord for Yellowknife i Northwest Territories, Canada.

Det ældste tegn på liv på Jorden
De ældste bjergarter, dannet på Jordens overflade, der er fundet indtil videre, findes på sydspidsen af Akilia-øen, 30 km syd for Nuuk og er mindst 3850 millioner år gamle. De indeholder det ældste bevis for vand på Jordens overflade. De indeholder også kulstof, hvis forhold fortolkes som bevis for, at der var liv på bunden af havet, da de blev aflejret. Dette er det ældste tegn på liv på Jorden.

De gamle bjergarter på Akilia er de ældste bjergarter vi kender i Grønland og de er i hver fald 50 millioner år ældre end Isua grønstensbæltet.

Hvordan dateres gamle bjergarter?
Gamle bjergarter dateres ved at måle på langsomt nedbrydelige radioaktive isotoper af visse grundstoffer, især uran, rubidium og samarium, og på stabile isotoper af andre grundstoffer som de forvandles til. Alle de ældste bjergarter på Jorden har været udsat for flere episoder af genopvarmning siden de blev dannet og nogle af dem er blevet delvis omsmeltet.

Deres isotopforhold blev ændret under disse genopvarmninger, så det er ikke så enkelt at finde frem til deres oprindelige alder. Indtil for 15 år siden blev meget gamle bjergarter, som dem i Nuuk- distriktet, dateret ved brug af især 2 metoder.

Isochron-metoden
Isochron-metoden kræver et antal prøver af forskellige bjergarter, som har samme alder og som stammer fra en kilde, hvor det kemiske forhold imellem de radioaktive grundstoffer og deres nedbrydningsprodukter var ens. Denne metode blev brugt til datering af de gamle bjergarter i Nuuk- distriktet af især Stephen Moorbath og hans medarbejdere på Oxford University i 1970-erne. Desværre har det siden vist sig at prøverne i flere af deres isochron-sæt havde forskellige aldre og stammede fra kilder med forskellige kemiske forhold.

Zirkon-metoden
Zirkon-metoden daterer mineralet zirkon fra en enkelt bjergartsprøve. Zirkon inderholder nok af grundstoffet uran til at man kan måle mængden af bly dannet ved nedbrydning af uran. I 1970-erne og 1980-erne blev denne metode brugt til et datere gamle bjergarter fra Nuuk-distriktet af Halfdan Baadsgaard på University of Alberta i Canada.

For at få zirkon nok til at analysere, var man nødt til at knuse en forholdsvis stor mængde af bjergarten og skille indholdet af et par procent zirkon-korn fra resten af mineralerne. Man analyserede derefter en prøve bestående af mange forskellige enkelte zirkon-korn. Det har vist sig, at i meget gamle bjergarter, der er blevet genopvarmet flere gange, er der fremvokset flere generationer af zirkon på forskellige tidspunkter. Det har også vist sig at de enkelte zirkon-korn tit er sammensatte og består af en gammel kerne, der måske stammer fra dengang bjergarten størknede fra en smelte, og yngre skaller der er vokset under senere opvarmninger. Da man analyserede en prøve bestående af et større antal af sådanne sammensatte zirkon-korn, fik man kun en slags gennemsnits alder for alle de forskellige generationer og ikke bjergertens oprindelige alder.

Ion-probe zirkon datering
Ion-probe zirkon datering. I midten af 1980-erne blev der i Canberra, Australien, udviklet en metode til at analysere ikke bare enkelte zirkon-korn, men endda de forskellige dele af de enkelte korn. Denne metode bruges nu i flere laboratorier rundt omkring i verden. Den kan således datere kernen i et enkelt zirkon-korn og få en alder fra da bjergarten først blev dannet. Den kan også datere de indtil flere ydre skaller, der giver alderen på de senere genopvarmninger. Ion-probe zirkon metoden giver de bedste, mest pålidelige og mest nøjagtige dateringer (tit inden for 10 millioner år eller bedre) af Jordens ældste bjergarter. Et ret stort antal af de meget gamle bjergarter fra Nuuk-distriktet er blevet dateret ved ion-probe zirkon metoden, især af Allen Nutman i Canberra og i Japan.

Stephen Moorbath, der nu er mere end 70 år gammel og er pensioneret professor fra Oxford University, syntes i flere år ikke om denne metode og mente at isochron-metoden, der kun giver dateringer med en usikkerhed på 50-100 millioner år eller værre, var mere pålidelig, Det er han efterhånden næsten alene om at mere.

De ældste bjergarter på Jorden
Der er kun få, mindre områder på Jorden med bjergarter ældre end 3600 millioner år. De største af dem findes i Nuuk-distriktet i Grønland og i det nordlige Labrador. Årsagen til at der er så lidt tilbage fra Jordens tidlige historie er, at Jordens indre og overflade har været, og stadigvæk er, i konstant bevægelse. Jordens overf1ade består at to hovedtyper af jordskorpe:
  1. Oceanbundskorpe består mest af basalt, som er forholdsvis tung. Ny oceanbundskorpe dannes hele tiden af basalt lava, der stige op under de midtoceaniske rygge. Når oceansbundsskorpe bliver gammel og afkøles, synker den tilbage i Jorden indre.
  2. Kontinentskorpe består mest af forskellige slags granitter med mindre mængder af sedimenter ovenpå. Granit er materiale, der er smeltet i forbindelse med nedsynkning af oceanbundskorpe og størknet igen inden det er nået op til overfladen. Det er forholdsvis let og derfor er kontinentskorpen for let til at kunne synke tilbage i Jordens indre.
Jordens tidligste skorpe har sandsynligvis været af oceanbundstype. I de første par hundrede millioner år af Jordens historie er al skorpe nok sunket tilbage i Jordens indre. Bevægelserne i Jordens indre må have været betydeligt kraftigere end senere hen fordi der var større mængder af radioaktive grundstoffer dengang og de producerede mere varme.

De ældste bjergarter, der er blevet konstateret på Jorden, er dele af Acasta gnejsene i Northwest Territories. (Gnejs er deformeret granit). De er blevet dateret i Canberra ved ion-probe zirkon metoden. De 3 ældste prøver af forskellige gnejs-typer har givet aldre på 4000- 4030 millioner år. De fortæller, at der allerede for mere end 4000 millioner år siden var blevet dannet visse typer af granitter (tonalit og granodiorit), men de fortæller ikke ret meget andet om, hvordan Jorden var så tidlig i dens historie. De fortæller ingenting om forholdene på overfladen.

De ældste bjergarter vi kender, som er dannet på Jordens overflade, findes på sydspidsen af øen Akilia, 30 km syd for Nuuk og 7 km sydvest for lejrskolen ved Lille Narsaq. Her er der forskellige lag af sorte og mørkegrønne bjergarter. De fleste af dem er sandsynligvis meget stærkt omdannede havbundslavaer.

Det ældste bevis for vand på Jordens overflade
Der er også et 5-meter bredt lag af en lys, men temmelig rusten bjergart, der mest består af kvarts med mange tynde lag af grønne og sorte jernrige mineraler, blandt andre magnetjernsten. Dette lag af "båndet jernmalm" fortolkes som et kemisk sediment der blev nedfældet på bunden af havet i en stille periode imellem vulkanske udbrud.

Sorte bjergarter tilhørende samme havbundsformation 200 meter mod nord er gennemskåret af et lag af gnejs, der er deformeret granit (faktisk tonalit). Zirkoner fra gnejsen er af Nutman i Canberra ved ion-probe zirkon metoden blevet dateret til at være ca. 3850 millioner år gamle. Det vil sige, at en tonalitisk smelte trængte ind i havbundsformationen, som den båndede jernmalm er en del af, og størknede for 3850 millioner år siden. Altså er havbundsformationen mindst 3850 milliarder år gammel.

Den båndede jernmalm kan kun være blevet aflejret under vand og er derfor det ældste bevis der kendes for vand på Jordens overflade.

Levende organismer på bunden af havet da den båndede jernmalm blev aflejret ?
Den båndede jernmalm indeholder små korn af et fosfor-rigt mineral, apatit, der indeholder og er omgivet af kulstof i form af grafit. Kulstoffet er blevet analyseret af Steven Mojzsis i Californien. Forholdet imellem kulstof-isotoperne og den nære forbindelse til fosfor, som også er vigtig i levende organismer, tyder på at der har været levende organismer på bunden af havet da den båndede jernmalm blev aflejret. I så fald er de det ældste tegn på liv på Jorden.

Det var især Mojzsis' resultater fra Akilia, der blev genstand for stor medieinteresse i efteråret 1996, og ikke, som Appel påstår i sin artikel, lignende resultater fra prøver af mindst 50 millioner år yngre båndet jernmalm fra Isua grønstensbæltet, der blev offentliggjort i samme artikel i tidsskriftet Nature. Alle de meget gamle bjergarter på Akilia blev udsat for meget kraftig opvarmning for 3650 millioner år siden, måske til over 800 grader Celcius, der var så varmt at flere af bjergarterne begyndte at smelte. De er senere blevet kraftig deformerede. Derfor er der ikke meget tilbage af deres oprindelige karakter og de fortæller ikke så meget om forholdene på Jordens overflade for mere end 3850 millioner år siden.

Forskningsprojektet Isua Multidisciplinary Research Project - IMRP
Grønstensbæltet ved Isua, 150 km nordøst for Nuuk, er noget yngre end havbundsformationen på sydspidsen af Akilia. Ion-probe dateringer af zirkoner fra vulkanske bjergarter i bæltet viser at det er sammensat af formationer med forskellige aldre. Omdannede vulkanske asker i den nordøstlige del af bæltet har en alder på ca. 3700 millioner år, mens den sydlige del af bæltet ser ud til at have en alder på ca. 3800-3810 millioner kr.

Selv om det er noget yngre, har Isua grønstensbæltet på mange måder større interesse end den lille forekomst på sydspidsen af Akilia. Dels fordi det er meget, meget større og omfatter mange flere bjergartstyper, dets fordi det ikke har været udsat for så kraftig opvarmning.

Selv om store dele af bæltet har været kraftigt deformeret, er der hist og her mindre områder, hvor bjergarterne har bevaret ret meget af deres oprindelige karakter. Studier af de bedst bevarede bjergarter i Isua grønstenbæltet har allerede kunne fortælle en hel del om forholdene på Jordens overflade for 3700-3800 millioner år siden.

Derfor kan man kun være glad for det store forskningsprojekt (Isua Multidisciplinary Research Project - IMRP), som Stephen Moorbath og Peter Appel har taget initiativet til og som Appel beretter om i sin artikel. Men det vil have været mere ærligt, hvis gruppen ikke havde forsøgt at bilde sig selv, offentligheden og de bevilgende myndigheder ind, at det var Jordens allerældste bjergarter som var projektets mål.

IMRP kunne også have sparet meget tid og og mange penge ved at inddrage Allen Nutman og hans medarbejdere, som har opbygget et indgående kendskab til geologien i Isua-området, i projektet i stedet for at holde dem på afstand og spilde mange kræfter på at forsøge at modbevise deres resultater og konklusioner.

Lidt om Månens historie og hvad den fortæller om Jordens tidlige historie
Hvad så med Appels påstand om et altødelæggende bombardement af Jordens tidlige skorpe indtil for 3800 millioner år siden? Denne opfattelse deler han med blandt andre Moorbath, der har nægtet at tro på dateringer af bjergarter fra Jorden med aldre på mere end 3800 millioner år.

Der er bred enighed om at Jorden, Månen og de andre legemer i vores solsystem blev dannet fra en støvsky for ca. 4550 millioner år siden. Støvkornene klumpede sig sammen i efterhånden større og større enheder, fra millimeter - til meter - til kilometerstørrelser, til asteroider og til sidst til planeterne og deres måner. Under denne proces var der et utal af mindre og større sammenstød imellem de voksende legemer, noget der fortsætter den dag idag, dog med meget mindre hyppighed, blandt andet i form af nedfeld af meteoritter til Jorden.

I solsystemets tidlige historie var der mange sammenstød imellem større legemer, der var så kraftige at de kolliderende legemer blev slået i stykker, hvorefter stumperne igen indgik i samlingsprocessen.

I løbet af få millioner år nåede Jorden og Månen deres nuværende størrelse og i løbet af 100 millioner år var en stor del af deres grove struktur dannet, for eksempel Jordens jernrige kerne, hvis dannelse udløste varme nok til at smelte hele kloden. Derefter blev både Jorden og Månen holdt varme af energi udløst fra nedbrydning af radioaktive grundstoffer. Denne energitilførsel var meget større i den første del af solsystemets historie, men er siden blevet mindre efterhånden som det radioaktive "brændstof" delvis er blevet brugt op.

Tilførslen af radioaktiv varme i Jordens indre er endnu stor nok til at vores klode stadigvæk er i bevægelse. Ny jordskorpe dannes fortsat langs de midtoceaniske rygge, ledsaget af vulkanske udbrud som dem på Island, og gammel oceanbunds jordskorpe synker tilbage i dybden også ledsaget af vulkaner. Derfor er størstedelen af Jordens overflade ret ung.

De ældste bjergartsprøver fra Månen
Månen "frøs til" forholdsvis tidligt. Derfor er de allerfleste bjergarter på dens overflade meget ældre end dem på Jordens overflade. De ældste bjergartsprøver fra Månen stammer fra en tidlig del af solsystemets historie, hvorfra der ikke er nogen bjergarter tilbage på Jorden. 17% af Månens overflade består af mørke sletter (mare = hav på italiensk) dannet af basalt lava, i familie med basaltlavaerne på Jorden (for eksempel på Disko, Nuussuaq, Svartenhuk og syd for Scoresbysund). De yngste basalter på Månen er ca. 3100 millioner år gammel, men en stor del er omkring 3800 millioner år gammel.

Basaltsletterne er arret af større og mindre kratere dannet ved nedfald af en stadig regn af meteorer - et nedfald, der foregår endnu. Men der er meget større nedfaldskratere, der er ældre end basaltsletterne. De kaldes for bassiner, de har diametre på flere hundrede kilometer og de vidner om nedfald af legemer af asteroide-størrelse i tiden for mere end 3800 millioner år siden. ( se kort over Månen her - OBS: åbner i et nyt browser vindue).

De yngste af disse store bassiner er Orientale, som har en diameter på 930 km, og Imbrium, som har en diameter på 1160 km. Datering af prøver af sten smeltet af varmen udløst ved nedfaldene viser at Imbrium-bassinet blev dannet for mellem 3830 og 3870 millioner år siden. Orientale-bassinet er ikke blevet dateret. Det er yngre end Imbrium, dog ikke nødvendigvis væsentligt yngre, men er ældre end mare-sletterne dannet for 3800 millioner år siden.
To andre meget stor bassiner, Serenitatis og Crisium, er dateret til ca. 3890 millioner år. Sammenfattende viser dateringerne, at det var mindst 15 større nedfald der dannede bassinerne på Månen i perioden mellem for 3900 og 3840 millioner år siden.

Det er blevet beregnet at et nedfald på Jorden af en asteroide af samme størrelse som den, der dannede Imbrium bassinet på Månen, ville have udløst så megen varme, at de øverste 40 meter af havet vil have kogt væk og fordampet og at Jordens atmosfære ville være blevet så hed at eventuelt liv på overfladen ville være blevet udslettet. Det behøver dog ikke betyde, at et sådant nedfald ville have udslettet alt liv på Jorden. Der lever bakterier dybt nede under havoverfladen i temperaturer af betydeltg mere end 100 grader Celcius. Sådanne bakterier kunne nok overleve et nedfald at Imbriums størrelse.

Månen menes at have kredset omkring Jorden siden den blev dannet. Man kan derfor være sikker på, at også Jorden har været udsat for store asteroidenedfald i samme periode. Da Jorden er større end Månen og har en større tiltrækningkraft, burde den have været udsat for et endnu kraftigere bombardement end Månen.

Liv på Jorden allerede for 4300 millioner år siden?
Hvordan kan det så være at der overhovedet findes ovefladebjergarter så gamle som dem på sydspidsen af Akilia, for slet ikke at tale om de ældste Acasta gnejser? En mulig forklaring kunne være at de yngste bassiner på Månen (Imbrium og Orientale) faktisk blev dannet for omkring 3860 millioner år siden og at havbundsformationen på Akilia kun er lidt ældre end den tonalitiske gnejs, der sætter en yngste grænse for dens alder. Det vil sige at det meget kraftige bombardement af Månen og Jorden med legemer af asteroide-størrelse sluttede brat for omkring 3860 millioner år siden og at havbundsformationen på AkiIia blev af1ejret kort tid derefter.

Men hvordan kan der overhovedet være bjergarter på Jorden så gamle som de 4000-4030 millioner år gamle Acasta gnejser? Der er 2 hovedteorier om bombardementet af Månen (og derfor af Jorden):
  1. Den ene teori går ud på der var et kraftigt, men gradvist aftagende bombardement i hele tiden efter at Månen blev dannet og indtil for 3850-3800 millioner år siden.
    Ifølge denne teori vil det være forbavsende, hvis der var noget tilbage af Jordens skorpe, der var så gammel som 4000 millioner år.
  2. Ifølge den anden teori aftog det meget kraftige bombardement meget hurtigt og der var en periode mellem for 4300 og ca. 3900 millioner år siden, hvor der ikke var større nedslag, Derefter var der mindst 15 meget store nedslag på Månen i perioden mellem for ca. 3900 og ca. 3850 millioner år siden. Denne sidste periode kaldes for "the late heavy bombardment".
    Hvis den anden teori er rigtig, så viser alderen af Acasta gnejsene, at det sene kraftige bombardement ikke ødelagde al skorpe fra tiden forinden, Ifølge denne teori kunne liv på Jorden teoretisk set være opstået i varme kilder på eller under bunden af havet allerede for 4300 millioner år siden.