Grønlands geologi viser hele Jordens udvikling

Grønlands undergrund er ældgammel og fortæller historien om Jordens geologiske udvikling helt fra den spæde begyndelse. Det handler om kontinenternes dannelse og livets opståen, om tektonik og milliarder af år gammel granit, der opstod i en grød af magma. Alt det ser Geoviden nærmere på sammen med geolog og forsker Kristoffer Szilas.

I Grønland kan man nærstudere bjergarter fra Jordens tidligste barndom – og det er ret særligt. Ja, faktisk får man hele planetens geologiske udvikling serveret på et sølvfad, og det er perfekt, hvis man som Kristoffer Szilas har en faglig interesse i netop det.

Han er geolog og kurator med ansvar for den petrologiske samling på Statens Naturhistoriske Museum i København. Med 15 feltsæsoner i Grønland i rygsækken har han oparbejdet en solid viden om de processer, som har fået Jorden til at se ud, som den gør i dag:

”Hele Jordens udvikling er bevaret i Grønland. Det er jo et enormt område med en stor variation i geologien, og det unikke ved Grønland er, at vi har nogle meget, meget gamle bjergarter, som er let tilgængelige lige ved overfladen.”

De gamle bjergarter, som Kristoffer Szilas taler om, udgør selve grundfjeldet i Grønland. Grundfjeldet er Jordens kontinentalskorpe, og det består hovedsagelig af bjergarten gnejs, som blev dannet helt tilbage for cirka 3,8 milliarder år siden.

Denne tidligste kontinentalskorpe af gnejs kan blandt andet ses i Sydvestgrønland i området nær hovedstaden Nuuk. Her findes bjergarterne som en stor sammenhængende, stabil grundfjeldsblok, som – siden dens dannelse i den geologiske tidsalder Arkæikum (se tidslinjen længere nede) – har ligget næsten upåvirket af, hvad der senere er sket af geologiske begivenheder.

Tager man en tur til Nuuk, kan man derfor slå to fluer med et smæk: Man sætter fod på verdens største ø, samtidig med at man går en tur på et af Jordens allerførste kontinenter, hvor man kan følge hele planetens efterfølgende udvikling. Undergrunden netop der er simpelthen en slags ‘Jorden version 1.0’.

Et systematisk blik på geologien

Det er især Isua-området tæt på Nuuk, som er velbeskrevet og ofte besøges af forskere fra hele verden, fordi der er tale om nogle af de absolut ældste og bedst bevarede tidlige arkæiske bjergarter. Ud over at man altså kan gå rundt på det ældste grundfjeld, kan man også se verdens største synlige forekomst af det, der kaldes suprakrustale bjergarter. De findes i et cirka 35 kilometer langt og 5 kilometer bredt bælte, der bugter sig gennem landskabet nordøst for Nuuk. De suprakrustale bjergarter er aflejret på Jordens overflade og omfatter både sedimenter (bjergarter, der er dannet ved geologiske processer på jordoverfladen) og lavaer (bjergarter, der er opstået ved størkning af magma). De giver vigtig viden om de vulkanske processer og klimaet for over 3,7 milliarder år siden (læs mere om suprakrustale bjergarter).

Kristoffer Szilas har besøgt mange forskellige områder i Sydvestgrønland, og gennem sit omfattende feltarbejde har han kunnet danne sig et systematisk blik på geologien i hele den ældgamle region. Szilas har undersøgt forskellige typer af bjergarter med aldre, der spænder hele den arkæiske æon, og på baggrund af sin forskning har han derfor kunnet sammenstykke ændringer i den geologiske udvikling.

Hans primære forskningsfokus er at se på, hvor langt tilbage i tiden man kan finde tegn på geologiske processer som f.eks. pladetektonik og dannelsen af kontinenter, og hvordan disse processer har ændret sig igennem milliarder af år.

”Det er vigtigt, fordi det kan give os en bedre forståelse af, hvordan planeter generelt udvikler sig, og hvordan og hvorfor de kan blive beboelige. Desuden ser vi, hvordan samspillet mellem geologi og liv kan ændre en hel planets udvikling. Alt dette kan vi gøre ved at studere grundfjeldet i Grønland, hvor de ældste bjergarter er tilgængelige,” forklarer han.

Magmagrøden

Og noget rimelig radikalt må der jo være sket, for verden ser ikke ud, som den gjorde, dengang det hele startede. Men hvordan startede det så egentlig? Hvordan blev kontinenterne dannet, og hvornår begyndte de at stikke op over havet – for derved at ændre planetens udvikling for altid?

Det har der ifølge Kristoffer Szilas været forskellige bud på i al den tid, videnskabsfolk har forsket i Jordens udvikling, og der er ikke helt enighed om svaret. Lige præcis de spørgsmål har også været omdrejningspunkter for hans egen forskning, og uenigheden vender vi tilbage til, for vi starter lige med at spole tiden fire milliarder år tilbage til, hvor den arkæiske tidsskala begynder. Dengang var Jordens indre markant varmere, og overfladen var en kæmpe grød af smeltet magma. Der var endnu ingen kontinenter med bjerge, dale og kyster, som vi kender dem i dag.

Fra basalt til granit

Magmagrøden simrede i millioner af år, og over tid blev Jordens overflade køligere. Lidt ligesom havregrød, der får lov at stå, begyndte overfladen at størkne og danne en skorpe af den sorte bjergart basalt (se boks længere nede). Kort tid efter blev overfladen kold nok til, at vanddamp i den unge atmosfære kunne kondensere og blive til vand, og på den måde kunne oceanerne langsomt dannes.

”På dette tidspunkt for mellem 4 og 3,8 milliarder år siden var vores planet dækket af ét stort hav. Men under den basaltiske skorpe på bunden af det globale ocean simrede magmaen stadig videre som følge af den intense varme, der blev afgivet fra Jordens stadig glohede indre som følge af radioaktivitet,” fortæller Kristoffer Szilas.

20 til 30 kilometer nede fik varmen den basaltiske skorpe til delvist at smelte. Det resulterede i en smeltemasse med en anden kemisk sammensætning end den oprindelige basalt; nemlig granit. På den måde blev de allerførste frø til kontinenter faktisk dannet for omkring 3,8 milliarder år siden – og det er præcis den granit, man kan gå en tur på, hvis man tager til blandt andet Sydvestgrønland.

Delte meninger

De første mikrokontinentblokke var små, men lige så langsomt samlede de sig i større og større landmasser, der voksede sammen, splittede sig op igen og bevægede sig rundt på jordkloden. Opsmeltningen i de dybere dele af Jordens basaltiske skorpe fortsatte, og der blev dannet mere og mere granit til de voksende kontinenter. For omkring tre milliarder år siden var landmasserne – også kaldet kratoner – efterhånden blevet så tykke, at de steg op over havoverfladen og blev til den første egentlige landjord med de første bjergkæder. Det skete på global skala for omkring 2,8 milliarder år siden.

Og her kommer vi så til den førnævnte forsker-uenighed om, hvordan jordskorpen er kommet til at se ud, som den gør. De delte meninger går blandt andet på, hvilken mekanisme inde i Jorden der har dannet al den granit og gnejs, som kernen i alle kontinenter består af.

Tidligere har geologer antaget, at grundlaget for kontinenterne blev skabt i forbindelse med horisontal tektonik – det, der også kaldes pladetektonik. Pladetektonik er en geologisk proces, hvor Jordens yderste skorpe – de stive, men bevægelige lithosfæreplader – hele tiden er i bevægelse. Nogle steder driver de fra hinanden, så der dannes ny oceanbundsskorpe (kaldet spredningszoner), og andre steder skubbes pladerne ind under hinanden (kaldet subduktionszoner, se figuren om tektonik længere nede).

Teorien om, at de første spæde skridt til dannelsen af kontinenter opstod cirka samtidig med pladetektonikken, bunder blandt andet i, at den kemiske sammensætning af kontinenternes granit i høj grad minder om typen af lava kaldet andesit, der findes i vulkaner over subduktionszoner.

”Da subduktion er knyttet til pladetektonik, har det været en udbredt tanke, at kontinenterne også var opstået i forbindelse med denne proces,” fortæller Kristoffer Szilas.

En ung proces

Nyere forskning, blandt andet Kristoffer Szilas’ egen, viser dog, at den antagelse ikke holder. Med eksperimenter og termodynamisk modellering af, hvordan bjergarter omdannes – i fagsprog kaldet de metamorfe processer – og under hvilke tryk og temperaturer de smelter, har forskerne vist, at granitten af den type (tonalit), man finder i de ældste dele af kontinenterne, godt kan være skabt i et miljø uden pladetektonik. Forskning i metamorfe bjergarter, hvor forskerne gør brug af de nyeste og mest avancerede computermodeller, har også vist, at pladetektonik er en geologisk set ung proces, som slet ikke kunne eksistere i den meget varmere tidlige del af Arkæikum, det vil sige i den periode, hvor man ved, at den største del af den tidlige kontinentalskorpe er dannet.

I stedet for pladetektonik, hvor skorpen bevæger sig horisontalt rundt på Jordens overflade, var der i den første halvdel af Arkæikum en form for lodret (vertikal) bevægelse, hvor varme dele af Jordens kappe steg op, og kolde dele af skorpen sank ned. Det kaldes også vertikal tektonik (se figuren herunder).

”Man kan beskrive vertikal tektonik som en lava-lampe, hvor materiale bevæger sig op og ned. Det sker som følge af ændringer i temperatur og densitet,” forklarer Kristoffer Szilas.

Kontinenterne er altså opstået i en tid, hvor de tektoniske processer på Jorden var markant anderledes end nu, hvilket blandt andet skyldtes, at Jordens lithosfære var markant varmere. Lokalt set skete overgangen fra vertikal til horisontal tektonik nok på forskellige tidspunkter, men der er meget, der peger på, at den horisontale tektonik, altså pladetektonikken, blev globalt dominerende for omkring 3 til 2,8 milliarder år siden. Stabiliseringen af den kontinentale skorpe og dets underliggende fundament af kold kappe skete på dette tidspunkt. Dermed begyndte vores kontinenter ifølge Kristoffers Szilas og hans fagfællers forskning deres dannelseshistorie, længe før pladetektonik opstod – og altså ikke som en konsekvens af pladetektonik, men derimod som ophav til denne mekanisme. Noget, de blandt andet har fundet ud af ved at studere bjergarterne i Sydvestgrønland.

Unikt arkiv

Umiddelbart derefter havde kontinenterne nået en samlet udbredelse og højde over havet svarende til, hvad vi har i dag. Placeringen af dem var dog stadig langt fra, hvor de ligger nu, og de pladetektoniske bevægelser har nok flyttet Grønland mellem ækvator og Nordpolen indtil flere gange.

Der har altså været kontinenter, som vi kender dem nu, i groft sagt lidt over halvdelen af den tid, Jorden har eksisteret, og de gjorde en stor forskel for planetens efterfølgende udvikling, fortæller Kristoffer Szilas:

”De voksende landmasser med vulkansk aktivitet, jordskælv og bjergkæder, der hævede sig op og blev eroderet væk igen, medførte helt nye muligheder for kemiske reaktioner mellem land, atmosfære og ocean.”

Forskning peger på, at kontinenternes udvikling og opløft kan have spillet en afgørende rolle i forhold til at frigive næringsstoffer og til at ilte atmosfæren og oceanerne, hvilket i sidste ende fremmede biodiversiteten. Kort sagt gav det mulighed for de geologiske processer, som vi i dag er temmelig glade for, herunder kulstofkredsløbet, som alt liv udspringer fra. Det er alt sammen viden, som Grønlands ældgamle bjergarter har været med til at gøre os klogere på.

”Grundlæggende er Grønland et unikt geologisk arkiv over den tidligste fase af Jordens dannelse, og jeg tror aldrig, vi bliver færdige med at studere geologien i det kæmpestore område, som Grønland udgør,” slutter Kristoffer Szilas.