Kulit terluar Bumi mengalami kerusakan besar pada tanggal 6 Februari tahun lalu, ketika sebuah patahan besar muncul di selatan Turki. Semenanjung Anatolia tiba-tiba bergeser ke arah barat daya sejauh 11 meter relatif terhadap jazirah Arab. Hampir 60.000 orang tewas dalam salah satu gempa bumi paling dahsyat di zaman modern ini.
Gempa bumi seperti ini terjadi karena kerak Bumi terbagi menjadi lempeng-lempeng tektonik yang bergeser. Kekuatan di balik lempeng tektonik berperan dalam menentukan hampir semua hal tentang Bumi, mulai dari iklim hingga evolusi kehidupan.
Meskipun penting, lempeng tektonik masih menjadi misteri. Sejak awal abad ke-21, para ahli geologi telah mengumpulkan data untuk mencari jawaban tentang kapan dan bagaimana lempeng tektonik dimulai. Namun, penelitian-penelitian ini telah menghasilkan hasil yang berantakan dan sering kali bertentangan. “Anda dapat memiliki 30 orang dengan 30 spesialisasi yang berbeda dan kami mungkin akan menghasilkan 30 angka yang berbeda,” kata ahli perminyakan Michael Brown di University of Maryland di College Park.
“Sungguh luar biasa, tingkat ketidakpastian mengenai waktu dimulainya proses yang mengendalikan sistem Bumi saat ini dan menjadikannya planet yang bisa dihuni,” kata Peter Cawood dari Monash University di Melbourne, Australia. Ketidakpastian ini begitu besar sehingga mencakup 85% dari 4,5 miliar tahun sejarah planet ini, katanya.
Namun, sebuah konsensus perlahan-lahan mulai terbentuk. Memilah-milah data selama bertahun-tahun, para peneliti menemukan cara untuk memahami berbagai analisis. Meskipun masih banyak ketidakpastian yang tersisa, sejarah lempeng tektonik akhirnya mulai terlihat.
Sejarah yang tersembunyi
Sejak tahun 1960-an, para ahli geologi telah menyadari bahwa kulit terluar Bumi – litosfer – bukanlah satu bagian yang utuh, melainkan serangkaian lempeng batuan yang saling berdesakan dan berangsur-angsur berubah posisi. Selama jutaan tahun, samudra melebar dan menyempit, dan benua-benua bergerak di seluruh dunia, terkadang menyatu membentuk superkontinen yang luas. Bagian lempeng yang lebih tua tenggelam ke dalam interior Bumi, di mana mereka didaur ulang. Batuan bercampur dengan bagian lain dari mantel planet ini – lapisan semi-leleh di bawah kerak.
“Bumi adalah satu-satunya planet yang kita ketahui memiliki lempeng tektonik,” kata ahli geologi Nadja Drabon dari Universitas Harvard di Cambridge, Massachusetts. Mungkin bukan kebetulan jika Bumi juga merupakan satu-satunya planet yang diketahui memiliki kehidupan: pergeseran dan daur ulang batuan dan mineral secara konstan melepaskan nutrisi ke lautan dan menciptakan habitat bagi kehidupan. “Hal ini sangat penting bagi kelayakhunian Bumi.”
Ketika Bumi terbentuk 4,5 miliar tahun lalu, Bumi jauh lebih panas daripada saat ini: Bumi yang baru lahir mungkin memiliki lautan magma daripada permukaan yang padat, mungkin sesuatu yang mirip dengan planet 55 Cancri e, yang telah dipelajari oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb. Akhirnya, kerak Bumi mendingin, mengeras, dan kemudian pecah menjadi lempeng-lempeng yang mulai berdesak-desakan satu sama lain dan bermigrasi ke seluruh permukaan. Pertanyaan besarnya adalah: kapan semua itu terjadi?
Hanya ada sedikit harapan untuk menemukan bukti langsung dari periode ini karena sebagian besar batuan yang terbentuk pada masa-masa awal itu telah lama tersubduksi ke dalam interior Bumi, di mana mereka meleleh dan hancur. Zaman Hadean, dari pembentukan Bumi lebih dari 4,5 miliar tahun yang lalu hingga 4 miliar tahun yang lalu, adalah yang paling tidak jelas. “Tidak ada catatan batuan dari zaman Hadean,” kata Brown. Yang tersisa hanyalah kristal-kristal kecil yang disebut zirkon, yang merupakan sisa-sisa batuan Hadean yang kemudian menyatu dengan batuan yang lebih muda.
Catatan geologi dari zaman Arkean berikutnya, yang berlangsung hingga 2,5 miliar tahun yang lalu, lebih baik namun masih terpisah-pisah. “Hanya sekitar 5% batuan yang tersingkap di permukaan saat ini yang berumur Arkean,” kata Drabon.
Terlepas dari tantangan ini, para ahli geologi telah berhasil mendapatkan kondisi yang berbeda di Arkean. “Bagian dari catatan batuan benar-benar berbeda,” kata Brown. Kandungan kimiawi batuan yang masih ada mengindikasikan bahwa mantel lebih panas pada masa Arkean1: “Mungkin setidaknya 100°C lebih hangat dan mungkin bisa mencapai 250°C” dibandingkan saat ini. Itu berarti kerak bumi juga lebih hangat, dan karena itu lebih lunak dan tidak terlalu padat.
Kondisi ini tidak sesuai dengan jenis lempeng tektonik yang ada di planet saat ini, yang membutuhkan lempeng kaku yang cukup padat untuk bisa masuk ke dalam mantel di zona subduksi. Implikasinya, Bumi muda tidak memiliki lempeng tektonik seperti yang kita pahami saat ini. Apa yang dimilikinya masih belum jelas. Salah satu kemungkinannya adalah ‘tutup yang stagnan’: kerak yang terbagi menjadi lempeng-lempeng yang tidak banyak bergerak. Atau, alih-alih bergerak ke samping seperti yang terjadi saat ini, lempeng-lempeng tersebut mungkin telah bergeser ke atas dan ke bawah, digerakkan oleh naiknya batuan panas.
Para ahli geologi telah lama mencoba untuk mengetahui kapan bentuk tektonik lempeng yang lebih mudah dikenali dimulai, dengan mencari tanda-tanda subduksi. Masalahnya, data yang tersedia menunjukkan banyak arah. “Tak satu pun dari data tersebut memberikan petunjuk yang jelas,” kata Cawood.
Ditulis di atas batu
Namun, dalam sepuluh tahun terakhir, sebuah konsensus telah muncul. Transisi utama tampaknya terjadi sekitar tiga miliar tahun yang lalu: berbagai bukti menunjukkan bahwa rezim tektonik berubah secara besar-besaran pada masa ini. Sebagai contoh, sebuah penelitian pada tahun 2016 menemukan bahwa komposisi kerak bumi mulai berubah sekitar tiga miliar tahun yang lalu2. Batuan yang lebih tua adalah mafik: mengandung banyak magnesium dan besi dan padat. Namun, pada 2,5 miliar tahun yang lalu, batuan lebih bersifat felsik, yang berarti mengandung lebih banyak silika dan tidak terlalu padat. Kepadatan yang lebih rendah berarti lempeng-lempeng tersebut dapat membawa benua-benua yang tebal tanpa tenggelam. Yang terpenting, batuan felsik terbentuk hanya dengan adanya air dan panas. Saat ini, batuan-batuan ini terbentuk di zona subduksi, sehingga kemunculan batuan felsik antara 3 miliar hingga 2,5 miliar tahun yang lalu mengimplikasikan bahwa subduksi sedang berlangsung.
“Hal ini telah dipelajari dengan baik,” kata ahli geofisika Johanna Salminen dari Universitas Helsinki. Beberapa bukti menunjukkan adanya pergeseran yang signifikan sekitar tiga miliar tahun yang lalu, katanya. Misalnya, isotop logam dalam batuan yang diawetkan menunjukkan bahwa kerak benua modern mulai terbentuk pada masa ini3. Namun, penelitian lain menunjukkan adanya transisi yang lebih awal lagi. Pada tahun 2017, sebuah penelitian menemukan bukti adanya batuan felsik sejak 3,5 miliar tahun yang lalu, yang berpotensi mendorong mundur terjadinya subduksi4. Sejalan dengan itu, sebuah studi palaeomagnetik pada tahun 2022 menemukan bukti bahwa lempeng tektonik bergerak secara horizontal dengan kecepatan mendekati kecepatan modern pada 3,25 miliar tahun yang lalu5.
Pada tahun yang sama, Drabon dan rekan-rekannya mendorong kerangka waktu lebih jauh lagi. Mereka mempelajari kristal zirkon dari Barberton Greenstone Belt di Afrika Selatan. Zirkon yang berusia lebih dari 3,8 miliar tahun memiliki jejak kerak yang berumur sangat panjang yang telah lolos dari peleburan selama ratusan juta tahun, yang mengindikasikan bahwa hanya sedikit atau tidak ada subduksi yang terjadi pada saat itu. Namun, zirkon yang berumur kurang dari 3,8 miliar tahun tampaknya merupakan bagian dari kerak bumi yang lebih muda, yang telah dikerjakan ulang melalui subduksi6.
Beberapa penelitian menunjukkan bahwa subduksi telah terjadi jauh sebelum 3 miliar tahun yang lalu, bahkan mungkin 3,8 miliar tahun yang lalu. Namun, ada perdebatan substansial tentang seberapa luas subduksi awal ini. “Saya pikir ini adalah pertanyaan tentang kapan Anda percaya bahwa Anda pertama kali dapat melihatnya sebagai fenomena global,” kata Brown. Sebagian besar bukti awal subduksi tampaknya mencerminkan proses yang terlokalisasi atau berumur pendek, katanya.
Beberapa episode subduksi mungkin dipicu oleh dampak meteorit, menurut simulasi tumbukan semacam itu7. Dan sebuah studi pada tahun 2022 tentang kerak benua Arkea menyimpulkan bahwa subduksi terlokalisasi hingga setidaknya 2,7 miliar tahun yang lalu8.
Sebaliknya, lempeng tektonik yang sebenarnya bersifat global dan berkelanjutan. Bukti nyata dari hal tersebut baru muncul sekitar 2,2 miliar tahun yang lalu, kata Brown. Saat itulah superkontinen tertua yang diketahui, yang dijuluki Nuna atau Columbia, terbentuk – yang mencerminkan proses global9.
Namun, bahkan setelah itu, sistem terus berubah. Batuan seperti blueschists hanya bisa terbentuk jika batuan yang disubduksi padat dan dingin, dan karenanya tenggelam jauh ke dalam mantel. Batuan ini muncul dalam catatan batuan hanya sekitar 800 juta tahun yang lalu, yang menunjukkan kepada beberapa peneliti bahwa lempeng tektonik modern belum terbentuk sampai saat itu.
Langkah perubahan
Untuk memahami bukti-bukti yang muncul, Cawood dan rekan-rekannya membuat skenario yang mungkin terjadi pada tahun 2022, di mana mereka menggambarkan tujuh fase sejarah Bumi. Fase-fase tersebut memiliki durasi yang berbeda, mulai dari lebih dari 100 juta hingga satu miliar tahun. Masing-masing fase dicirikan oleh campuran jenis batuan tertentu, yang mencerminkan perubahan perilaku kerak dan mantel. Tim tersebut mengidentifikasi segala sesuatu yang terjadi setelah 2,5-1,8 miliar tahun yang lalu beroperasi dalam “kerangka kerja lempeng tektonik ‘10 (lihat ’Kisah asal mula lempeng tektonik’).
“Saya sangat bersemangat ketika saya membaca makalah itu,” kata Drabon. Meskipun detail yang tepat dari tahapan-tahapan tersebut masih “sedikit di awang-awang”, ia berkata, “Saya pikir mereka berada di jalur yang benar.”
Tim Drabon menambahkan wawasan baru dalam sebuah penelitian yang diterbitkan pada bulan Mei. Dia dan rekan-rekannya menemukan bukti adanya batuan yang berubah bentuk dari 3,4 miliar hingga 3,3 miliar tahun yang lalu, yang mengindikasikan bahwa gunung-gunung sedang terbentuk pada saat itu11.
Dan dalam sebuah tinjauan yang diterbitkan pada bulan Juli, Cawood dan rekan-rekannya mengumpulkan lebih banyak bukti bahwa “bentuk subduksi primitif”, yang berumur pendek dan terlokalisasi, beroperasi di Arkea. Antara 2,8 miliar dan 2,6 miliar tahun yang lalu, zona-zona subduksi yang terisolasi ini secara bertahap saling terhubung untuk membentuk jaringan global12.
Hal yang baru adalah kesepakatan bahwa permulaan lempeng tektonik merupakan proses yang berlangsung dalam beberapa tahap dalam waktu yang lama. “Ini bukan saklar lampu,” kata Brown. “Ini bukan saklar di mana kita beralih dari bukan lempeng tektonik ke lempeng tektonik.”
