Nowe badanie podważa teorię utleniania płaszcza

Cienki kawałek starożytnej skały zebrany z grzbietu Gakkel w pobliżu bieguna północnego, sfotografowany pod mikroskopem i oglądany w skrzyżowanym świetle spolaryzowanym. Szerokość pola ~ 14 mm. Analiza skał o cienkich przekrojach pomaga geologom identyfikować i opisywać minerały w skale. Analizy ujawniają informacje na temat składu mineralogicznego, tekstury i historii skały, np. sposobu jej powstania i wszelkich późniejszych zmian, jakim uległa. Badacze wykorzystują oznaczenie składu chemicznego minerałów w tych starożytnych skałach płaszcza Ziemi, aby określić warunki topnienia tych skał. Prawa autorskie: E. Cottrell, Smithsonian

Naukowcy ze Smithsonian prowadzą nowe badania nad starożytnymi skałami będącymi „kapsułami czasu”, których historia sięga co najmniej 2,5 miliarda lat.

Naukowcy z Narodowego Muzeum Historii Naturalnej Smithsonian Institution przeprowadzili nową analizę skał, których wiek szacuje się na co najmniej 2,5 miliarda lat, rzucając światło na historię chemiczną płaszcza Ziemi, warstwy pod skorupą planety. Ich odkrycia pogłębiają naszą wiedzę na temat najstarszych procesów geologicznych na Ziemi i przyczyniają się do długotrwałej debaty naukowej na temat historii geologicznej planety. Warto zauważyć, że badanie dostarcza dowodów na to, że stopień utlenienia większości płaszcza Ziemi pozostaje stabilny w czasie geologicznym, co podważa wcześniejsze twierdzenia innych badaczy na temat głównych przemian.

„To badanie mówi nam więcej o tym, jak to wyjątkowe miejsce, w którym żyjemy, stało się takie, jakie jest obecnie, z wyjątkową powierzchnią i wnętrzem, które umożliwiło istnienie życia i wody w stanie ciekłym” – powiedziała Elizabeth Cottrell, kierownik Działu Mineralogii muzeum , kuratorka National Rock Collection i współautorka badania: „To część naszej historii jako ludzi, ponieważ całe nasze początki sięgają powstania i ewolucji Ziemi”.

Badanie opublikowano w czasopiśmie Natura, skupia się na grupie skał wydobytych z dna morskiego, które posiadają niezwykłe właściwości geochemiczne. W szczególności skały wykazują oznaki ekstremalnego rozpuszczania przy bardzo niskim poziomie utlenienia; Utlenianie ma miejsce, gdy kukurydza Lub cząsteczka traci jeden lub więcej elektronów w reakcji chemicznej. Za pomocą dodatkowej analizy i modelowania badacze wykorzystali unikalne właściwości tych skał, aby wykazać, że prawdopodobnie powstały co najmniej 2,5 miliarda lat temu w okresie archaiku. Co więcej, wyniki pokazują, że płaszcz Ziemi ogólnie utrzymuje stabilny stopień utlenienia od czasu powstania tych skał, w przeciwieństwie do tego, co wcześniej zakładali inni geolodzy.

Z dna morskiego wydobyto starożytną skałę i zbadano ją przez zespół badawczy. Źródło zdjęcia: Tom Kleindienst

„Starożytne skały, które badaliśmy, są 10 000 razy mniej utlenione niż typowe współczesne skały płaszcza i dostarczamy dowodów, że jest to spowodowane topnieniem w głębi Ziemi w epoce archaiku, kiedy płaszcz był gorętszy niż obecnie” – powiedział Cottrell. Inni wyjaśniają wyższy poziom utlenienia obserwowany obecnie w skałach płaszcza, sugerując, że między Archaikiem a dniem dzisiejszym miało miejsce utlenianie lub przemiana. „Nasze dowody sugerują, że różnicę w poziomach utlenienia można po prostu wyjaśnić faktem, że płaszcz Ziemi ochładzał się przez miliardy lat i nie jest już wystarczająco gorący, aby wytworzyć skały o tak niskim stopniu utlenienia”.

Dowody geologiczne i metodologia badań

Zespół badawczy, w skład którego wchodzi główna autorka badania Susan Berner, która odbyła staż przeddoktorski w Narodowym Muzeum Historii Naturalnej, a obecnie jest adiunktem w Berea College w Kentucky, rozpoczął badania, aby zrozumieć związek między stałym płaszczem Ziemi a współczesną powłoką wulkaniczną skały na dnie morskim. Naukowcy rozpoczęli od zbadania grupy skał wydobytych z dna morskiego w dwóch grzbietach oceanicznych, gdzie płyty tektoniczne rozchodzą się, a płaszcz wypływa na powierzchnię i tworzy nową skorupę.

Dwa miejsca, z których pobrano badane skały, pasmo górskie Jackyll w pobliżu bieguna północnego i pasmo południowo-zachodnich Indii pomiędzy Afryką a Antarktydą, należą do najwolniej rozprzestrzeniających się granic płyt tektonicznych na świecie. Powolne tempo rozprzestrzeniania się na tych grzbietach oceanicznych oznacza, że ​​są one stosunkowo ciche, mówiąc wulkanicznie, w porównaniu z szybciej rozprzestrzeniającymi się grzbietami wulkanicznymi, takimi jak grzbiet wschodniego Pacyfiku. Oznacza to, że skały zebrane z tych wolno rozprzestrzeniających się grzbietów są prawdopodobnie próbkami samego płaszcza.

Rufa statku badawczego R/V Knorr na morzu w 2004 r. Kadłub w kształcie litery A mieści gigantyczne metalowe wiadro i łańcuch, które opuszcza się ponad 3000 metrów pod powierzchnię oceanu i ciągnie po dnie morskim w celu pobrania próbek geologicznych. Prawa autorskie: Emily Van Ark

Kiedy zespół przeanalizował skały płaszcza zebrane z tych dwóch grzbietów, odkrył, że mają one wspólne dziwne właściwości chemiczne. Po pierwsze, skały stopiły się w znacznie większym stopniu niż jest to typowe dla współczesnych skał płaszczowych. Po drugie, skały były znacznie mniej utlenione niż większość innych próbek skał płaszcza.

Aby osiągnąć tak wysoki stopień stopienia, naukowcy doszli do wniosku, że skały musiały stopić się głęboko w ziemi w bardzo wysokich temperaturach. Jedyny okres w historii geologicznej Ziemi, o którym wiadomo, że obejmował tak wysokie temperatury, przypadał na okres od 2,5 do 4 miliardów lat temu, w eonie archaiku. W związku z tym badacze doszli do wniosku, że skały płaszcza prawdopodobnie stopiły się podczas eonu archaiku, kiedy temperatura wnętrza planety wahała się od 360 do 540 stopni. F (200-300 stopni Celsjusz) cieplej niż dzisiaj.

Wysoka rozpuszczalność chroniłaby te skały przed dalszym topnieniem, które mogłoby zmienić ich sygnaturę chemiczną, umożliwiając im krążenie w płaszczu Ziemi przez miliardy lat bez znaczącej zmiany ich składu chemicznego.

„Sam ten fakt niczego nie dowodzi, ale otwiera drzwi do możliwości, że próbki te służą jako prawdziwe geologiczne kapsuły czasu pochodzące z epoki archaiku” – powiedział Cottrell.

Naukowe wyjaśnienia i spostrzeżenia

Aby zbadać scenariusze geochemiczne, które mogą wyjaśnić niski poziom utlenienia skał zebranych w Jackel Ridge i południowo-zachodniej części Indian Ridge, zespół zastosował do swoich pomiarów wiele modeli. Modele wykazały, że niski poziom utlenienia zmierzony w próbkach był prawdopodobnie spowodowany topnieniem w niezwykle gorących warunkach głęboko w Ziemi.

Obydwa dowody potwierdzają interpretację, że nietypowe właściwości skał reprezentują sygnaturę chemiczną wynikającą z topnienia w głębi Ziemi w okresie archaiku, kiedy płaszcz był w stanie wytworzyć niezwykle wysokie temperatury.

Wcześniej niektórzy geolodzy interpretowali skały płaszcza o niskim stopniu utlenienia jako dowód na to, że płaszcz archaiku był mniej utleniony i że w wyniku jakiegoś mechanizmu z biegiem czasu stał się bardziej utleniony. Proponowane mechanizmy utleniania obejmują stopniowy wzrost poziomów utleniania w wyniku utraty gazów do przestrzeni kosmicznej, recykling starożytnego dna morskiego w drodze subdukcji oraz ciągłe zaangażowanie jądra Ziemi w chemię płaszcza. Jednak jak dotąd zwolennicy tego poglądu nie zgodzili się na żadne pojedyncze wyjaśnienie.

Zamiast tego nowe odkrycia potwierdzają pogląd, że poziom utlenienia w płaszczu Ziemi utrzymuje się w dużej mierze na stałym poziomie od miliardów lat oraz że niski stopień utlenienia obserwowany w niektórych próbkach płaszcza powstał w warunkach geologicznych, których Ziemia nie jest już w stanie wytworzyć, ponieważ jej płaszcz od tego czasu ostygł. Zamiast jakiegoś mechanizmu tworzącego płaszcz Ziemi więcej utleniało się przez miliardy lat, a nowe badanie twierdzi, że wysokie temperatury w epoce archaiku spowodowały, że części płaszcza mniej Ponieważ atmosfera ziemska ostygła od epoki archaiku, nie jest już w stanie wytwarzać skał o bardzo niskim stopniu utlenienia. Cottrell twierdzi, że proces ochładzania atmosfery ziemskiej daje znacznie prostsze wyjaśnienie: Ziemia po prostu nie tworzy już skał, jak to miało miejsce w przeszłości.

Cottrell i jej współpracownicy starają się obecnie lepiej zrozumieć procesy geochemiczne, które utworzyły skały płaszcza archaiku w paśmie Jackyll i południowo-zachodnim paśmie Indian, symulując w laboratorium niezwykle wysokie ciśnienia i temperatury występujące w Archaea.

Odniesienie: „Głębokie, gorące, starożytne topnienie zarejestrowane przez wyjątkowo niskie natlenienie w perydotycie” autorstwa Susan K. Bernera, Elizabeth Cottrell i Freda A. Davisa i Jessiki M. Warren, 24 lipca 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Oprócz Bernera i Cottrella współautorami badania są Fred Davis z University of Minnesota Duluth i Jessica Warren z University of Delaware.

Badania były wspierane przez Smithsonian Institution i National Science Foundation.