Jauns pētījums apstrīd mantijas oksidācijas teoriju

Smitsona zinātnieki veic jaunus pētījumus par senajiem “laika kapsulas” iežiem, kuru vecums ir vismaz 2,5 miljardi gadu.

Smitsona Nacionālā dabas vēstures muzeja pētnieki ir veikuši jaunu analīzi par iežiem, kas, domājams, ir vismaz 2,5 miljardus gadu veci, atklājot Zemes apvalka ķīmisko vēsturi, kas atrodas zem planētas garozas. Viņu atklājumi uzlabo mūsu izpratni par Zemes senākajiem ģeoloģiskajiem procesiem un veicina ilgstošas ​​zinātniskas debates par planētas ģeoloģisko vēsturi. Proti, pētījums sniedz pierādījumus tam, ka lielākās daļas Zemes apvalka oksidācijas stāvoklis ģeoloģiskā laikā ir saglabājies stabils, apstrīdot citu pētnieku iepriekšējos apgalvojumus par lielām pārvērtībām.

“Šis pētījums mums stāsta vairāk par to, kā šī īpašā vieta, kurā mēs dzīvojam, ir kļuvusi tāda, kāda tā ir tagad, ar tās unikālo virsmu un interjeru, kas ļāva pastāvēt dzīvībai un šķidram ūdenim,” sacīja Elizabete Kotrela, muzeja Mineraloģijas nodaļas vadītāja. , Nacionālās klinšu kolekcijas kurators un pētījuma līdzautors “Tā ir daļa no mūsu kā cilvēku stāsta, jo mūsu izcelsme ir saistīta ar to, kā Zeme veidojās un attīstījās.”

Pētījums tika publicēts žurnālā daba, koncentrējas uz akmeņu grupu, kas savākta no jūras dibena un kam piemīt neparastas ģeoķīmiskās īpašības. Konkrēti, ieži liecina par ārkārtēju šķīšanu ar ļoti zemu oksidācijas līmeni; Oksidācija ir tad, kad kukurūza Vai arī molekula ķīmiskā reakcijā zaudē vienu vai vairākus elektronus. Izmantojot papildu analīzi un modelēšanu, pētnieki izmantoja šo iežu unikālās īpašības, lai parādītu, ka tās, iespējams, ir vismaz 2,5 miljardu gadu senas Arhejas periodā. Turklāt rezultāti liecina, ka Zemes apvalks kopumā ir saglabājis stabilu oksidācijas stāvokli kopš šo iežu veidošanās, pretēji tam, ko iepriekš bija pieņēmuši citi ģeologi.

No jūras dibena tika iegūts sens iezis, kuru pētīja pētnieku grupa. Fotoattēlu kredīts: Toms Kleindiensts

“Senie ieži, kurus mēs pētījām, ir 10 000 reižu mazāk oksidēti nekā tipiski mūsdienu mantijas ieži, un mēs sniedzam pierādījumus, ka tas ir saistīts ar dziļu kušanu Zemē Arhejas laikmetā, kad mantija bija karstāka nekā mūsdienās,” sacīja Kotrels. Citi skaidro augstāko oksidācijas līmeni akmeņos no mantijas mūsdienās, liekot domāt, ka starp Arheānu un mūsdienām ir noticis oksidācijas vai izmaiņu notikums. “Mūsu pierādījumi liecina, ka atšķirības oksidācijas līmeņos var izskaidrot vienkārši ar faktu, ka Zemes apvalks ir atdzisis miljardu gadu laikā un vairs nav pietiekami karsts, lai ražotu akmeņus ar tik zemu oksidācijas līmeni.”

Ģeoloģiskās liecības un pētījumu metodoloģija

Pētnieku komanda, tostarp vadošā pētījuma autore Sjūzena Bernere, kura pabeidza pirmsdoktorantūras stipendiju Nacionālajā Dabas vēstures muzejā un tagad ir Kentuki Berea koledžas docente, uzsāka izmeklēšanu, lai izprastu attiecības starp Zemes cieto apvalku un mūsdienu vulkānisko izcelsmi. akmeņi jūras dibenā. Pētnieki sāka pētīt akmeņu grupu, kas tika izrakta no jūras dibena divās okeāna grēdās, kur tektoniskās plāksnes atšķiras un mantija pārvietojas uz virsmu un veido jaunu garozu.

Divas vietas, no kurām tika savākti pētītie akmeņi, Jackyll kalnu grēda netālu no Ziemeļpola un Dienvidrietumu Indijas grēda starp Āfriku un Antarktīdu, ir vienas no vislēnāk izplatītajām tektonisko plākšņu robežām pasaulē. Lēnais izplatīšanās temps šajās okeāna grēdās nozīmē, ka tās ir salīdzinoši klusas, vulkāniski runājot, salīdzinot ar ātrāk izplatošām vulkāniskām grēdām, piemēram, Klusā okeāna austrumu grēdām. Tas nozīmē, ka ieži, kas savākti no šīm lēni izplatāmajām grēdām, iespējams, ir pašas mantijas paraugi.

Pētniecības kuģa R/V Knorr pakaļgals jūrā 2004. gadā. A formas korpusā ir milzīgs metāla spainis un ķēde, kas ir nolaista vairāk nekā 10 000 pēdu zem okeāna virsmas un vilkta gar jūras dibenu, lai savāktu ģeoloģiskos paraugus. Autortiesības: Emīlija Van Arka

Kad komanda analizēja mantijas iežus, ko viņi savāca no šīm divām grēdām, viņi atklāja, ka tiem ir kopīgas dīvainas ķīmiskās īpašības. Pirmkārt, ieži bija izkusuši daudz lielākā mērā, nekā mūsdienās ir raksturīgi mantijas iežiem. Otrkārt, ieži bija daudz mazāk oksidēti nekā vairums citu mantijas iežu paraugu.

Lai sasniegtu šo augsto kušanas pakāpi, pētnieki secināja, ka akmeņiem jābūt izkusušiem dziļi zemē ļoti augstā temperatūrā. Vienīgais Zemes ģeoloģiskās vēstures periods, kas ietvēra tik augstu temperatūru, bija pirms 2,5 līdz 4 miljardiem gadu Arhejas laikmeta laikā. Tādējādi pētnieki secināja, ka šie mantijas ieži, iespējams, izkusa Arhejas laikmeta laikā, kad planētas iekšpuses temperatūra bija no 360 līdz 540 grādiem. F (200-300 grādi Celsija) karstāks nekā šodien.

Augsti šķīstošie ieži pasargātu no turpmākas kušanas, kas varētu mainīt to ķīmisko raksturu, ļaujot tiem cirkulēt Zemes apvalkā miljardiem gadu, būtiski nemainot to ķīmisko sastāvu.

“Šis fakts vien neko nepierāda, taču tas paver durvis iespējai, ka šie paraugi kalpo kā īstas ģeoloģiskās laika kapsulas, kas datētas ar Arhejas laikmetu,” sacīja Kotrels.

Zinātnisks skaidrojums un atziņas

Lai izpētītu ģeoķīmiskos scenārijus, kas varētu izskaidrot Džekela grēdā un Indijas grēdas dienvidrietumos savākto akmeņu zemo oksidācijas līmeni, komanda saviem mērījumiem izmantoja vairākus modeļus. Modeļi atklāja, ka zemo oksidācijas līmeni, ko tie izmērīja savos paraugos, iespējams, izraisīja kušana ārkārtīgi karstos apstākļos dziļi Zemes iekšienē.

Abas pierādījumu līnijas ir apstiprinājušas interpretāciju, ka iežu netipiskās īpašības ir ķīmisks raksturs, kas izriet no kušanas dziļi Zemes iekšienē Arheāna laikā, kad mantija spēja radīt ārkārtīgi augstu temperatūru.

Iepriekš daži ģeologi mantijas iežus ar zemu oksidācijas līmeni interpretēja kā pierādījumu tam, ka Arhejas apvalks bija mazāk oksidēts un ka ar kādu mehānismu tā laika gaitā ir kļuvusi vairāk oksidēta. Ierosinātie oksidācijas mehānismi ietver pakāpenisku oksidācijas līmeņa paaugstināšanos gāzu zuduma dēļ kosmosā, senās jūras dibena pārstrādi ar subdukcijas palīdzību un nepārtrauktu Zemes kodola iesaistīšanos mantijas ķīmijā. Taču līdz šim šī viedokļa piekritēji nav vienojušies ne par vienu skaidrojumu.

Tā vietā jaunie atklājumi apstiprina uzskatu, ka oksidācijas līmenis Zemes apvalkā lielākoties ir bijis nemainīgs miljardiem gadu un ka dažos mantijas paraugos novērotā zemā oksidēšanās radās ģeoloģiskos apstākļos, kurus Zeme vairs nespēj ražot tās apvalka dēļ. kopš tā laika ir atdzisis. Tātad, nevis kaut kāds mehānisms, kas veido Zemes apvalku vairāk oksidējās miljardiem gadu, un jaunais pētījums apgalvo, ka augstās temperatūras Arhejas laikmetā veidoja mantijas daļas. mazāk Tā kā Zemes atmosfēra kopš Arhejas laikmeta ir atdzisusi, tā vairs nespēj ražot iežus ar ļoti zemu oksidācijas līmeni. Kotrels saka, ka Zemes atmosfēras atdzišanas process sniedz daudz vienkāršāku izskaidrojumu: Zeme vienkārši vairs neveido akmeņus, kā tas notika agrāk.

Kotrela un viņas kolēģi tagad cenšas labāk izprast ģeoķīmiskos procesus, kas veidoja Džekilas grēdas un dienvidrietumu Indijas grēdas Arhejas mantijas iežus, laboratorijā simulējot ārkārtīgi augsto spiedienu un temperatūru, kas konstatēta Arhejā.

Atsauce: Sūzena K. “Dziļa, karsta, sena kušana, kas reģistrēta ar ārkārtīgi zemu skābekļa daudzumu peridotītā”. Bernere, Elizabete Kotrela un Freds A. Deiviss un Džesika M. Vorens, 2024. gada 24. jūlijs, daba.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Papildus Berneram un Kotrelam pētījuma līdzautori bija Freds Deiviss no Minesotas Dulutas universitātes un Džesika Vorena no Delavēras universitātes.

Pētījumu atbalstīja Smitsona institūts un Nacionālais zinātnes fonds.