Smithsonovskí vedci uskutočňujú nový výskum starých „časových kapsulí“ hornín, ktoré sa datujú najmenej 2,5 miliardy rokov.

Výskumníci zo Smithsonian's National Museum of Natural History vykonali novú analýzu hornín, o ktorých sa predpokladá, že sú staré najmenej 2,5 miliardy rokov, čím objasnili chemickú históriu zemského plášťa, vrstvy pod kôrou planéty. Ich zistenia zlepšujú naše chápanie najstarších geologických procesov Zeme a prispievajú k dlhodobej vedeckej diskusii o geologickej histórii planéty. Štúdia poskytuje dôkaz, že oxidačný stav väčšiny zemského plášťa zostal stabilný počas geologického času, čo spochybňuje predchádzajúce tvrdenia iných výskumníkov o veľkých transformáciách.

„Táto štúdia nám hovorí viac o tom, ako sa toto špeciálne miesto, v ktorom žijeme, stalo takým, akým je teraz, s jeho jedinečným povrchom a interiérom, ktoré umožnili existenciu života a tekutej vody,“ povedala Elizabeth Cottrell, vedúca Mineralogickej divízie múzea. kurátorka National Rock Collection a spoluautorka štúdie „Je to súčasť nášho ľudského príbehu, pretože všetky naše počiatky siahajú k tomu, ako bola Zem vytvorená a ako sa vyvinula.“

Štúdia bola publikovaná v časopise prírody, sa zameriava na skupinu hornín zozbieraných z morského dna, ktoré majú nezvyčajné geochemické vlastnosti. Konkrétne horniny vykazujú známky extrémneho rozpúšťania s veľmi nízkou úrovňou oxidácie; Oxidácia je kedy kukurica Alebo molekula stratí jeden alebo viac elektrónov pri chemickej reakcii. S pomocou dodatočnej analýzy a modelovania výskumníci použili jedinečné vlastnosti týchto hornín, aby ukázali, že pravdepodobne pochádzajú z obdobia archeanského obdobia najmenej 2,5 miliardy rokov. Okrem toho výsledky ukazujú, že zemský plášť si od vzniku týchto hornín vo všeobecnosti udržiava stabilný oxidačný stav, na rozdiel od toho, čo predtým predpokladali iní geológovia.

Z morského dna bola vyťažená prastará skala a skúmaná výskumným tímom. Fotografický kredit: Tom Kleindienst

„Staroveké horniny, ktoré sme študovali, sú 10 000-krát menej oxidované ako typické moderné horniny plášťa a poskytujeme dôkazy, že je to spôsobené topením sa hlboko v Zemi počas archejskej éry, keď bol plášť teplejší ako dnes, “ povedal Cottrell. Iní vysvetľujú vyššie úrovne oxidácie, ktoré sa dnes vyskytujú v horninách z plášťa, tým, že naznačujú, že medzi archeanom a dneškom došlo k oxidácii alebo zmene. „Naše dôkazy naznačujú, že rozdiel v úrovniach oxidácie možno vysvetliť jednoducho tým, že zemský plášť sa v priebehu miliárd rokov ochladil a už nie je dostatočne horúci na to, aby produkoval horniny s takými nízkymi úrovňami oxidácie.“

Geologické dôkazy a metodológia štúdia

Výskumný tím vrátane vedúcej autorky štúdie Susan Bernerovej, ktorá absolvovala preddoktorandské štipendium v ​​Národnom múzeu prírodnej histórie a teraz je odborným asistentom na Berea College v Kentucky, začal skúmať vzťah medzi pevným zemským plášťom a moderným sopečným povrchom. skaly na morskom dne. Vedci začali štúdiom skupiny hornín vykopaných z morského dna na dvoch oceánskych hrebeňoch, kde sa tektonické platne rozchádzajú a plášť sa presúva na povrch a vytvára novú kôru.

Dve miesta, z ktorých boli zozbierané skúmané horniny, pohorie Jackyll v blízkosti severného pólu a pohorie v juhozápadnej Indii medzi Afrikou a Antarktídou, patria medzi najpomalšie sa šíriace hranice tektonických platní na svete. Pomalé tempo šírenia v týchto oceánskych hrebeňoch znamená, že sú relatívne tiché, vulkanicky povedané, v porovnaní s rýchlejšie sa šíriacimi sopečnými hrebeňmi, ako je East Pacific Ridge. To znamená, že horniny zozbierané z týchto pomaly sa šíriacich hrebeňov sú pravdepodobne vzorkami samotného plášťa.

Korma výskumnej lode R/V Knorr na mori v roku 2004. Trup v tvare písmena A drží obrovské kovové vedro a reťaz, ktoré sú spustené viac ako 10 000 stôp pod hladinu oceánu a ťahané po morskom dne, aby sa zhromaždili geologické vzorky. Autorské práva: Emily Van Ark

Keď tím analyzoval horniny plášťa, ktoré zhromaždili z týchto dvoch hrebeňov, zistili, že zdieľajú zvláštne chemické vlastnosti. Po prvé, horniny sa roztopili v oveľa väčšom rozsahu, ako je dnes typické pre plášťové horniny. Po druhé, horniny boli oveľa menej oxidované ako väčšina ostatných vzoriek plášťových hornín.

Na dosiahnutie tohto vysokého stupňa topenia vedci dospeli k záveru, že horniny sa museli roztopiť hlboko v zemi pri veľmi vysokých teplotách. Jediné obdobie geologickej histórie Zeme, o ktorom je známe, že zahŕňa také vysoké teploty, bolo pred 2,5 až 4 miliardami rokov počas Archean Eon. Vedci teda dospeli k záveru, že tieto horniny plášťa sa pravdepodobne roztopili počas Archean Eon, keď sa teplota vnútra planéty pohybovala medzi 360 a 540 stupňami. F (200-300 stupňov Celzia) teplejšie ako dnes.

Vysoká rozpustnosť by tieto horniny ochránila pred ďalším topením, ktoré by mohlo zmeniť ich chemický podpis, čo by im umožnilo cirkulovať v zemskom plášti miliardy rokov bez toho, aby sa výrazne zmenila ich chémia.

„Tento fakt sám osebe nič nedokazuje, ale otvára dvere možnosti, že tieto vzorky slúžia ako skutočné geologické časové kapsuly pochádzajúce z archejskej éry,“ povedal Cottrell.

Vedecké vysvetlenie a poznatky

Na preskúmanie geochemických scenárov, ktoré by mohli vysvetliť nízke úrovne oxidácie hornín zozbieraných v Jackel Ridge a juhozápadnom Indian Ridge, tím použil na svoje merania viacero modelov. Modely odhalili, že nízke úrovne oxidácie, ktoré namerali vo svojich vzorkách, boli pravdepodobne spôsobené topením v extrémne horúcich podmienkach hlboko v Zemi.

Obe línie dôkazov podporili interpretáciu, že atypické vlastnosti hornín predstavujú chemický podpis vyplývajúci z topenia hlboko v Zemi počas archeanu, keď bol plášť schopný produkovať extrémne vysoké teploty.

Predtým niektorí geológovia interpretovali horniny plášťa s nízkou úrovňou oxidácie ako dôkaz, že archejský plášť bol menej oxidovaný a že nejakým mechanizmom sa časom viac oxidoval. Navrhované oxidačné mechanizmy zahŕňajú postupné zvyšovanie úrovne oxidácie v dôsledku straty plynov vo vesmíre, recykláciu starého morského dna subdukciou a pokračujúce zapojenie zemského jadra do chémie plášťa. Ale zatiaľ sa zástancovia tohto názoru nezhodli na žiadnom jedinom vysvetlení.

Namiesto toho nové zistenia podporujú názor, že úroveň oxidácie v zemskom plášti je do značnej miery konštantná už miliardy rokov a že nízka oxidácia pozorovaná v niektorých vzorkách plášťa vznikla v geologických podmienkach, ktoré Zem už nedokáže vyprodukovať, pretože jej plášť odvtedy sa ochladilo. Teda namiesto nejakého mechanizmu, ktorý tvorí zemský plášť viac oxidovali miliardy rokov a nová štúdia tvrdí, že vysoké teploty v archeánskej ére vytvorili časti plášťa menej Pretože sa zemská atmosféra od archeánskej éry ochladila, už nie je schopná produkovať horniny s veľmi nízkou úrovňou oxidácie. Cottrell hovorí, že proces ochladzovania zemskej atmosféry poskytuje oveľa jednoduchšie vysvetlenie: Zem už jednoducho nevytvára kamene ako v minulosti.

Cottrell a jej kolegovia sa teraz snažia lepšie porozumieť geochemickým procesom, ktoré formovali skaly archeanského plášťa pohoria Jackyll Range a juhozápadného pohoria Indian Range, simuláciou extrémne vysokých tlakov a teplôt, ktoré sa nachádzajú v Archaea v laboratóriu.

Referencia: „Hlboké, horúce, staroveké topenie zaznamenané extrémne nízkym okysličením v peridotite“ od Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell a Fred A. Davis a Jessica M. Warren, 24. júla 2024, prírody.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Na štúdii sa okrem Bernera a Cottrella podieľali aj Fred Davis z University of Minnesota Duluth a Jessica Warren z University of Delaware.

Výskum podporili Smithsonian Institution a National Science Foundation.