Нова студија доводи у питање теорију оксидације плашта

Танак комад древне стене сакупљен са гребена Гакел близу Северног пола, снимљен под микроскопом и посматран под укрштеним поларизованим светлом. Ширина поља ~ 14 мм. Анализа танких пресека камена помаже геолозима да идентификују и опишу минерале унутар стене. Анализе откривају информације о минералошком саставу, текстури и историји стене, као што је начин на који се формирао и све накнадне промене којима је претрпео. Истраживачи користе одређивање хемијског састава минерала у овим древним стенама из Земљиног омотача да би одредили услове под којима су се ове стене топиле. Ауторска права: Е. Цоттрелл, Смитхсониан

Научници Смитсонијана спроводе нова истраживања на древним стенама „временске капсуле“, које датирају најмање 2,5 милијарде година.

Истраживачи у Националном музеју природне историје Смитсонијан института спровели су нову анализу стена за које се верује да су старе најмање 2,5 милијарди година, бацајући светло на хемијску историју Земљиног омотача, слоја испод коре планете. Њихови налази побољшавају наше разумевање најстаријих геолошких процеса на Земљи и доприносе дуготрајној научној дебати о геолошкој историји планете. Посебно, студија пружа доказе да је оксидационо стање већине Земљиног омотача остало стабилно током геолошког времена, доводећи у питање претходне тврдње других истраживача о великим трансформацијама.

„Ова студија нам говори више о томе како је ово посебно место у којем живимо постало овакво какво је сада, са својом јединственом површином и унутрашњошћу која је омогућила постојање живота и течне воде“, рекла је Елизабет Котрел, шефица Одељења за минералогију музеја. , кустос Националне колекције стена и коаутор студије „То је део наше приче као људи јер све наше порекло сеже до тога како је Земља настала и како је еволуирала.

Студија је објављена у часопису природа, фокусира се на групу стена сакупљених са морског дна које поседују необична геохемијска својства. Конкретно, стене показују доказе екстремног растварања са веома ниским нивоом оксидације; Оксидација је када кукуруза Или молекул изгуби један или више електрона у хемијској реакцији. Уз помоћ додатне анализе и моделирања, истраживачи су користили јединствена својства ових стена да покажу да вероватно датирају најмање 2,5 милијарди година уназад током архејског периода. Штавише, резултати показују да је Земљин омотач генерално одржавао стабилно оксидационо стање од формирања ових стена, за разлику од онога што су други геолози раније претпостављали.

Древна стена је извучена из морског дна и проучавана од стране истраживачког тима. Фотографија: Том Клеиндиенст

„Древне стене које смо проучавали су 10.000 пута мање оксидоване од типичних модерних стена плашта, а ми пружамо доказе да је то због топљења дубоко у Земљи током архејске ере, када је плашт био топлији него што је данас“, рекао је Котрел. Други објашњавају виши ниво оксидације који се данас види у стенама из плашта сугеришући да је дошло до оксидације или промене између архејских и данашњих. „Наши докази сугеришу да се разлика у нивоима оксидације може објаснити једноставно чињеницом да се Земљин омотач хладио током милијарди година и да више није довољно врућ да производи стене са тако ниским нивоом оксидације.“

Геолошки докази и методологија проучавања

Истраживачки тим, укључујући водећу ауторку студије Сузан Бернер, која је завршила преддокторску стипендију у Националном музеју природне историје и сада је доцент на Береа колеџу у Кентакију, започео је своју истрагу како би разумео везу између чврстог омотача Земље и модерног вулканског стене на морском дну. Истраживачи су започели проучавањем групе стена ископаних са морског дна на два океанска гребена где се тектонске плоче разилазе и плашт се помера на површину и производи нову кору.

Два места са којих су прикупљене проучаване стене, планински ланац Џекил у близини Северног пола и ланац југозападне Индије између Африке и Антарктика, спадају међу најспорије границе тектонских плоча на свету. Спори темпо ширења на овим океанским гребенима значи да су они релативно тихи, вулкански говорећи, у поређењу са брже ширећим вулканским гребенима као што је источнопацифички гребен. То значи да су стене прикупљене са ових гребена који се споро шире вероватно узорци самог плашта.

Крма истраживачког брода Р/В Кнорр на мору 2004. Труп у облику слова А држи огромну металну канту и ланац који се спушта више од 10.000 стопа испод површине океана и вуче дуж морског дна ради прикупљања геолошких узорака. Ауторска права: Емили Ван Арк

Када је тим анализирао стене плашта које су прикупили са ова два гребена, открили су да деле чудна хемијска својства. Прво, стене су се истопиле у много већој мери него што је типично за стене плашта данас. Друго, стене су биле много мање оксидоване од већине других узорака стена плашта.

Да би достигли овај висок степен топљења, истраживачи су закључили да су се стене морало отопити дубоко у земљи на веома високим температурама. Једини период геолошке историје Земље за који се зна да укључује тако високе температуре био је пре између 2,5 и 4 милијарде година током архејског еона. Тако су истраживачи закључили да су се ове стене плашта вероватно истопиле током архејског еона, када је температура унутрашњости планете била између 360 и 540 степени. Ф (200-300 степени Целзијус) топлије него данас.

Висока растворљивост би заштитила ове стене од даљег топљења које би могло да промени њихов хемијски потпис, омогућавајући им да круже у Земљином омотачу милијардама година без значајне промене њихове хемије.

„Ова чињеница сама по себи не доказује ништа, али отвара врата могућности да ови узорци служе као праве геолошке временске капсуле које датирају из архејске ере“, рекао је Котрел.

Научно објашњење и увиди

Да би истражили геохемијске сценарије који би могли да објасне ниске нивое оксидације стена сакупљених у Јацкел Ридгеу и југозападном Индиан Ридгеу, тим је применио више модела на своја мерења. Модели су открили да је низак ниво оксидације који су измерили у својим узорцима вероватно узрокован топљењем под екстремно топлим условима дубоко у Земљи.

Обе линије доказа подржавају тумачење да атипичне особине стена представљају хемијски потпис који је резултат топљења дубоко у Земљи током археја, када је плашт био способан да производи екстремно високе температуре.

Раније су неки геолози тумачили стене плашта са ниским нивоом оксидације као доказ да је архејски омотач мање оксидисан и да је кроз неки механизам постао више оксидован током времена. Предложени механизми оксидације укључују постепено повећање нивоа оксидације услед губитка гасова у свемир, рециклирање древног морског дна субдукцијом и континуирано учешће Земљиног језгра у хемији плашта. Али до сада се заговорници овог гледишта нису сложили ни у једном једином објашњењу.

Уместо тога, нова открића подржавају гледиште да је ниво оксидације у Земљином омотачу био у великој мери константан милијардама година, и да је ниска оксидација виђена у неким узорцима омотача настала у геолошким условима које Земља више не може да произведе јер њен омотач од тада се охладио. Дакле, уместо неког механизма који чини Земљин омотач више оксидирао током милијарди година, а нова студија тврди да су високе температуре у архејској ери чиниле делове плашта мање Пошто се Земљина атмосфера охладила од архејске ере, више није у стању да производи стене са веома ниским нивоом оксидације. Котрел каже да процес хлађења Земљине атмосфере пружа много једноставније објашњење: Земља једноставно више не прави камење као што је то чинила у прошлости.

Котрел и њене колеге сада настоје да боље разумеју геохемијске процесе који су формирали архејске стене плашта Џекил ланца и југозападног индијског ланца симулирајући екстремно високе притиске и температуре пронађене у Археји у лабораторији.

Референца: „Дубоко, вруће, древно топљење забележено екстремно ниском оксигенацијом у перидотиту“ од Сузан К. Бернер, Елизабет Котрел и Фред А. Дејвис и Џесика М. Ворен, 24. јул 2024. природа.
дои: 10.1038/с41586-024-07603-с

Поред Бернера и Коттрела, студију су коаутори Фред Давис са Универзитета Минесота Дулутх и Јессица Варрен са Универзитета Делавер.

Истраживање су подржали Смитсонијан институт и Национална научна фондација.