Smithsonian mokslininkai atlieka naujus senovės „laiko kapsulės“ uolienų tyrimus, kurių amžius siekia mažiausiai 2,5 mlrd.

Smithsonian instituto Nacionalinio gamtos istorijos muziejaus tyrėjai atliko naują uolienų, kurios, kaip manoma, senumo mažiausiai 2,5 milijardo metų, analizę, atskleidžiančią Žemės mantijos, sluoksnio, esančio po planetos pluta, cheminę istoriją. Jų išvados pagerina mūsų supratimą apie seniausius Žemės geologinius procesus ir prisideda prie ilgalaikių mokslinių diskusijų apie planetos geologinę istoriją. Pažymėtina, kad tyrimas pateikia įrodymų, kad daugumos Žemės mantijos oksidacijos būsena per geologinį laiką išliko stabili, o tai ginčija ankstesnius kitų tyrinėtojų teiginius apie didelius pokyčius.

„Šis tyrimas mums pasakoja daugiau apie tai, kaip ši ypatinga vieta, kurioje gyvename, tapo tokia, kokia ji yra dabar, su unikaliu paviršiumi ir interjeru, leidžiančiu egzistuoti gyvybei ir skystam vandeniui“, – sakė muziejaus mineralogijos skyriaus vadovė Elizabeth Cottrell. Nacionalinės uolų kolekcijos kuratorius ir tyrimo bendraautoris: „Tai mūsų, kaip žmonių, istorijos dalis, nes visos mūsų ištakos siekia, kaip susiformavo Žemė ir kaip ji vystėsi.

Tyrimas buvo paskelbtas žurnale gamta, sutelktas į grupę uolienų, surinktų iš jūros dugno, turinčių neįprastų geocheminių savybių. Konkrečiai, uolienos pasižymi dideliu tirpimu ir labai mažu oksidacijos lygiu; Oksidacija yra tada, kai kukurūzai Arba molekulė cheminės reakcijos metu praranda vieną ar daugiau elektronų. Papildomos analizės ir modeliavimo pagalba mokslininkai panaudojo unikalias šių uolienų savybes, kad parodytų, jog Archean laikotarpiu jos greičiausiai datuojamos mažiausiai 2,5 milijardo metų. Be to, rezultatai rodo, kad Žemės mantija iš esmės išlaikė stabilią oksidacijos būseną nuo šių uolienų susidarymo, priešingai nei anksčiau manė kiti geologai.

Iš jūros dugno buvo ištraukta senovinė uola, kurią tyrinėjo tyrėjų komanda. Nuotraukų kreditas: Tom Kleindienst

„Senovės uolienos, kurias tyrinėjome, yra 10 000 kartų mažiau oksiduotos nei įprastos šiuolaikinės mantijos uolienos, ir mes pateikiame įrodymų, kad taip yra dėl giliai Žemės tirpimo Archeano eroje, kai mantija buvo karštesnė nei šiandien“, – sakė Cottrellas. Kiti aiškina didesnį oksidacijos lygį uolienose iš mantijos šiandien teigdami, kad tarp Archeano ir šiandien įvyko oksidacijos ar pakitimų įvykis. „Mūsų įrodymai rodo, kad oksidacijos lygių skirtumą galima paaiškinti tiesiog tuo, kad Žemės mantija atvėso per milijardus metų ir nebėra pakankamai karšta, kad susidarytų tokio žemo oksidacijos lygio uolienos.

Geologiniai įrodymai ir tyrimo metodika

Tyrėjų komanda, įskaitant pagrindinę tyrimo autorę Susan Berner, baigusią ikidoktorantūrą Nacionaliniame gamtos istorijos muziejuje ir dabar dirbančią Berea koledžo Kentukio docente, pradėjo tyrimą, kad suprastų ryšį tarp kietos Žemės mantijos ir šiuolaikinio ugnikalnio. uolos jūros dugne. Tyrėjai pradėjo tyrinėdami grupę uolienų, iškastų iš jūros dugno dviejuose vandenyno kalnagūbriuose, kur skiriasi tektoninės plokštės, o mantija juda į paviršių ir sukuria naują plutą.

Dvi vietos, iš kurių buvo surinktos tirtos uolienos, – Džekilo kalnų grandinė netoli Šiaurės ašigalio ir Pietvakarių Indijos grandinė tarp Afrikos ir Antarktidos – yra vienos lėčiausiai plintančių tektoninių plokščių ribų pasaulyje. Lėtas plitimo tempas šiuose vandenyno kalnagūbriuose reiškia, kad jie yra gana tylūs, vulkaniškai kalbant, palyginti su greičiau plintančiais ugnikalnių kalnagūbriais, tokiais kaip Rytų Ramiojo vandenyno kalnagūbris. Tai reiškia, kad iš šių lėtai plintančių keterų surinktos uolienos yra tikėtini pačios mantijos pavyzdžiai.

Tyrimų laivo R/V Knorr laivagalis jūroje 2004 m. A formos korpuse yra milžiniškas metalinis kaušas ir grandinė, nuleista daugiau nei 10 000 pėdų žemiau vandenyno paviršiaus ir tempiama jūros dugnu geologiniams pavyzdžiams rinkti. Autoriaus teisės: Emily Van Ark

Kai komanda išanalizavo mantijos uolienas, kurias jie surinko iš šių dviejų keterų, jie atrado, kad jie turi keistų cheminių savybių. Pirma, uolos ištirpo daug daugiau, nei būdinga šiandieninėms mantijos uolienoms. Antra, uolienos buvo daug mažiau oksiduotos nei dauguma kitų mantijos uolienų pavyzdžių.

Kad pasiektų šį aukštą lydymosi laipsnį, mokslininkai padarė išvadą, kad uolos turėjo ištirpti giliai žemėje esant labai aukštai temperatūrai. Vienintelis žinomas Žemės geologinės istorijos laikotarpis, apėmęs tokias aukštas temperatūras, buvo prieš 2,5–4 milijardus metų archeaninio eono metu. Taigi mokslininkai padarė išvadą, kad šios mantijos uolienos greičiausiai ištirpo Archean Eon metu, kai planetos vidaus temperatūra buvo nuo 360 iki 540 laipsnių. F (200-300 laipsnių Celsijaus) karščiau nei šiandien.

Kadangi uolienos yra labai tirpios, šios uolienos būtų apsaugotos nuo tolesnio tirpimo, dėl kurio gali pasikeisti jų cheminis požymis, todėl jie gali cirkuliuoti Žemės mantijoje milijardus metų, reikšmingai nepakeisdami jų chemijos.

„Vien šis faktas nieko neįrodo, tačiau atveria duris galimybei, kad šie pavyzdžiai tarnauja kaip tikros geologinės laiko kapsulės, kilusios iš Archean eros“, – sakė Cottrellas.

Mokslinis paaiškinimas ir įžvalgos

Norėdami ištirti geocheminius scenarijus, galinčius paaiškinti žemą Jackel Ridge ir pietvakarių Indian Ridge surinktų uolienų oksidacijos lygį, komanda savo matavimams taikė kelis modelius. Modeliai atskleidė, kad žemą oksidacijos lygį, kurį jie išmatavo savo mėginiuose, greičiausiai sukėlė lydymasis itin karštomis sąlygomis giliai Žemėje.

Abu įrodymai patvirtino aiškinimą, kad netipiškos uolienų savybės yra cheminis požymis, atsirandantis dėl lydymosi giliai Žemėje Archeano metu, kai mantija galėjo sukelti ypač aukštą temperatūrą.

Anksčiau kai kurie geologai mantijos uolienas su mažu oksidacijos lygiu aiškino kaip įrodymą, kad Archean mantija buvo mažiau oksiduota ir dėl tam tikrų mechanizmų laikui bėgant ji labiau oksidavosi. Siūlomi oksidacijos mechanizmai apima laipsnišką oksidacijos lygio didėjimą dėl dujų praradimo į erdvę, senovės jūros dugno perdirbimą subdukcijos būdu ir nuolatinį Žemės branduolio įsitraukimą į mantijos chemiją. Tačiau iki šiol šios nuomonės šalininkai nesutarė dėl vieno paaiškinimo.

Vietoj to, nauji atradimai patvirtina nuomonę, kad oksidacijos lygis Žemės mantijoje iš esmės buvo pastovus milijardus metų ir kad kai kuriuose mantijos pavyzdžiuose pastebėta žema oksidacija atsirado geologinėmis sąlygomis, kurių Žemė nebegali gaminti dėl savo mantijos. nuo to laiko atvėso. Taigi, vietoj kažkokio mechanizmo, kuris sukuria Žemės mantiją daugiau oksidavosi per milijardus metų, o naujajame tyrime teigiama, kad aukšta temperatūra Archeano eroje sudarė mantijos dalis. mažiau Kadangi Žemės atmosfera nuo Archean eros atvėso, ji nebegali gaminti uolienų su labai mažu oksidacijos lygiu. Cottrellas teigia, kad Žemės atmosferos aušinimo procesas pateikia daug paprastesnį paaiškinimą: Žemė paprasčiausiai nebekuria uolienų, kaip darė anksčiau.

Cottrell ir jos kolegos dabar siekia geriau suprasti geocheminius procesus, kurie suformavo Jackyll kalnagūbrio ir pietvakarių Indijos kalnagūbrio archeanines mantijos uolienas, laboratorijoje modeliuodami itin aukštą slėgį ir temperatūrą, rastą Archėjoje.

Nuoroda: Susan K. „Gilus, karštas, senovinis tirpimas, užfiksuotas dėl ypač mažo deguonies kiekio peridotite“. Berneris, Elizabeth Cottrell ir Fredas A. Davisas ir Jessica M. Vorenas, 2024 m. liepos 24 d. gamta.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Be Bernerio ir Cottrell, tyrimo bendraautoriai buvo Fredas Davisas iš Minesotos Duluth universiteto ir Jessica Warren iš Delavero universiteto.

Tyrimą palaikė Smithsonian institutas ir Nacionalinis mokslo fondas.