Egy új tanulmány megkérdőjelezi a köpenyoxidációs elméletet

A Smithsonian tudósai új kutatásokat végeznek ősi „időkapszula” kőzeteken, amelyek legalább 2,5 milliárd éves múltra tekintenek vissza.

A Smithsonian Intézet Nemzeti Természettudományi Múzeumának kutatói új elemzést végeztek a legalább 2,5 milliárd évesnek hitt kőzetekről, amely rávilágít a Föld köpenyének, a bolygó kérge alatti rétegének kémiai történetére. Eredményeik javítják a Föld legrégebbi geológiai folyamatainak megértését, és hozzájárulnak a bolygó geológiai történetével kapcsolatos, régóta tartó tudományos vitához. A tanulmány különösen azt bizonyítja, hogy a Föld köpenyének nagy részének oxidációs állapota stabil maradt a geológiai idők során, megkérdőjelezve más kutatók korábbi állításait a jelentős átalakulásokról.

„Ez a tanulmány többet mond el arról, hogy ez a különleges hely, ahol élünk, hogyan alakult olyanná, amilyen most, egyedülálló felületével és belsejével, amely lehetővé tette az élet és a folyékony víz létezését” – mondta Elizabeth Cottrell, a múzeum ásványtani osztályának vezetője. , a Nemzeti Sziklagyűjtemény kurátora és a tanulmány társszerzője „Ez emberi történetünk része, mert eredetünk a Föld kialakulásához és fejlődéséhez nyúlik vissza.”

A tanulmány a folyóiratban jelent meg természet, a tengerfenékről gyűjtött kőzetcsoportra összpontosít, amely szokatlan geokémiai tulajdonságokkal rendelkezik. Pontosabban, a kőzetek rendkívüli oldódást mutatnak, nagyon alacsony oxidációs szint mellett; Az oxidáció az, amikor kukorica Vagy egy molekula egy vagy több elektront veszít egy kémiai reakció során. További elemzések és modellezések segítségével a kutatók e kőzetek egyedi tulajdonságait felhasználva kimutatták, hogy valószínűleg legalább 2,5 milliárd évre nyúlnak vissza az archeus időszakában. Sőt, az eredmények azt mutatják, hogy a földköpeny általában stabil oxidációs állapotot tartott fenn e kőzetek kialakulása óta, ellentétben azzal, amit más geológusok korábban feltételeztek.

Egy ősi kőzetet vontak ki a tengerfenékből, és tanulmányozta a kutatócsoport. Fotó: Tom Kleindienst

„Az általunk vizsgált ősi kőzetek 10 000-szer kevésbé oxidálódnak, mint a tipikus modern köpenykőzetek, és bizonyítékot szolgáltatunk arra, hogy ez annak köszönhető, hogy az archean korszakban mélyen megolvadtak a Földön, amikor a köpeny melegebb volt, mint manapság” – mondta Cottrell. Mások azzal magyarázzák, hogy a köpenyből származó kőzetekben manapság tapasztalható magasabb oxidációs szintek azt sugallják, hogy az archean és napjaink között oxidáció vagy elváltozás történt. „Bizonyítékaink arra utalnak, hogy az oxidációs szintek különbsége egyszerűen azzal magyarázható, hogy a Föld köpenye évmilliárdok alatt lehűlt, és már nem elég meleg ahhoz, hogy ilyen alacsony oxidációs szintű kőzeteket termeljen.”

Geológiai bizonyítékok és tanulmányi módszertan

A kutatócsoport, köztük a tanulmány vezető szerzője, Susan Berner, aki a Nemzeti Természettudományi Múzeumban végzett predoktori ösztöndíjjal, jelenleg pedig a kentuckyi Berea College adjunktusa, megkezdte a vizsgálatot, hogy megértse a Föld szilárd köpenye és a modern vulkáni vulkáni kapcsolatát. sziklák a tengerfenéken. A kutatók azzal kezdték, hogy tanulmányozták a tengerfenékből kiásott kőzetcsoportot két óceáni gerincen, ahol a tektonikus lemezek szétválnak, és a köpeny a felszínre költözik, és új kérget hoz létre.

A két hely, ahonnan a vizsgált kőzeteket gyűjtötték, az Északi-sark közelében fekvő Jackyll-hegység és az Afrika és az Antarktisz közötti Délnyugat-India-hegység a világ leglassabban terjedő tektonikus lemezhatárai közé tartozik. A lassú terjedési ütem ezeken az óceáni gerinceken azt jelenti, hogy vulkáni szempontból viszonylag csendesek, összehasonlítva a gyorsabban terjedő vulkáni gerincekkel, például a Csendes-óceán keleti hátával. Ez azt jelenti, hogy az ezekről a lassan terjedő gerincekről gyűjtött kőzetek valószínűleg magának a köpenynek a mintái.

Az R/V Knorr kutatóhajó tatja a tengeren 2004-ben. Az A-alakú hajótestben található az óriási fémvödr és lánc, amelyet több mint 10 000 láb mélyre süllyesztenek az óceán felszíne alá, és a tengerfenéken húzzák, hogy geológiai mintákat gyűjtsenek. Copyright: Emily Van Ark

Amikor a csapat elemezte a két gerincről gyűjtött köpenykőzeteket, felfedezték, hogy furcsa kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek. Először is, a kőzetek sokkal nagyobb mértékben olvadtak meg, mint a mai köpenykőzetekre jellemző. Másodszor, a kőzetek sokkal kevésbé oxidáltak, mint a legtöbb más köpenykőzetminta.

Az olvadás ilyen magas fokának eléréséhez a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a kőzeteknek nagyon magas hőmérsékleten kell megolvadniuk a talaj mélyén. A Föld geológiai történetének egyetlen olyan időszaka, amelyről ismert volt ilyen magas hőmérséklet, 2,5 és 4 milliárd évvel ezelőtt volt, az archeai Eon idején. Így a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy ezek a köpenykőzetek valószínűleg az archeai eon során olvadtak meg, amikor a bolygó belsejének hőmérséklete 360 ​​és 540 fok között volt. F (200-300 fok Celsius) melegebb, mint ma.

A jól oldódó kőzetek megvédenék ezeket a további olvadástól, ami megváltoztathatja kémiai jellemzőiket, lehetővé téve számukra, hogy évmilliárdokon keresztül keringjenek a Föld köpenyében anélkül, hogy kémiai összetételük jelentősen megváltozna.

„Ez a tény önmagában nem bizonyít semmit, de megnyitja az ajtót annak lehetőségére, hogy ezek a minták valódi geológiai időkapszulákként szolgálnak, amelyek az archeai korszakból származnak” – mondta Cottrell.

Tudományos magyarázat és meglátások

A Jackel Ridge-en és a Southwest Indian Ridge-en gyűjtött kőzetek alacsony oxidációs szintjét magyarázó geokémiai forgatókönyvek feltárása érdekében a csapat több modellt is alkalmazott mérései során. A modellek kimutatták, hogy a mintáikban mért alacsony oxidációs szintet valószínűleg a rendkívül meleg körülmények között a Föld mélyén lezajló olvadás okozta.

Mindkét bizonyítéksor alátámasztja azt az értelmezést, hogy a kőzetek atipikus tulajdonságai olyan kémiai jelet képviselnek, amely az archean során mélyen a Földön belüli olvadásból ered, amikor a köpeny rendkívül magas hőmérsékletet tudott produkálni.

Korábban egyes geológusok az alacsony oxidációs fokú köpenykőzeteket annak bizonyítékaként értelmezték, hogy az archeai köpeny kevésbé oxidálódott, és bizonyos mechanizmusok révén az idő múlásával jobban oxidálódott. A javasolt oxidációs mechanizmusok közé tartozik az oxidációs szint fokozatos növelése a gázok űrbe kerülése miatt, az ősi tengerfenék szubdukcióval történő újrahasznosítása, valamint a Föld magjának folyamatos bevonása a köpenykémiába. Ám ez idáig ennek a nézetnek a hívei egyetlen magyarázatban sem értettek egyet.

Ehelyett az új eredmények azt a nézetet támasztják alá, hogy a Föld köpenyének oxidációs szintje nagyrészt állandó volt évmilliárdok óta, és hogy az egyes köpenymintákban megfigyelt alacsony oxidáció olyan geológiai körülmények között alakult ki, amelyeket a Föld már nem tud előállítani a köpeny miatt. azóta kihűlt. Tehát valami olyan mechanizmus helyett, amely a Föld köpenyét készíti több évmilliárdok alatt oxidálódott, és az új tanulmány azt állítja, hogy az archean korszak magas hőmérséklete a köpeny egyes részeit alkotta Kevésbé Mivel a Föld légköre az archean korszak óta lehűlt, már nem képes nagyon alacsony oxidációs szintű kőzeteket előállítani. Cottrell szerint a Föld légkörének lehűlési folyamata sokkal egyszerűbb magyarázatot ad: a Föld egyszerűen már nem termel kőzeteket, mint a múltban.

Cottrell és munkatársai most arra törekednek, hogy jobban megértsék azokat a geokémiai folyamatokat, amelyek a Jackyll-hegység és az Indiai-hegység délnyugati részének archeai köpenykőzeteit képezték, az Archaeában található rendkívül magas nyomások és hőmérsékletek laboratóriumi szimulálásával.

Hivatkozás: „Mély, forró, ősi olvadás, amelyet a peridotit rendkívül alacsony oxigéntartalma rögzített”, Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell és Fred A. Davis és Jessica M. Warren, 2024. július 24. természet.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Berner és Cottrell mellett a tanulmány társszerzője Fred Davis, a Minnesota Duluth Egyetem és Jessica Warren, a Delaware Egyetem munkatársa.

A kutatást a Smithsonian Institution és a National Science Foundation támogatta.