Nová štúdia spochybňuje teóriu oxidácie plášťa

Smithsonovskí vedci vykonávajú nový výskum starých „časových kapsulí“ hornín, ktoré sú staré 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, ktoré poskytujú prehľad o chemickej histórii 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 veľkej časti zemského plášťa zostal stabilný počas geologického času, čo spochybňuje predchádzajúce tvrdenia iných výskumníkov o veľkých zmenách.

„Táto štúdia nám hovorí viac o tom, ako sa zvláštne miesto, v ktorom žijeme, stalo takým, aké je,“ povedala Elizabeth Cottrell, predsedníčka oddelenia mineralógie múzea, kurátorka Národnej zbierky hornín a spoluautorka štúdie. Jedinečný povrch a vnútro umožnili existenciu života a tekutej vody.“ „Je to súčasť nášho ľudského príbehu, pretože náš pôvod je spojený s tým, ako sa Zem formovala a vyvíjala.“

Štúdia publikovaná v časopise PrírodaSústreďuje sa na skupinu hornín zozbieraných z morského dna, ktoré majú nezvyčajné geochemické vlastnosti. To znamená, že horniny vykazujú známky extrémneho topenia s veľmi nízkou úrovňou oxidácie; K oxidácii dochádza, keď a atóm Pri chemickej reakcii molekula stratí jeden alebo viac elektrónov. S pomocou dodatočnej analýzy a modelovania výskumníci použili jedinečné vlastnosti týchto hornín, aby ukázali, že pravdepodobne pochádzajú z obdobia najmenej 2,5 miliardy rokov počas Archean Eon. Okrem toho zistenia naznačujú, že zemský plášť si od vzniku týchto hornín celkovo udržiava stabilný oxidačný stav, na rozdiel od teórií, ktoré predtým uviedli iní geológovia.

Starodávna skala vykopaná z morského dna a skúmaná výskumným tímom. Poďakovanie: Tom Kleindienst

„Staroveké horniny, ktoré sme študovali, sú 10 000-krát menej oxidované ako typické moderné horniny z plášťa a predkladáme dôkaz, že je to preto, že boli roztavené hlboko v Zemi počas archeanu,“ povedal Cottrell, keď bol plášť oveľa teplejší ako dnes. “ „Iní výskumníci sa pokúsili vysvetliť vyššie úrovne oxidácie pozorované v horninách z dnešného plášťa tým, že navrhli, že medzi archejským a dnešným obdobím došlo k oxidačnej udalosti alebo zmene. Naše dôkazy naznačujú, že rozdiel v úrovniach oxidácie nemožno vysvetliť jednoducho týmto „Toto môže možno vysvetliť skutočnosťou, že zemský plášť sa v priebehu miliárd rokov ochladil a už nie je dostatočne horúci na to, aby produkoval horniny s takou nízkou úrovňou oxidácie.“

Geologické dôkazy a metodológia štúdia

Výskumný tím – ktorého súčasťou je vedúca autorka štúdie Suzanne Birner, ktorá absolvovala preddoktorandské štipendium v ​​Národnom múzeu prírodnej histórie a teraz je asistentkou na Berea College v Kentucky – študoval vzťah medzi pevným zemským plášťom a moderným vulkanickým dnom oceánu. skaly začal svoje vyšetrovanie, aby pochopil vzťah. Vedci začali štúdiom skupiny hornín, ktoré boli vyťažené z oceánskeho dna na dvoch oceánskych chrbtoch, kde sa rozširujú tektonické platne a na povrchu sa pohybuje plášť a vytvára novú kôru.

Dve miesta, z ktorých boli zozbierané skúmané horniny, hrebeň Gakkal neďaleko severného pólu a hrebeň juhozápadnej Indie medzi Afrikou a Antarktídou, sú dve z najpomalšie sa pohybujúcich hraníc tektonických platní na svete. Pomalé tempo šírenia v týchto oceánskych chrbtoch znamená, že sú vulkanicky relatívne tiché, zatiaľ čo rýchlo sa šíriace hrebene vyplnené sopkami, ako napríklad vzostup východného Pacifiku, sú relatívne tiché. To znamená, že horniny zozbierané z týchto pomaly sa šíriacich hrebeňov sú s väčšou pravdepodobnosťou vzorkami plášťa.

Korma výskumného plavidla R/V Knorr na mori v roku 2004. V štruktúre A-rámu sa nachádza obrie kovové a reťazové vedro, ktoré je spustené viac ako 10 000 stôp pod hladinu oceánu a ťahané cez oceánske dno, aby sa zozbierali geologické vzorky. Poďakovanie: Emily Van Ark

Keď tím analyzoval horniny plášťa zozbierané z týchto dvoch hrebeňov, zistili, že majú spoločné zvláštne chemické vlastnosti. Po prvé, horniny boli oveľa roztavenejšie, ako je dnes zemský plášť. Po druhé, horniny boli oveľa menej oxidované ako väčšina ostatných vzoriek zemského plášťa.

Vedci usúdili, že na dosiahnutie takého vysokého stupňa topenia sa horniny museli roztopiť pri veľmi vysokých teplotách hlboko v Zemi. Jediné obdobie v geologickej histórii Zeme, ktoré zahŕňalo také vysoké teploty, bolo počas Archean Eon, pred 2,5 až 4 miliardami rokov. Výsledkom je, že vedci špekulujú, že tieto horniny plášťa sa museli roztopiť počas Archeanu, keď teploty vo vnútri planéty dosahovali 360-540 stupňov Celzia. Fahrenheita (200-300 stupňov Celzia) je teplejšie ako dnes.

Extrémne roztavené horniny by boli chránené pred ďalším tavením, pretože by to mohlo zmeniť ich chemickú povahu, čo by im umožnilo cirkulovať v zemskom plášti miliardy rokov bez akejkoľvek významnej zmeny v ich chemickom zložení.

„Tento fakt sám osebe nič nedokazuje,“ povedal Cottrell. „To však ukazuje, že tieto vzorky sú skutočnými geologickými časovými kapsulami z Archeanu.“

Vedecké vysvetlenie a náhľad

Na preskúmanie geochemických scenárov, ktoré by mohli vysvetliť nízke úrovne oxidácie hornín zozbieraných v Gakkal Ridge a Southwest Indian Ridge, tím použil niekoľko modelov na svoje merania. Model ukázal, že nízke úrovne oxidácie namerané v ich vzorkách by mohli byť spôsobené topením v extrémne horúcich podmienkach hlboko v Zemi.

Oba dôkazy podporujú interpretáciu, že nezvyčajné vlastnosti hornín odrážajú chemické vlastnosti vyplývajúce z topenia hlboko v Zemi počas archeanského obdobia, keď plášť mohol vytvárať extrémne vysoké teploty.

Predtým niektorí geológovia interpretovali horniny plášťa s nízkou úrovňou oxidácie ako dôkaz, že plášť Archaean Zeme bol menej oxidovaný a že nejakým mechanizmom sa časom viac oxidoval. Navrhované oxidačné mechanizmy zahŕňajú postupné zvyšovanie úrovní oxidácie v dôsledku straty plynov vo vesmíre, recykláciu starého morského dna subdukciou a pokračujúce zapojenie zemského jadra do geochémie plášťa. Zástancovia tohto názoru sa však dodnes nezhodli na jedinom vysvetlení.

Namiesto toho nové zistenia podporujú názor, že úroveň oxidácie zemského plášťa zostala do značnej miery stabilná po miliardy rokov a že nízka oxidácia pozorovaná v niektorých vzorkách plášťa sa vytvorila v geologických podmienkach, ktoré Zem už nedokáže vytvoriť jeho plášť vychladol. Preto skôr ako akýkoľvek mechanizmus, ktorý tvorí zemský plášť Viac Nová štúdia tvrdí, že v dôsledku oxidácie počas miliárd rokov, vysokých teplôt archejských oxidovaných častí plášťa Menej Oxidovaný. Keďže sa zemský plášť od archeanu ochladil, už nemôže vytvárať horniny s veľmi nízkou úrovňou oxidácie. Cottrell povedal, že proces ochladzovania plášťa planéty ponúka veľmi jednoduché vysvetlenie: Zem už netvorí horniny ako kedysi.

Cottrell a jeho kolegovia sa teraz pokúšajú lepšie porozumieť geochemickým procesom, ktoré formovali skaly archeského plášťa z Gakkel Ridge a Southwest Indian Ridge. Na tento účel v laboratóriu simulujú extrémne vysoké tlaky a teploty nachádzajúce sa v Archeane.

Odkaz: „Hlboké, horúce, staroveké topenie zaznamenané ultranízkym kyslíkom fugasi v peridotitoch“ Suzanne K. Birner, Elizabeth Cottrell, Fred A. Autori Davis a Jessica M. Warrenovci, 24. júla 2024 Príroda,
DOI: 10.1038/s41586-024-07603-w

Spoluautormi štúdie boli okrem Birnera a Cottrella aj Fred Davis z University of Minnesota Duluth a Jessica Warren z University of Delaware.

Tento výskum podporili Smithsonian a National Science Foundation.