Nová studie zpochybňuje teorii oxidace pláště

Smithsonianští vědci provádějí nový výzkum starověkých hornin „časových kapslí“, pocházejících nejméně 2,5 miliardy let.

Vědci z Národního přírodovědného muzea Smithsonian Institution provedli novou analýzu hornin, o nichž se předpokládá, že jsou staré nejméně 2,5 miliardy let, a osvětlily tak chemickou historii zemského pláště, vrstvy pod zemskou kůrou. Jejich nálezy zlepšují naše chápání nejstarších geologických procesů na Zemi a přispívají k dlouhodobé vědecké debatě o geologické historii planety. Je pozoruhodné, že studie poskytuje důkaz, že oxidační stav většiny zemského pláště zůstal stabilní po geologický čas, což zpochybňuje předchozí tvrzení jiných výzkumníků o velkých transformacích.

„Tato studie nám říká více o tom, jak se toto zvláštní místo, ve kterém žijeme, stalo takovým, jakým je nyní, s jeho jedinečným povrchem a interiérem, které umožnily existenci života a kapalné vody,“ řekla Elizabeth Cottrell, vedoucí oddělení mineralogie muzea. , kurátorka National Rock Collection a spoluautorka studie „Je to součást našeho lidského příběhu, protože naše počátky sahají až k tomu, jak byla Země formována a jak se vyvíjela.“

Studie byla publikována v časopise Příroda, se zaměřuje na skupinu hornin shromážděných z mořského dna, které mají neobvyklé geochemické vlastnosti. Konkrétně horniny vykazují známky extrémního rozpouštění s velmi nízkou úrovní oxidace; Oxidace je kdy kukuřice Nebo molekula ztratí jeden nebo více elektronů v chemické reakci. S pomocí dodatečné analýzy a modelování vědci použili jedinečné vlastnosti těchto hornin, aby ukázali, že pravděpodobně pocházejí z doby archeanské doby nejméně 2,5 miliardy let. Výsledky navíc ukazují, že zemský plášť si od vzniku těchto hornin obecně udržoval stabilní oxidační stav, na rozdíl od toho, co dříve předpokládali jiní geologové.

Z mořského dna byla vytěžena prastará skála a výzkumný tým ji studoval. Fotografický kredit: Tom Kleindienst

„Starověké horniny, které jsme studovali, jsou 10 000krát méně oxidované než typické moderní horniny v plášti a poskytujeme důkazy, že je to způsobeno táním hluboko v Zemi během archejské éry, kdy byl plášť teplejší než dnes,“ řekl Cottrell. Jiní vysvětlují vyšší úrovně oxidace pozorované v dnešních horninách z pláště tím, že naznačují, že mezi Archeanem a dneškem došlo k oxidaci nebo změně. „Naše důkazy naznačují, že rozdíl v úrovních oxidace lze vysvětlit jednoduše tím, že zemský plášť se během miliard let ochladil a již není dostatečně horký, aby produkoval horniny s tak nízkou úrovní oxidace.“

Geologická evidence a metodologie studia

Výzkumný tým, včetně hlavní autorky studie Susan Berner, která absolvovala předdoktorské stipendium v ​​Národním přírodovědném muzeu a nyní je odborným asistentem na Berea College v Kentucky, zahájil výzkum, aby porozuměl vztahu mezi pevným zemským pláštěm a moderním sopečným polem. skály na mořském dně. Vědci začali studiem skupiny hornin vykopaných z mořského dna na dvou oceánských hřbetech, kde se tektonické desky rozcházejí a plášť se pohybuje na povrch a vytváří novou kůru.

Dvě místa, ze kterých byly studované horniny shromážděny, pohoří Jackyll poblíž severního pólu a pohoří jihozápadní Indie mezi Afrikou a Antarktidou, patří mezi nejpomaleji se šířící hranice tektonických desek na světě. Pomalé tempo šíření v těchto oceánských hřbetech znamená, že jsou relativně tiché, vulkanicky řečeno, ve srovnání s rychleji se šířícími vulkanickými hřbety, jako je East Pacific Ridge. To znamená, že horniny shromážděné z těchto pomalu se šířících hřebenů jsou pravděpodobně vzorky samotného pláště.

Záď výzkumného plavidla R/V Knorr na moři v roce 2004. Trup ve tvaru písmene A drží obří kovové vědro a řetěz, který je spuštěn více než 10 000 stop pod hladinu oceánu a tažen po mořském dně za účelem sběru geologických vzorků. Copyright: Emily Van Ark

Když tým analyzoval horniny pláště, které shromáždili z těchto dvou hřebenů, zjistili, že sdílejí podivné chemické vlastnosti. Za prvé, horniny se roztavily v mnohem větší míře, než je dnes pro plášťové horniny typické. Za druhé, horniny byly mnohem méně oxidované než většina ostatních vzorků plášťových hornin.

K dosažení tohoto vysokého stupně tání vědci dospěli k závěru, že horniny se musely roztavit hluboko v zemi při velmi vysokých teplotách. Jediné období geologické historie Země, o kterém je známo, že zahrnuje tak vysoké teploty, bylo před 2,5 až 4 miliardami let během Archean Eon. Vědci tedy dospěli k závěru, že tyto horniny pláště pravděpodobně tály během Archean Eon, kdy se teplota nitra planety pohybovala mezi 360 a 540 stupni. F (200-300 stupňů Celsia) teplejší než dnes.

Vysoká rozpustnost by tyto horniny ochránila před dalším táním, které by mohlo změnit jejich chemický podpis, což by jim umožnilo cirkulovat v zemském plášti miliardy let, aniž by se výrazně změnilo jejich chemické složení.

„Tato skutečnost sama o sobě nic nedokazuje, ale otevírá dveře možnosti, že tyto vzorky slouží jako skutečné geologické časové kapsle pocházející z doby Archea,“ řekl Cottrell.

Vědecké vysvětlení a poznatky

Aby tým prozkoumal geochemické scénáře, které by mohly vysvětlit nízké úrovně oxidace hornin shromážděných v Jackel Ridge a jihozápadním Indian Ridge, použil pro svá měření několik modelů. Modely odhalily, že nízké úrovně oxidace, které naměřili ve svých vzorcích, byly pravděpodobně způsobeny táním za extrémně horkých podmínek hluboko uvnitř Země.

Obě linie důkazů podpořily interpretaci, že atypické vlastnosti hornin představují chemický podpis vyplývající z tání hluboko v Zemi během Archeanu, kdy byl plášť schopen produkovat extrémně vysoké teploty.

Dříve někteří geologové interpretovali horniny pláště s nízkou úrovní oxidace jako důkaz, že archejský plášť byl méně oxidován a že nějakým mechanismem se postupem času více oxidoval. Navrhované oxidační mechanismy zahrnují postupné zvyšování úrovně oxidace kvůli ztrátě plynů do vesmíru, recyklaci starověkého mořského dna subdukcí a pokračující zapojení zemského jádra do chemie pláště. Ale zatím se zastánci tohoto názoru neshodli na žádném jediném vysvětlení.

Místo toho nové poznatky podporují názor, že úroveň oxidace v zemském plášti je do značné míry konstantní po miliardy let a že nízká oxidace pozorovaná v některých vzorcích pláště vznikla za geologických podmínek, které Země již nemůže produkovat, protože její plášť od té doby se ochladilo. Tedy místo nějakého mechanismu, který tvoří zemský plášť více oxidovaly po miliardy let a nová studie tvrdí, že vysoké teploty v archaické éře vytvořily části pláště méně Vzhledem k tomu, že se zemská atmosféra od dob Archeanů ochladila, již není schopna produkovat horniny s velmi nízkou úrovní oxidace. Cottrell říká, že proces ochlazování zemské atmosféry poskytuje mnohem jednodušší vysvětlení: Země už prostě nevytváří kameny, jako tomu bylo v minulosti.

Cottrell a její kolegové se nyní snaží lépe porozumět geochemickým procesům, které vytvořily horniny Archean plášťů pohoří Jackyll Range a jihozápadní oblasti Indian Range, simulací extrémně vysokých tlaků a teplot nalezených v Archaea v laboratoři.

Reference: „Hluboké, horké, starověké tání zaznamenané extrémně nízkým okysličením v peridotitu“ od Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell a Fred A. Davis a Jessica M. Warren, 24. července 2024, Příroda.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Kromě Bernera a Cottrella se na studii podíleli Fred Davis z University of Minnesota Duluth a Jessica Warren z University of Delaware.

Výzkum podpořily Smithsonian Institution a National Science Foundation.