Ново изследване оспорва теорията за окисление на мантията

Учени от Смитсониън провеждат ново изследване на древни скали „капсула на времето“, датиращи най-малко от 2,5 милиарда години.

Изследователи от Националния природонаучен музей на Смитсониън проведоха нов анализ на скали, за които се смята, че са на възраст най-малко 2,5 милиарда години, хвърляйки светлина върху химическата история на мантията на Земята, слоя под кората на планетата. Техните открития подобряват разбирането ни за най-старите геоложки процеси на Земята и допринасят за дългогодишен научен дебат относно геоложката история на планетата. По-специално, изследването предоставя доказателства, че степента на окисление на по-голямата част от мантията на Земята е останала стабилна през геоложкото време, оспорвайки предишни твърдения на други изследователи за големи трансформации.

„Това проучване ни казва повече за това как това специално място, в което живеем, е станало такова, каквото е сега, със своята уникална повърхност и вътрешност, които позволяват съществуването на живот и течна вода“, каза Елизабет Котрел, ръководител на отдела по минералогия на музея , куратор на Националната рок колекция и съавтор на изследването „Това е част от нашата история като хора, защото всичките ни корени се връщат към това как се е формирала Земята и как е еволюирала.“

Проучването е публикувано в сп природа, се фокусира върху група скали, събрани от морското дъно, които притежават необичайни геохимични свойства. По-конкретно, скалите показват доказателства за екстремно разтваряне с много ниски нива на окисление; Окисляването е когато царевица Или една молекула губи един или повече електрони в химическа реакция. С помощта на допълнителен анализ и моделиране, изследователите са използвали уникалните свойства на тези скали, за да покажат, че те вероятно датират най-малко от 2,5 милиарда години през архейския период. Нещо повече, резултатите показват, че мантията на Земята като цяло е поддържала стабилно състояние на окисление, откакто са се образували тези скали, за разлика от това, което други геолози са предполагали преди.

Древна скала беше извлечена от морското дъно и изследвана от изследователския екип. Снимка кредит: Tom Kleindienst

„Древните скали, които изследвахме, са 10 000 пъти по-малко окислени от типичните съвременни скали на мантията и ние предоставяме доказателства, че това се дължи на топенето дълбоко в Земята по време на архейската ера, когато мантията е била по-гореща, отколкото е днес“, каза Котрел. Други обясняват по-високите нива на окисление, наблюдавани в скалите от мантията днес, като предполагат, че събитие на окисление или промяна е настъпило между архея и днес. „Нашите доказателства сочат, че разликата в нивата на окисление може да се обясни просто с факта, че мантията на Земята се е охладила в продължение на милиарди години и вече не е достатъчно гореща, за да произвежда скали с толкова ниски нива на окисление.“

Геоложки доказателства и методика на изследване

Изследователският екип, включително водещият автор на изследването Сюзън Бърнър, която е завършила преддокторска стипендия в Националния природонаучен музей и сега е асистент професор в Berea College в Кентъки, започна разследването си, за да разбере връзката между твърдата мантия на Земята и съвременния вулканичен скали на морското дъно. Изследователите започнаха с изучаване на група скали, изкопани от морското дъно на два океански хребета, където тектоничните плочи се разминават и мантията се придвижва към повърхността и произвежда нова кора.

Двете места, от които са събрани изследваните скали, планинската верига Джакил близо до Северния полюс и веригата Югозападна Индия между Африка и Антарктика, са сред най-бавно разпространяващите се граници на тектонични плочи в света. Бавният темп на разпространение при тези океански хребети означава, че те са сравнително тихи, вулканично казано, в сравнение с по-бързо разпространяващите се вулканични хребети като Източнотихоокеанския хребет. Това означава, че скалите, събрани от тези бавно разпространяващи се хребети, вероятно са проби от самата мантия.

Кърмата на изследователския кораб R/V Knorr в морето през 2004 г. А-образният корпус държи гигантската метална кофа и верига, която се спуска на повече от 10 000 фута под повърхността на океана и се влачи по морското дъно, за да се съберат геоложки проби. Авторско право: Емили Ван Арк

Когато екипът анализира скалите на мантията, които събраха от тези два хребета, те откриха, че те споделят странни химични свойства. Първо, скалите са се стопили в много по-голяма степен, отколкото е типично за скалите на мантията днес. Второ, скалите са много по-малко окислени от повечето други проби от скали на мантията.

За да достигнат тази висока степен на топене, изследователите заключиха, че скалите трябва да са се разтопили дълбоко в земята при много високи температури. Единственият период от геоложката история на Земята, за който е известно, че включва такива високи температури, е бил преди между 2,5 и 4 милиарда години по време на архейския еон. По този начин изследователите заключават, че тези скали на мантията вероятно са се стопили по време на архейския еон, когато температурата във вътрешността на планетата е била между 360 и 540 градуса. Е (200-300 градуса Целзий) по-горещ от днес.

Това, че са силно разтворими, ще предпази тези скали от по-нататъшно топене, което може да промени химическия им подпис, позволявайки им да циркулират в мантията на Земята милиарди години, без да променят значително химията си.

„Този ​​факт сам по себе си не доказва нищо, но отваря вратата към възможността тези проби да служат като реални геоложки капсули на времето, датиращи от архейската ера“, каза Котрел.

Научно обяснение и прозрения

За да проучи геохимичните сценарии, които биха могли да обяснят ниските нива на окисление на скалите, събрани в Jackel Ridge и югозападния Indian Ridge, екипът приложи множество модели към своите измервания. Моделите разкриват, че ниските нива на окисление, които измерват в техните проби, вероятно са причинени от топене при изключително горещи условия дълбоко в Земята.

И двете линии на доказателства подкрепят тълкуването, че нетипичните свойства на скалите представляват химическа характеристика, произтичаща от топенето дълбоко в Земята по време на Архея, когато мантията е била в състояние да произвежда изключително високи температури.

Преди това някои геолози тълкуваха скалите на мантията с ниски нива на окисление като доказателство, че архейската мантия е била по-малко окислена и че чрез някакъв механизъм е станала по-окислена с течение на времето. Предложените механизми на окисление включват постепенно увеличаване на нивата на окисляване поради загуба на газове в космоса, рециклиране на древното морско дъно чрез субдукция и продължаващо участие на ядрото на Земята в химията на мантията. Но досега привържениците на тази гледна точка не са се съгласили с нито едно обяснение.

Вместо това новите открития подкрепят мнението, че нивото на окисление в земната мантия е до голяма степен постоянно в продължение на милиарди години и че ниското окисление, наблюдавано в някои проби от мантията, е възникнало при геоложки условия, които Земята вече не може да произвежда, тъй като нейната мантия оттогава се охлади. Така че, вместо някакъв механизъм, който прави мантията на Земята Повече ▼ окислени в продължение на милиарди години, а новото изследване твърди, че високите температури в архейската ера са направили части от мантията по-малко Тъй като атмосферата на Земята се е охладила след архейската ера, тя вече не е в състояние да произвежда скали с много ниски нива на окисление. Котрел казва, че процесът на охлаждане на земната атмосфера дава много по-просто обяснение: Земята просто вече не прави скали, както е правила в миналото.

Котрел и нейните колеги сега се стремят да разберат по-добре геохимичните процеси, които са формирали архейските скали на мантията на веригата Джакил и югозападната индийска верига, като симулират изключително високото налягане и температури, открити в археите в лабораторията.

Справка: „Дълбоко, горещо, древно топене, регистрирано чрез изключително ниска оксигенация в перидотит“ от Сюзън К. Бърнър, Елизабет Котрел и Фред А. Дейвис и Джесика М. Уорън, 24 юли 2024 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Освен Бърнър и Котрел, съавтори на изследването са Фред Дейвис от Университета на Минесота Дулут и Джесика Уорън от Университета на Делауеър.

Изследването е подкрепено от института Смитсониън и Националната научна фондация.