Новое исследование бросает вызов теории мантийного окисления

Ученые Смитсоновского института проводят новые исследования древних камней-капсул времени, возраст которых составляет не менее 2,5 миллиардов лет.

Исследователи из Национального музея естественной истории Смитсоновского института провели новый анализ горных пород, возраст которых, как полагают, составляет не менее 2,5 миллиардов лет, проливая свет на химическую историю мантии Земли, слоя под корой планеты. Их результаты расширяют наше понимание древнейших геологических процессов на Земле и способствуют давним научным дебатам относительно геологической истории планеты. Примечательно, что исследование предоставляет доказательства того, что степень окисления большей части мантии Земли оставалась стабильной на протяжении геологического времени, что бросает вызов предыдущим утверждениям других исследователей о крупных преобразованиях.

«Это исследование расскажет нам больше о том, как это особое место, в котором мы живем, стало таким, какое оно есть сейчас, с его уникальной поверхностью и интерьером, которые позволили существовать жизни и жидкой воде», — сказала Элизабет Коттрелл, руководитель отдела минералогии музея. , куратор Национальной коллекции камней и соавтор исследования: «Это часть нашей человеческой истории, потому что все наше происхождение восходит к тому, как сформировалась Земля и как она развивалась».

Исследование опубликовано в журнале природа, фокусируется на группе камней, собранных со дна моря и обладающих необычными геохимическими свойствами. В частности, в горных породах наблюдаются признаки сильного растворения с очень низким уровнем окисления; Окисление – это когда кукуруза Или молекула теряет один или несколько электронов в химической реакции. С помощью дополнительного анализа и моделирования исследователи использовали уникальные свойства этих пород, чтобы показать, что они, вероятно, датируются по меньшей мере 2,5 миллиардами лет назад, в архейский период. Более того, результаты показывают, что мантия Земли в целом поддерживала стабильную степень окисления с момента образования этих пород, в отличие от того, что ранее предполагали другие геологи.

Древняя скала была извлечена со дна моря и изучена исследовательской группой. Фото предоставлено: Том Кляйндиенст

«Древние породы, которые мы изучали, в 10 000 раз менее окислены, чем типичные современные породы мантии, и мы предоставляем доказательства того, что это связано с плавлением глубоко в недрах Земли во время архейской эры, когда мантия была более горячей, чем сегодня», — сказал Коттрелл. Другие объясняют более высокие уровни окисления, наблюдаемые сегодня в породах мантии, предполагая, что событие окисления или изменения произошло между археем и сегодняшним днем. «Наши данные свидетельствуют о том, что разницу в уровнях окисления можно объяснить просто тем фактом, что мантия Земли остыла за миллиарды лет и уже не достаточно горячая, чтобы образовывать породы с такими низкими уровнями окисления».

Геологические данные и методология исследования

Исследовательская группа, в которую входит ведущий автор исследования Сьюзан Бернер, которая закончила докторантуру в Национальном музее естественной истории и в настоящее время является доцентом в колледже Береа в Кентукки, начала свое исследование, чтобы понять взаимосвязь между твердой мантией Земли и современными вулканическими образованиями. камни на морском дне. Исследователи начали с изучения группы камней, извлеченных из морского дна на двух океанских хребтах, где тектонические плиты расходятся, а мантия поднимается на поверхность и образует новую кору.

Два места, из которых были собраны изученные породы, — горный хребет Джекилл возле Северного полюса и юго-западный Индийский хребет между Африкой и Антарктидой — относятся к числу самых медленно распространяющихся границ тектонических плит в мире. Медленный темп распространения этих океанических хребтов означает, что они относительно тихие, с вулканической точки зрения, по сравнению с быстро распространяющимися вулканическими хребтами, такими как Восточно-Тихоокеанский хребет. Это означает, что камни, собранные с этих медленно спрединговых хребтов, скорее всего, являются образцами самой мантии.

Корма научно-исследовательского судна «Кнорр» в море в 2004 году. А-образный корпус удерживает гигантское металлическое ведро и цепь, которую опускают на глубину более 10 000 футов под поверхность океана и тащат по морскому дну для сбора геологических проб. Авторское право: Эмили Ван Арк

Когда команда проанализировала мантийные породы, собранные ими на этих двух хребтах, они обнаружили, что они имеют общие странные химические свойства. Во-первых, породы расплавились в гораздо большей степени, чем это характерно для сегодняшних мантийных пород. Во-вторых, породы были гораздо менее окислены, чем большинство других образцов мантийных пород.

Чтобы достичь такой высокой степени плавления, исследователи пришли к выводу, что камни должны были плавиться глубоко в земле при очень высоких температурах. Единственный известный период геологической истории Земли, включавший такие высокие температуры, был между 2,5 и 4 миллиардами лет назад во время архейского эона. Таким образом, исследователи пришли к выводу, что эти мантийные породы, вероятно, расплавились во время архейского эона, когда температура недр планеты составляла от 360 до 540 градусов. Ф (200-300 градусов Цельсия) жарче, чем сегодня.

Высокая растворимость защитит эти породы от дальнейшего плавления, которое может изменить их химическую подпись, позволяя им циркулировать в мантии Земли в течение миллиардов лет без существенного изменения их химического состава.

«Сам по себе этот факт ничего не доказывает, но открывает возможность того, что эти образцы служат настоящими геологическими капсулами времени, относящимися к архейской эпохе», — сказал Коттрелл.

Научное объяснение и идеи

Чтобы изучить геохимические сценарии, которые могли бы объяснить низкие уровни окисления горных пород, собранных на хребте Джакел и на юго-западе Индийского хребта, команда применила к своим измерениям несколько моделей. Модели показали, что низкие уровни окисления, которые они измеряли в своих образцах, вероятно, были вызваны плавлением в чрезвычайно жарких условиях глубоко под Землей.

Обе линии доказательств подтверждают интерпретацию того, что атипичные свойства пород представляют собой химический признак, возникший в результате плавления глубоко в недрах Земли во время архея, когда мантия была способна создавать чрезвычайно высокие температуры.

Ранее некоторые геологи интерпретировали мантийные породы с низким уровнем окисления как свидетельство того, что архейская мантия была менее окислена и что по какому-то механизму она со временем стала более окисленной. Предлагаемые механизмы окисления включают постепенное повышение уровня окисления из-за потери газов в космос, переработку древнего морского дна путем субдукции и продолжающееся участие ядра Земли в химии мантии. Но до сих пор сторонники этой точки зрения не пришли к единому мнению.

Вместо этого новые результаты подтверждают мнение о том, что уровень окисления в мантии Земли был в основном постоянным в течение миллиардов лет, и что низкий уровень окисления, наблюдаемый в некоторых образцах мантии, возник в геологических условиях, которые Земля больше не может производить, поскольку ее мантия с тех пор остыл. Итак, вместо какого-то механизма, создающего мантию Земли более окислялись в течение миллиардов лет, и новое исследование утверждает, что высокие температуры в архейскую эпоху сделали части мантии меньше Поскольку атмосфера Земли остыла с архейской эры, она больше не может производить породы с очень низким уровнем окисления. Коттрелл говорит, что процесс охлаждения земной атмосферы дает гораздо более простое объяснение: Земля просто больше не производит камни, как это было в прошлом.

Коттрелл и ее коллеги сейчас стремятся лучше понять геохимические процессы, которые сформировали архейские мантийные породы хребта Джекил и юго-западного Индийского хребта, моделируя чрезвычайно высокие давления и температуры, обнаруженные в архее в лаборатории.

Ссылка: «Глубокое, горячее, древнее плавление, зафиксированное при чрезвычайно низкой оксигенации в перидотите», Сьюзан К. Бернер, Элизабет Коттрелл и Фред А. Дэвис и Джессика М. Уоррен, 24 июля 2024 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Помимо Бернера и Коттрелла, соавторами исследования выступили Фред Дэвис из Университета Миннесоты в Дулуте и Джессика Уоррен из Университета Делавэра.

Исследование было поддержано Смитсоновским институтом и Национальным научным фондом.