Cienki kawałek starożytnych skał zebranych z grzbietu Gakkel w pobliżu bieguna północnego, sfotografowany pod mikroskopem i oglądany w świetle spolaryzowanym krzyżowo. Szerokość pola ~14mm. Analizowanie skał w cienkim przekroju pomaga geologom identyfikować i charakteryzować minerały w skale. Analizy ujawniają informacje na temat składu mineralnego, tekstury i historii skały, np. sposobu jej powstania i wszelkich późniejszych zmian, jakim uległa. Naukowcy wykorzystują identyfikację i skład chemiczny minerałów zawartych w tych starożytnych skałach płaszcza Ziemi, aby określić warunki topnienia tych skał. Źródło: E. Cottrell, Smithsonian
Naukowcy ze Smithsonian prowadzą nowe badania nad starożytnymi skałami będącymi „kapsułami czasu” sprzed co najmniej 2,5 miliarda lat.
Naukowcy z Narodowego Muzeum Historii Naturalnej Smithsonian przeprowadzili nową analizę skał, których wiek szacuje się na co najmniej 2,5 miliarda lat, rzucając światło na historię chemiczną płaszcza Ziemi, warstwy pod skorupą planety. Ich odkrycia pogłębiają naszą wiedzę na temat najwcześniejszych procesów geologicznych Ziemi i przyczyniają się do długotrwałej debaty naukowej na temat historii geologicznej planety. Warto zauważyć, że badanie dostarcza dowodów na to, że stopień utlenienia większości płaszcza Ziemi pozostaje stabilny w czasie geologicznym, co podważa wcześniejsze twierdzenia innych badaczy na temat głównych przemian.
„To badanie mówi nam więcej o tym, jak to wyjątkowe miejsce, w którym żyjemy, stało się takie, jakie jest, z wyjątkową powierzchnią i wnętrzem, które umożliwiło istnienie życia i wody w stanie ciekłym” – powiedziała Elizabeth Cottrell, kierownik działu ds. mineraloznawstwa, kurator National Rock Collection i współautor opracowania. „To część naszej ludzkiej historii, ponieważ całe nasze pochodzenie ma swoje korzenie w tym, jak powstała Ziemia i jak ewoluowała”.
Badanie opublikowane w czasopiśmie Natura, skupiający się na grupie skał zebranych z dna morskiego, które posiadały niezwykłe właściwości geochemiczne. Mianowicie skały wykazują oznaki skrajnego stopienia przy bardzo niskim poziomie utlenienia; utlenianie ma miejsce, gdy atom lub cząsteczka traci jeden lub więcej elektronów w reakcji chemicznej. Za pomocą dodatkowych analiz i modelowania naukowcy wykorzystali unikalne właściwości tych skał, aby wykazać, że prawdopodobnie powstały co najmniej 2,5 miliarda lat temu, w eonie archaiku. Co więcej, odkrycia pokazują, że płaszcz Ziemi ogólnie zachował stabilny stopień utlenienia od czasu powstania tych skał, w przeciwieństwie do wcześniejszych teorii innych geologów.
Starożytna skała wydobyta z dna morskiego i zbadana przez zespół badawczy. Źródło: Tom Kleindinst
„Starożytne skały, które badaliśmy, są 10 000 razy mniej utlenione niż typowe współczesne skały płaszcza i przedstawiamy dowody na to, że dzieje się tak dlatego, że stopiły się głęboko w Ziemi w okresie archaiku, kiedy płaszcz był znacznie gorętszy niż obecnie” – powiedział Cottrell. „Inni badacze próbowali wyjaśnić wyższy poziom utlenienia obserwowany w skałach dzisiejszego płaszcza, sugerując, że między Archaikiem a dniem dzisiejszym miało miejsce wydarzenie lub zmiana utleniania. Nasze dowody sugerują, że różnicę w poziomach utlenienia można po prostu wytłumaczyć faktem, że płaszcz Ziemi ochładzał się przez miliardy lat i nie jest już wystarczająco gorący, aby wytworzyć skały o tak niskim stopniu utlenienia”.
Dowody geologiczne i metodologia badań
Zespół badawczy – w tym główna autorka badania Suzanne Birner, która odbyła staż przeddoktorski w Narodowym Muzeum Historii Naturalnej, a obecnie jest adiunktem w Berea College w Kentucky – rozpoczął badania, aby zrozumieć związek między stałym płaszczem Ziemi a współczesnym dnem morskim skały wulkaniczne. Naukowcy rozpoczęli od zbadania grupy skał wydobytych z dna morskiego w dwóch grzbietach oceanicznych, gdzie płyty tektoniczne rozdzielają się, a płaszcz unosi się na powierzchnię i tworzy nową skorupę.
Dwa miejsca, z których pobrano badane skały, grzbiet Gakkel w pobliżu bieguna północnego i południowo-zachodni grzbiet indyjski pomiędzy Afryką a Antarktydą, to dwie z najwolniej rozprzestrzeniających się granic płyt tektonicznych na świecie. Powolne tempo rozprzestrzeniania się na tych grzbietach oceanicznych oznacza, że są one stosunkowo ciche, mówiąc wulkanicznie, w porównaniu z szybciej rozprzestrzeniającymi się grzbietami usianymi wulkanami, takimi jak Wschód Wschodniego Pacyfiku. Oznacza to, że skały zebrane z tych wolno rozprzestrzeniających się grzbietów to najprawdopodobniej próbki samego płaszcza.
Rufa statku badawczego R/V Knorr na morzu w 2004 r. Konstrukcja w kształcie litery A podtrzymuje gigantyczną metalową łyżkę z łańcuchem, którą opuszcza się na głębokość ponad 3000 metrów pod powierzchnię oceanu i ciągnie po dnie morskim w celu pobrania próbek geologicznych . Źródło: Emily Van Ark
Kiedy zespół przeanalizował skały płaszcza zebrane z tych dwóch grzbietów, odkrył, że mają one wspólne dziwne właściwości chemiczne. Po pierwsze, skały uległy stopieniu w znacznie większym stopniu, niż jest to typowe dla dzisiejszego płaszcza Ziemi. Po drugie, skały były znacznie mniej utlenione niż większość innych próbek płaszcza Ziemi.
Aby osiągnąć tak wysoki stopień stopienia, naukowcy doszli do wniosku, że skały musiały stopić się głęboko w Ziemi w bardzo wysokich temperaturach. Jedyny okres w historii geologicznej Ziemi, o którym wiadomo, że obejmował tak wysokie temperatury, przypadał na okres od 2,5 do 4 miliardów lat temu, w eonie archaiku. W rezultacie naukowcy wywnioskowali, że skały płaszcza mogły stopić się w okresie archaiku, kiedy wnętrze planety miało temperaturę 360–540 stopni Fahrenheita (200–300 stopni Celsjusz) cieplej niż dzisiaj.
Tak ekstremalne stopienie chroniłoby te skały przed dalszym topnieniem, które mogłoby zmienić ich sygnaturę chemiczną, umożliwiając im krążenie w płaszczu Ziemi przez miliardy lat bez znaczącej zmiany ich składu chemicznego.
„Sam ten fakt niczego nie dowodzi” – stwierdził Cottrell. „Ale to otwiera drzwi do tego, że te próbki są prawdziwymi geologicznymi kapsułami czasu z Archaanu”.
Interpretacja naukowa i spostrzeżenia
Aby zbadać scenariusze geochemiczne, które mogą wyjaśnić niski poziom utlenienia skał zebranych w Gakkel Ridge i Southwest Indian Ridge, zespół zastosował do swoich pomiarów wiele modeli. Modele wykazały, że niski poziom utlenienia zmierzony w próbkach mógł być spowodowany topnieniem w niezwykle gorących warunkach głęboko w Ziemi.
Obydwa dowody potwierdzają interpretację, że nietypowe właściwości skał stanowią chemiczny ślad stopienia się w głębi Ziemi w okresie archaiku, kiedy płaszcz mógł wytwarzać niezwykle wysokie temperatury.
Wcześniej niektórzy geolodzy interpretowali skały płaszcza o niskim poziomie utlenienia jako dowód na to, że płaszcz Ziemi Archaiku był mniej utleniony i że w wyniku jakiegoś mechanizmu z biegiem czasu stał się bardziej utleniony. Proponowane mechanizmy utleniania obejmują stopniowy wzrost poziomów utleniania w wyniku utraty gazów do przestrzeni kosmicznej, recykling starego dna morskiego w drodze subdukcji oraz ciągły udział jądra Ziemi w geochemii płaszcza. Jednak jak dotąd zwolennicy tego poglądu nie zjednoczyli się wokół żadnego wyjaśnienia.
Zamiast tego nowe odkrycia potwierdzają pogląd, że poziom utlenienia płaszcza Ziemi utrzymuje się w dużej mierze na stałym poziomie od miliardów lat oraz że niski stopień utlenienia obserwowany w niektórych próbkach płaszcza powstał w warunkach geologicznych, których Ziemia nie jest już w stanie wytworzyć, ponieważ jej płaszcz od tego czasu ostygł. Zamiast jakiegoś mechanizmu tworzącego płaszcz Ziemi więcej utlenione przez miliardy lat, nowe badania dowodzą, że wysokie temperatury Archaiku spowodowały, że części płaszcza mniej utleniony. Ponieważ płaszcz Ziemi ostygł od czasów Archaiku, nie może już wytwarzać skał o bardzo niskim poziomie utlenienia. Cottrell powiedział, że proces ochładzania się płaszcza planety daje znacznie prostsze wyjaśnienie: Ziemia po prostu nie wytwarza skał tak jak kiedyś.
Cottrell i jej współpracownicy starają się obecnie lepiej zrozumieć procesy geochemiczne, które ukształtowały skały płaszcza archaiku z Gakkel Ridge i południowo-zachodniego grzbietu indyjskiego, symulując w laboratorium ekstremalnie wysokie ciśnienia i temperatury występujące w Archaiku.
Odniesienie: „Głębokie, gorące, starożytne topnienie zarejestrowane przez ultraniską lotność tlenu w perydotytach” Suzanne K. Birner, Elizabeth Cottrell, Fred A. Davis i Jessica M. Warren, 24 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07603-w
Oprócz Birnera i Cottrella współautorami badania byli Fred Davis z University of Minnesota Duluth i Jessica Warren z University of Delaware.
Badania były wspierane przez Smithsonian i National Science Foundation.
