Μια νέα μελέτη αμφισβητεί τη θεωρία της οξείδωσης του μανδύα

Οι επιστήμονες του Smithsonian διεξάγουν νέα έρευνα σε αρχαίους βράχους «χρονοκάψουλα», που χρονολογούνται τουλάχιστον 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.

Ερευνητές στο Εθνικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας του Ινστιτούτου Smithsonian διεξήγαγαν μια νέα ανάλυση πετρωμάτων που πιστεύεται ότι είναι τουλάχιστον 2,5 δισεκατομμυρίων ετών, ρίχνοντας φως στη χημική ιστορία του μανδύα της Γης, το στρώμα κάτω από τον φλοιό του πλανήτη. Τα ευρήματά τους ενισχύουν την κατανόησή μας για τις παλαιότερες γεωλογικές διεργασίες της Γης και συμβάλλουν σε μια μακροχρόνια επιστημονική συζήτηση σχετικά με τη γεωλογική ιστορία του πλανήτη. Συγκεκριμένα, η μελέτη παρέχει στοιχεία ότι η κατάσταση οξείδωσης του μεγαλύτερου μέρους του μανδύα της Γης έχει παραμείνει σταθερή κατά τη διάρκεια του γεωλογικού χρόνου, αμφισβητώντας προηγούμενες δηλώσεις άλλων ερευνητών σχετικά με σημαντικούς μετασχηματισμούς.

«Αυτή η μελέτη μας λέει περισσότερα για το πώς αυτό το ιδιαίτερο μέρος στο οποίο ζούμε έγινε όπως είναι τώρα, με τη μοναδική επιφάνεια και το εσωτερικό του που επέτρεψαν την ύπαρξη ζωής και υγρού νερού», δήλωσε η Elizabeth Cottrell, επικεφαλής του Τμήματος Ορυκτολογίας του μουσείου. επιμελητής της National Rock Collection και συν-συγγραφέας της μελέτης «Αποτελεί μέρος της ιστορίας μας ως ανθρώπων, επειδή η προέλευσή μας πηγαίνει πίσω στο πώς σχηματίστηκε η Γη και πώς εξελίχθηκε».

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό φύση, επικεντρώνεται σε μια ομάδα πετρωμάτων που συλλέγονται από τον πυθμένα της θάλασσας που διαθέτουν ασυνήθιστες γεωχημικές ιδιότητες. Συγκεκριμένα, τα πετρώματα παρουσιάζουν ενδείξεις ακραίας διάλυσης με πολύ χαμηλά επίπεδα οξείδωσης. Οξείδωση είναι όταν καλαμπόκι Ή ένα μόριο χάνει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια σε μια χημική αντίδραση. Με τη βοήθεια πρόσθετης ανάλυσης και μοντελοποίησης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τις μοναδικές ιδιότητες αυτών των πετρωμάτων για να δείξουν ότι πιθανότατα χρονολογούνται πριν από τουλάχιστον 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια κατά την αρχαϊκή περίοδο. Επιπλέον, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο μανδύας της Γης διατηρεί γενικά μια σταθερή κατάσταση οξείδωσης από τότε που σχηματίστηκαν αυτά τα πετρώματα, σε αντίθεση με ό,τι άλλοι γεωλόγοι είχαν προηγουμένως υποθέσει.

Ένας αρχαίος βράχος εξήχθη από τον βυθό της θάλασσας και μελετήθηκε από την ερευνητική ομάδα. Φωτογραφία: Tom Kleindienst

«Τα αρχαία πετρώματα που μελετήσαμε είναι 10.000 φορές λιγότερο οξειδωμένα από τα τυπικά σύγχρονα πετρώματα του μανδύα και παρέχουμε αποδείξεις ότι αυτό οφείλεται στην τήξη βαθιά μέσα στη Γη κατά την αρχαϊκή εποχή, όταν ο μανδύας ήταν πιο ζεστός από ό,τι είναι σήμερα», είπε ο Cottrell. Άλλοι εξηγούν τα υψηλότερα επίπεδα οξείδωσης που παρατηρούνται σε πετρώματα από τον μανδύα σήμερα υποδηλώνοντας ότι ένα γεγονός οξείδωσης ή αλλοίωσης συνέβη μεταξύ του Αρχαίου και του σήμερα. «Τα στοιχεία μας δείχνουν ότι η διαφορά στα επίπεδα οξείδωσης μπορεί να εξηγηθεί απλώς από το γεγονός ότι ο μανδύας της Γης έχει κρυώσει επί δισεκατομμύρια χρόνια και δεν είναι πλέον αρκετά ζεστός για να παράγει πετρώματα με τόσο χαμηλά επίπεδα οξείδωσης».

Γεωλογικά στοιχεία και μεθοδολογία μελέτης

Η ερευνητική ομάδα, συμπεριλαμβανομένης της επικεφαλής συγγραφέα της μελέτης Susan Berner, η οποία ολοκλήρωσε μια προδιδακτορική υποτροφία στο Εθνικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας και τώρα είναι επίκουρος καθηγητής στο Berea College στο Κεντάκι, ξεκίνησε την έρευνά της για να κατανοήσει τη σχέση μεταξύ του συμπαγούς μανδύα της Γης και του σύγχρονου ηφαιστειακού βράχους στον πυθμένα της θάλασσας. Οι ερευνητές ξεκίνησαν μελετώντας μια ομάδα πετρωμάτων που είχαν ανασκαφεί από τον πυθμένα της θάλασσας σε δύο ωκεάνιες κορυφογραμμές όπου οι τεκτονικές πλάκες αποκλίνουν και ο μανδύας μετακινείται στην επιφάνεια και δημιουργεί νέο φλοιό.

Τα δύο μέρη από τα οποία συλλέχθηκαν τα πετρώματα που μελετήθηκαν, η οροσειρά Jackyll κοντά στον Βόρειο Πόλο και η Οροσειρά της Νοτιοδυτικής Ινδίας μεταξύ Αφρικής και Ανταρκτικής, είναι από τα πιο αργά διαδεδομένα όρια τεκτονικών πλακών στον κόσμο. Ο αργός ρυθμός διάδοσης σε αυτές τις ωκεάνιες κορυφογραμμές σημαίνει ότι είναι σχετικά ήσυχες, ηφαιστειακά μιλώντας, σε σύγκριση με τις ταχύτερα εξαπλούμενες ηφαιστειακές κορυφογραμμές, όπως η κορυφογραμμή του Ανατολικού Ειρηνικού. Αυτό σημαίνει ότι οι βράχοι που συλλέγονται από αυτές τις ράχες που εξαπλώνονται αργά είναι πιθανά δείγματα του ίδιου του μανδύα.

Η πρύμνη του ερευνητικού σκάφους R/V Knorr στη θάλασσα το 2004. Η γάστρα σχήματος Α κρατά τον γιγάντιο μεταλλικό κουβά και την αλυσίδα που είναι χαμηλωμένη πάνω από 10.000 πόδια κάτω από την επιφάνεια του ωκεανού και σέρνεται κατά μήκος του πυθμένα της θάλασσας για τη συλλογή γεωλογικών δειγμάτων. Πνευματικά δικαιώματα: Emily Van Ark

Όταν η ομάδα ανέλυσε τα πετρώματα του μανδύα που συνέλεξαν από αυτές τις δύο κορυφογραμμές, ανακάλυψαν ότι μοιράζονταν παράξενες χημικές ιδιότητες. Πρώτον, τα πετρώματα είχαν λιώσει σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό από ό,τι είναι τυπικό για τα πετρώματα του μανδύα σήμερα. Δεύτερον, τα πετρώματα ήταν πολύ λιγότερο οξειδωμένα από τα περισσότερα άλλα δείγματα πετρωμάτων του μανδύα.

Για να φτάσουν σε αυτόν τον υψηλό βαθμό τήξης, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα πετρώματα πρέπει να είχαν λιώσει βαθιά στο έδαφος σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Η μόνη περίοδος της γεωλογικής ιστορίας της Γης που είναι γνωστό ότι περιλαμβάνει τόσο υψηλές θερμοκρασίες ήταν μεταξύ 2,5 και 4 δισεκατομμυρίων ετών πριν από τον Αρχαίο Αιώνα. Έτσι, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι αυτοί οι βράχοι του μανδύα πιθανότατα έλιωσαν κατά τη διάρκεια του Αρχαίου Αιώνα, όταν η θερμοκρασία του εσωτερικού του πλανήτη ήταν μεταξύ 360 και 540 βαθμών. φά (200-300 μοίρες Κελσίου) πιο ζεστό από ό,τι είναι σήμερα.

Το να είναι εξαιρετικά διαλυτά θα προστατεύσει αυτά τα πετρώματα από περαιτέρω τήξη που θα μπορούσε να αλλάξει τη χημική τους υπογραφή, επιτρέποντάς τους να κυκλοφορούν στον μανδύα της Γης για δισεκατομμύρια χρόνια χωρίς να αλλάξουν σημαντικά τη χημεία τους.

«Αυτό το γεγονός από μόνο του δεν αποδεικνύει τίποτα, αλλά ανοίγει την πόρτα στην πιθανότητα αυτά τα δείγματα να χρησιμεύσουν ως πραγματικές γεωλογικές χρονοκάψουλες που χρονολογούνται από την αρχαϊκή εποχή», είπε ο Cottrell.

Επιστημονική εξήγηση και γνώσεις

Για να διερευνήσει γεωχημικά σενάρια που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τα χαμηλά επίπεδα οξείδωσης των πετρωμάτων που συλλέχθηκαν στο Jackel Ridge και στο νοτιοδυτικό Indian Ridge, η ομάδα εφάρμοσε πολλά μοντέλα στις μετρήσεις τους. Τα μοντέλα αποκάλυψαν ότι τα χαμηλά επίπεδα οξείδωσης που μέτρησαν στα δείγματά τους πιθανότατα προκλήθηκαν από την τήξη κάτω από εξαιρετικά θερμές συνθήκες βαθιά μέσα στη Γη.

Και οι δύο σειρές αποδεικτικών στοιχείων έχουν υποστηρίξει την ερμηνεία ότι οι άτυπες ιδιότητες των πετρωμάτων αντιπροσωπεύουν μια χημική υπογραφή που προκύπτει από την τήξη βαθιά μέσα στη Γη κατά τη διάρκεια της Αρχαιότητας, όταν ο μανδύας ήταν ικανός να παράγει εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.

Προηγουμένως, ορισμένοι γεωλόγοι ερμήνευσαν τα πετρώματα του μανδύα με χαμηλά επίπεδα οξείδωσης ως απόδειξη ότι ο μανδύας των Αρχαίων ήταν λιγότερο οξειδωμένος και ότι μέσω κάποιου μηχανισμού είχε οξειδωθεί περισσότερο με την πάροδο του χρόνου. Οι προτεινόμενοι μηχανισμοί οξείδωσης περιλαμβάνουν σταδιακή αύξηση των επιπέδων οξείδωσης λόγω απώλειας αερίων στο διάστημα, ανακύκλωση του αρχαίου θαλάσσιου πυθμένα με καταβύθιση και συνεχή συμμετοχή του πυρήνα της Γης στη χημεία του μανδύα. Αλλά μέχρι στιγμής, οι υποστηρικτές αυτής της άποψης δεν έχουν συμφωνήσει σε καμία εξήγηση.

Αντίθετα, τα νέα ευρήματα υποστηρίζουν την άποψη ότι το επίπεδο οξείδωσης στον μανδύα της Γης ήταν σε μεγάλο βαθμό σταθερό για δισεκατομμύρια χρόνια και ότι η χαμηλή οξείδωση που παρατηρήθηκε σε ορισμένα δείγματα μανδύα προέκυψε κάτω από γεωλογικές συνθήκες που η Γη δεν μπορεί πλέον να παράγει επειδή ο μανδύας της έκτοτε έχει κρυώσει. Έτσι, αντί για κάποιο μηχανισμό που φτιάχνει τον μανδύα της Γης περισσότερο οξειδώθηκε σε δισεκατομμύρια χρόνια και η νέα μελέτη ισχυρίζεται ότι οι υψηλές θερμοκρασίες στην αρχαϊκή εποχή έκαναν μέρη του μανδύα πιο λιγο Επειδή η ατμόσφαιρα της Γης έχει ψυχθεί από την εποχή των Αρχαίων, δεν είναι πλέον σε θέση να παράγει πετρώματα με πολύ χαμηλά επίπεδα οξείδωσης. Ο Cottrell λέει ότι η διαδικασία ψύξης της ατμόσφαιρας της Γης παρέχει μια πολύ απλούστερη εξήγηση: η Γη απλά δεν παράγει πέτρες όπως στο παρελθόν.

Η Cottrell και οι συνεργάτες της επιδιώκουν τώρα να κατανοήσουν καλύτερα τις γεωχημικές διεργασίες που σχημάτισαν τα πετρώματα του αρχαίου μανδύα της οροσειράς Jackyll και της νοτιοδυτικής Ινδικής οροσειράς, προσομοιώνοντας τις εξαιρετικά υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες που βρέθηκαν στην Αρχαία στο εργαστήριο.

Αναφορά: «Deep, Hot, Ancient Melting Recorded by Extremely Low Oxygenation in Peridotite» από τη Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell και Fred A. Ντέιβις και Τζέσικα Μ. Warren, 24 Ιουλίου 2024, φύση.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Εκτός από τον Berner και τον Cottrell, η μελέτη ήταν από κοινού από τον Fred Davis από το Πανεπιστήμιο της Minnesota Duluth και την Jessica Warren από το Πανεπιστήμιο του Delaware.

Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Ίδρυμα Smithsonian και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.