Een nieuwe studie daagt de manteloxidatietheorie uit

Smithsonian wetenschappers voeren nieuw onderzoek uit naar oude ‘tijdcapsule’-gesteenten, die minstens 2,5 miljard jaar oud zijn.

Onderzoekers van het Smithsonian’s National Museum of Natural History hebben een nieuwe analyse uitgevoerd van gesteenten waarvan wordt aangenomen dat ze minstens 2,5 miljard jaar oud zijn, wat licht werpt op de chemische geschiedenis van de aardmantel, de laag onder de aardkorst. Hun bevindingen vergroten ons begrip van de oudste geologische processen op aarde en dragen bij aan een al lang bestaand wetenschappelijk debat over de geologische geschiedenis van de planeet. De studie levert met name het bewijs dat de oxidatietoestand van het grootste deel van de aardmantel stabiel is gebleven gedurende de geologische tijd, wat eerdere beweringen van andere onderzoekers over grote transformaties in twijfel trekt.

“Deze studie vertelt ons meer over hoe deze bijzondere plek waarin we leven is ontstaan ​​zoals hij nu is, met zijn unieke oppervlak en interieur waardoor leven en vloeibaar water konden bestaan”, zegt Elizabeth Cottrell, hoofd van de afdeling Mineralogie van het museum. , curator van de National Rock Collection en co-auteur van het onderzoek: “Het maakt deel uit van ons verhaal als mens, omdat onze oorsprong allemaal teruggaat tot hoe de aarde werd gevormd en hoe deze evolueerde.”

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift natuur, richt zich op een groep rotsen verzameld van de zeebodem die ongebruikelijke geochemische eigenschappen bezitten. Concreet vertonen de rotsen tekenen van extreme oplossing met zeer lage oxidatieniveaus; Oxidatie is wanneer maïs Of een molecuul verliest één of meer elektronen bij een chemische reactie. Met behulp van aanvullende analyses en modellen gebruikten de onderzoekers de unieke eigenschappen van deze rotsen om aan te tonen dat ze waarschijnlijk minstens 2,5 miljard jaar oud zijn tijdens de Archeïsche periode. Bovendien laten de resultaten zien dat de aardmantel over het algemeen een stabiele oxidatietoestand heeft behouden sinds de vorming van deze gesteenten, in tegenstelling tot wat andere geologen eerder hadden aangenomen.

Een oud gesteente werd uit de zeebodem gehaald en bestudeerd door het onderzoeksteam. Fotocredit: Tom Kleindienst

“De oude rotsen die we hebben bestudeerd zijn 10.000 keer minder geoxideerd dan typische moderne mantelgesteenten, en we leveren bewijs dat dit te wijten is aan het smelten diep in de aarde tijdens het Archeïsche tijdperk, toen de mantel heter was dan nu”, zegt Cottrell. Anderen verklaren de hogere niveaus van oxidatie die tegenwoordig in gesteenten uit de mantel worden waargenomen door te suggereren dat er tussen het Archeïcum en vandaag een oxidatie- of veranderingsgebeurtenis heeft plaatsgevonden. “Ons bewijs suggereert dat het verschil in oxidatieniveaus eenvoudigweg kan worden verklaard door het feit dat de aardmantel gedurende miljarden jaren is afgekoeld en niet langer heet genoeg is om gesteenten met zulke lage oxidatieniveaus te produceren.”

Geologisch bewijs en studiemethodologie

Het onderzoeksteam, waaronder hoofdonderzoeksauteur Susan Berner, die een predoctorale fellowship voltooide aan het National Museum of Natural History en nu assistent-professor is aan het Berea College in Kentucky, begon hun onderzoek om de relatie tussen de vaste mantel van de aarde en de moderne vulkanische aardmantel te begrijpen. rotsen op de zeebodem. De onderzoekers begonnen met het bestuderen van een groep rotsen die uit de zeebodem waren opgegraven op twee oceaanruggen waar tektonische platen divergeren en de mantel naar de oppervlakte beweegt en nieuwe korst produceert.

De twee plaatsen waar de bestudeerde rotsen werden verzameld, het Jackyll-gebergte nabij de Noordpool en de Zuidwest-Indiase bergketen tussen Afrika en Antarctica, behoren tot de langzaamst verspreidende tektonische plaatgrenzen ter wereld. Het langzame tempo van de voortplanting op deze oceanische ruggen betekent dat ze, vulkanisch gesproken, relatief rustig zijn, vergeleken met zich sneller verspreidende vulkanische ruggen zoals de East Pacific Ridge. Dit betekent dat gesteenten verzameld uit deze zich langzaam verspreidende bergkammen waarschijnlijk monsters zijn van de mantel zelf.

De achtersteven van het onderzoeksschip R/V Knorr op zee in 2004. De A-vormige romp bevat de gigantische metalen bak en ketting die meer dan 3.000 meter onder het oceaanoppervlak wordt neergelaten en over de zeebodem wordt gesleept om geologische monsters te verzamelen. Auteursrecht: Emily Van Ark

Toen het team de mantelgesteenten analyseerde die ze op deze twee ruggen hadden verzameld, ontdekten ze dat ze vreemde chemische eigenschappen gemeen hadden. Ten eerste waren de rotsen in veel grotere mate gesmolten dan tegenwoordig typisch is voor mantelgesteenten. Ten tweede waren de rotsen veel minder geoxideerd dan de meeste andere monsters van mantelgesteenten.

Om deze hoge mate van smelten te bereiken, concludeerden de onderzoekers dat de rotsen bij zeer hoge temperaturen diep in de grond moeten zijn gesmolten. De enige periode in de geologische geschiedenis van de aarde waarvan bekend is dat deze zulke hoge temperaturen kende, was tussen 2,5 en 4 miljard jaar geleden, tijdens de Archeïsche Eon. De onderzoekers concludeerden dus dat deze mantelgesteenten waarschijnlijk smolten tijdens de Archeïsche Eon, toen de temperatuur in het binnenste van de planeet tussen de 360 ​​en 540 graden lag. F (200-300 graden Celsius) heter dan nu.

Omdat ze zeer oplosbaar zijn, zouden deze gesteenten worden beschermd tegen verder smelten, waardoor hun chemische signatuur zou kunnen veranderen, waardoor ze miljarden jaren in de aardmantel zouden kunnen circuleren zonder hun chemie significant te veranderen.

“Dit feit alleen bewijst niets, maar het opent de deur voor de mogelijkheid dat deze monsters dienen als echte geologische tijdcapsules die teruggaan tot het Archeïsche tijdperk,” zei Cottrell.

Wetenschappelijke uitleg en inzichten

Om geochemische scenario’s te onderzoeken die de lage oxidatieniveaus van gesteenten verzameld bij Jackel Ridge en de zuidwestelijke Indian Ridge zouden kunnen verklaren, heeft het team meerdere modellen op hun metingen toegepast. Uit de modellen bleek dat de lage oxidatieniveaus die ze in hun monsters maten waarschijnlijk werden veroorzaakt door smelten onder extreem hete omstandigheden diep in de aarde.

Beide bewijslijnen hebben de interpretatie ondersteund dat de atypische eigenschappen van de rotsen een chemische signatuur vertegenwoordigen die het gevolg is van het smelten diep in de aarde tijdens het Archean, toen de mantel extreem hoge temperaturen kon veroorzaken.

Voorheen interpreteerden sommige geologen mantelgesteenten met een laag oxidatieniveau als bewijs dat de Archeïsche mantel minder geoxideerd was en dat deze door een of ander mechanisme in de loop van de tijd meer geoxideerd was geworden. Voorgestelde oxidatiemechanismen omvatten een geleidelijke toename van het oxidatieniveau als gevolg van het verlies van gassen in de ruimte, recycling van de oude zeebodem door subductie en voortdurende betrokkenheid van de kern van de aarde bij de mantelchemie. Maar tot nu toe zijn de voorstanders van deze visie het over geen enkele verklaring eens geworden.

In plaats daarvan ondersteunen de nieuwe bevindingen de opvatting dat het oxidatieniveau in de aardmantel al miljarden jaren grotendeels constant is, en dat de lage oxidatie die in sommige mantelmonsters wordt waargenomen, ontstond onder geologische omstandigheden die de aarde niet langer kan produceren omdat de mantel is sindsdien afgekoeld. Dus in plaats van een mechanisme dat de aardmantel maakt meer gedurende miljarden jaren geoxideerd, en de nieuwe studie beweert dat hoge temperaturen in het Archeïsche tijdperk delen van de mantel hebben gemaakt minder Omdat de atmosfeer van de aarde sinds het Archeïsche tijdperk is afgekoeld, is deze niet langer in staat gesteenten met een zeer laag oxidatieniveau te produceren. Cottrell zegt dat het afkoelingsproces van de atmosfeer van de aarde een veel eenvoudigere verklaring biedt: de aarde maakt eenvoudigweg geen rotsen meer zoals in het verleden.

Cottrell en haar collega’s proberen nu de geochemische processen die de Archean-mantelrotsen van de Jackyll Range en de zuidwestelijke Indian Range hebben gevormd, beter te begrijpen door de extreem hoge drukken en temperaturen in de Archaea in het laboratorium te simuleren.

Referentie: “Diep, heet, eeuwenoud smelten geregistreerd door extreem lage zuurstofvoorziening in peridotiet” door Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell en Fred A. Davis en Jessica M. Warren, 24 juli 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Naast Berner en Cottrell was de studie mede-auteur van Fred Davis van de Universiteit van Minnesota Duluth en Jessica Warren van de Universiteit van Delaware.

Het onderzoek werd ondersteund door het Smithsonian Institution en de National Science Foundation.