Yeni bir çalışma manto oksidasyon teorisine meydan okuyor

Smithsonian bilim adamları, en az 2,5 milyar yıl öncesine ait antik “zaman kapsülü” kayaları üzerinde yeni araştırmalar yürütüyorlar.

Smithsonian Ulusal Doğa Tarihi Müzesi’ndeki araştırmacılar, en az 2,5 milyar yaşında olduğuna inanılan kayalar üzerinde yeni bir analiz yaparak, gezegenin kabuğunun altındaki katman olan Dünya’nın mantosunun kimyasal geçmişine ışık tuttu. Bulguları, Dünya’nın en eski jeolojik süreçlerine ilişkin anlayışımızı geliştiriyor ve gezegenin jeolojik tarihine ilişkin uzun süredir devam eden bilimsel tartışmalara katkıda bulunuyor. Özellikle çalışma, Dünya’nın mantosunun çoğunun oksidasyon durumunun jeolojik zaman boyunca sabit kaldığına dair kanıtlar sağlıyor ve diğer araştırmacıların büyük dönüşümler hakkındaki önceki iddialarına meydan okuyor.

Müzenin Mineraloji Bölümü başkanı Elizabeth Cottrell, “Bu çalışma bize, içinde yaşadığımız bu özel yerin, yaşamın ve sıvı suyun var olmasına izin veren benzersiz yüzeyi ve iç kısmıyla nasıl şimdiki haline geldiği hakkında daha fazla bilgi veriyor” dedi. Ulusal Kaya Koleksiyonu’nun küratörü ve çalışmanın ortak yazarı “Bu, insanlar olarak hikayemizin bir parçası çünkü hepimizin kökenleri Dünya’nın nasıl oluştuğuna ve nasıl evrimleştiğine dayanıyor.”

Araştırma dergide yayımlandı doğa, deniz tabanından toplanan olağandışı jeokimyasal özelliklere sahip bir grup kayaya odaklanıyor. Spesifik olarak, kayalar çok düşük oksidasyon seviyeleriyle aşırı çözünme belirtileri göstermektedir; Oksidasyon ne zaman Mısır Veya bir molekül kimyasal reaksiyonda bir veya daha fazla elektronunu kaybeder. Ek analiz ve modellemelerin yardımıyla araştırmacılar, bu kayaların benzersiz özelliklerini kullanarak bunların Arkean döneminde en az 2,5 milyar yıl öncesine ait olduklarını gösterdiler. Dahası, sonuçlar, diğer jeologların daha önce varsaydıklarının aksine, Dünya’nın mantosunun, bu kayaların oluşmasından bu yana genellikle istikrarlı bir oksidasyon durumunu koruduğunu gösteriyor.

Deniz tabanından antik bir kaya çıkarıldı ve araştırma ekibi tarafından incelendi. Fotoğraf kredisi: Tom Kleindienst

Cottrell, “İncelediğimiz antik kayalar, tipik modern manto kayalarından 10.000 kat daha az oksitlenmiştir ve bunun, mantonun bugün olduğundan daha sıcak olduğu Archean döneminde Dünya’nın derinliklerindeki erimeden kaynaklandığına dair kanıtlar sağlıyoruz” dedi. Diğerleri, bugün mantodaki kayalarda görülen daha yüksek seviyedeki oksidasyonu, Archean ile günümüz arasında bir oksidasyon veya değişim olayının meydana geldiğini öne sürerek açıklıyor. “Kanıtlarımız, oksidasyon seviyelerindeki farkın, Dünya’nın mantosunun milyarlarca yıl boyunca soğuması ve artık bu kadar düşük oksidasyon seviyelerine sahip kayalar üretecek kadar sıcak olmamasıyla açıklanabileceğini gösteriyor.”

Jeolojik kanıt ve çalışma metodolojisi

Ulusal Doğa Tarihi Müzesi’nde doktora öncesi bursunu tamamlayan ve şu anda Kentucky’deki Berea College’da yardımcı doçent olarak görev yapan baş çalışma yazarı Susan Berner’in de dahil olduğu araştırma ekibi, Dünya’nın katı mantosu ile modern volkanizma arasındaki ilişkiyi anlamak için araştırmalarına başladı. deniz tabanındaki kayalar. Araştırmacılar, tektonik plakaların birbirinden ayrıldığı ve mantonun yüzeye çıkıp yeni kabuk ürettiği iki okyanus sırtında deniz tabanından kazılan bir grup kayayı inceleyerek işe başladılar.

İncelenen kayaların toplandığı iki yer, Kuzey Kutbu yakınlarındaki Jackyll Sıradağları ve Afrika ile Antarktika arasındaki Güneybatı Hindistan Sıradağları, dünyadaki en yavaş yayılan tektonik plaka sınırları arasında yer alıyor. Bu okyanus sırtlarındaki yavaş yayılma hızı, Doğu Pasifik Sırtı gibi daha hızlı yayılan volkanik sırtlarla karşılaştırıldığında, volkanik açıdan nispeten sessiz oldukları anlamına gelir. Bu, yavaş yayılan bu sırtlardan toplanan kayaların muhtemelen mantonun örnekleri olduğu anlamına geliyor.

2004 yılında denizde araştırma gemisi R/V Knorr’un kıç tarafı. A şeklindeki gövde, jeolojik örnekler toplamak için okyanus yüzeyinin 3.000 feet altına indirilen ve deniz tabanı boyunca sürüklenen dev metal kovayı ve zinciri barındırıyor. Telif Hakkı: Emily Van Ark

Ekip bu iki sırttan topladığı manto kayalarını analiz ettiğinde, bunların ortak tuhaf kimyasal özelliklere sahip olduğunu keşfetti. Birincisi, kayalar günümüzde manto kayaları için tipik olandan çok daha fazla erimişti. İkincisi, kayalar diğer manto kaya örneklerinin çoğuna göre çok daha az oksitlenmişti.

Bu yüksek erime derecesine ulaşmak için araştırmacılar, kayaların yerin derinliklerinde çok yüksek sıcaklıklarda erimesi gerektiği sonucuna vardı. Dünya’nın jeolojik tarihinde bu kadar yüksek sıcaklıkları içerdiği bilinen tek dönem, 2,5 ila 4 milyar yıl önce, Archean Eon’daydı. Böylece araştırmacılar, bu manto kayalarının muhtemelen gezegenin iç sıcaklığının 360 ila 540 derece arasında olduğu Archean Eon döneminde eridiği sonucuna vardı. F (200-300 derece santigrat) bugün olduğundan daha sıcak.

Yüksek düzeyde çözünürlüğe sahip olmaları, bu kayaları, kimyasal imzalarını değiştirebilecek daha fazla erimeden koruyacak ve kimyalarını önemli ölçüde değiştirmeden milyarlarca yıl boyunca Dünya’nın mantosunda dolaşabilmelerine olanak tanıyacaktır.

Cottrell, “Bu gerçek tek başına hiçbir şeyi kanıtlamıyor, ancak bu örneklerin Archean dönemine kadar uzanan gerçek jeolojik zaman kapsülleri olarak hizmet etme ihtimaline kapı açıyor” dedi.

Bilimsel açıklama ve içgörüler

Ekip, Jackel Ridge ve güneybatı Indian Ridge’de toplanan kayaların düşük oksidasyon seviyelerini açıklayabilecek jeokimyasal senaryoları araştırmak için ölçümlerine birden fazla model uyguladı. Modeller, numunelerinde ölçtükleri düşük oksidasyon seviyelerinin muhtemelen Dünya’nın derinliklerindeki aşırı sıcak koşullar altında erimeden kaynaklandığını ortaya çıkardı.

Her iki kanıt dizisi de kayaların alışılmadık özelliklerinin, mantonun son derece yüksek sıcaklıklar üretebildiği Arkean döneminde Dünya’nın derinliklerindeki erimeden kaynaklanan kimyasal bir imzayı temsil ettiği yorumunu destekledi.

Daha önce bazı jeologlar, düşük seviyede oksidasyona sahip manto kayalarını, Archean mantosunun daha az oksitlendiğinin ve bazı mekanizmalar yoluyla zamanla daha fazla oksitlendiğinin kanıtı olarak yorumlamışlardı. Önerilen oksidasyon mekanizmaları arasında gazların uzaya kaybı nedeniyle oksidasyon seviyelerinde kademeli bir artış, eski deniz tabanının dalma yoluyla geri dönüşümü ve Dünya’nın çekirdeğinin manto kimyasına sürekli katılımı yer alıyor. Ancak şu ana kadar bu görüşün savunucuları tek bir açıklama üzerinde anlaşamadılar.

Bunun yerine, yeni bulgular, Dünya’nın mantosundaki oksidasyon seviyesinin milyarlarca yıldır büyük ölçüde sabit olduğu ve bazı manto örneklerinde görülen düşük oksidasyonun, Dünya’nın mantosu nedeniyle artık üretemeyeceği jeolojik koşullar altında ortaya çıktığı görüşünü destekliyor. o zamandan beri soğudu. Yani Dünya’nın mantosunu oluşturan bazı mekanizmalar yerine Daha milyarlarca yıl boyunca oksitlendi ve yeni çalışma, Archean dönemindeki yüksek sıcaklıkların mantonun bazı kısımlarını oluşturduğunu iddia ediyor az Arkean döneminden bu yana Dünya’nın atmosferi soğuduğundan, artık çok düşük oksidasyon seviyelerine sahip kayalar üretemiyor. Cottrell, Dünya atmosferinin soğuma sürecinin çok daha basit bir açıklama sağladığını söylüyor: Dünya artık geçmişte olduğu gibi kaya yapmıyor.

Cottrell ve meslektaşları şimdi laboratuvarda Archaea’da bulunan aşırı yüksek basınç ve sıcaklıkları simüle ederek Jackyll Sıradağları ve güneybatı Hint Sıradağları’nın Archean manto kayalarını oluşturan jeokimyasal süreçleri daha iyi anlamaya çalışıyorlar.

Referans: “Peridotitte Son Derece Düşük Oksijenlenmeyle Kaydedilen Derin, Sıcak, Eski Erime”, Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell ve Fred A. Davis ve Jessica M. Warren, 24 Temmuz 2024, doğa.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Berner ve Cottrell’e ek olarak, çalışmanın ortak yazarları Minnesota Duluth Üniversitesi’nden Fred Davis ve Delaware Üniversitesi’nden Jessica Warren’dı.

Araştırma Smithsonian Enstitüsü ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklendi.