02.08.2024. - Стабильность химического состава мантии Земли

Стабильность химического состава мантии Земли

Новый анализ горных пород, возраст которых, как полагают, составляет не менее 2,5 миллиардов лет, проведенный исследователями из Национального музея естественной истории Смитсоновского института, помогает прояснить химическую историю мантии Земли — геологического слоя под земной корой.

Полученные данные углубляют понимание учеными самых ранних геологических процессов на Земле и предоставляют новые доказательства в многолетних научных дебатах о геологической истории Земли. В частности, полученные результаты свидетельствуют о том, что степень окисления подавляющего большинства слоев мантии Земли оставалась стабильной на протяжении геологического времени и не претерпевала серьезных изменений, вопреки тому, что ранее предполагалось другими исследователями.

"Это исследование рассказывает нам больше о том, как это особое место, в котором мы живем, стало таким, какое оно есть, с его уникальной поверхностью и внутренним убранством, которые позволили существовать жизни и жидкой воде", - сказала Элизабет Коттрелл, заведующая отделом минеральных наук музея, куратор Национальной коллекции горных пород и соавтор исследования.

"Это часть нашей истории как человечества, потому что все наше происхождение восходит к тому, как сформировалась Земля и как она эволюционировала".

Исследование, опубликованное в журнале Nature, было сосредоточено на группе горных пород, собранных с морского дна и обладающих необычными геохимическими свойствами. А именно, горные породы демонстрируют признаки того, что они расплавились до экстремальной степени с очень низким уровнем окисления; окисление - это когда атом или молекула теряют один или несколько электронов в результате химической реакции.

С помощью дополнительных анализов и моделирования исследователи использовали уникальные свойства этих пород, чтобы показать, что они, вероятно, датировались по меньшей мере 2,5 миллиардами лет назад, в эпоху архея. Кроме того, полученные данные показывают, что мантия Земли в целом сохранила стабильную степень окисления с момента образования этих пород, в отличие от того, что ранее предполагали другие геологи.

"Древние породы, которые мы изучали, в 10 000 раз менее окислены, чем типичные современные мантийные породы, и мы представляем доказательства того, что это связано с тем, что они таяли глубоко в Земле в архейский период, когда мантия была намного горячее, чем сегодня", - сказал Коттрелл.

"Другие исследователи пытались объяснить более высокие уровни окисления, наблюдаемые в породах современной мантии, предположив, что между археем и сегодняшним днем произошло окислительное событие или изменение. Наши данные свидетельствуют о том, что разница в уровнях окисления может быть просто объяснена тем фактом, что мантия Земли остыла за миллиарды лет и больше не является достаточно горячей для образования пород с таким низким уровнем окисления".

Исследовательская группа, включая ведущего автора исследования Сюзанну Бирнер, которая прошла преддокторскую стажировку в Национальном музее естественной истории и в настоящее время является доцентом колледжа Береа в Кентукки, начала свое исследование, чтобы понять взаимосвязь между твердой мантией Земли и современными вулканическими породами морского дна.

Исследователи начали с изучения группы горных пород, которые были извлечены с морского дна на двух океанических хребтах, где тектонические плиты раздвигаются, а мантия вспенивается на поверхность и образует новую кору.

Два места, где были собраны исследуемые породы, - хребет Гаккеля вблизи Северного полюса и Юго-Западный Индийский хребет между Африкой и Антарктидой - являются двумя границами тектонических плит, которые раздвигаются с самой низкой скоростью в мире. Медленный темп спрединга на этих океанических хребтах означает, что с вулканической точки зрения они относительно спокойны по сравнению с более быстрыми спрединговыми хребтами, которые усеяны вулканами, такими как Восточно-Тихоокеанское поднятие. Это означает, что камни, собранные с этих медленно спрединговых хребтов, скорее всего, являются образцами самой мантии.

Когда команда проанализировала мантийные породы, собранные с этих двух хребтов, они обнаружили, что у них есть странные общие химические свойства. Во-первых, породы были расплавлены в гораздо большей степени, чем это типично для мантии Земли сегодня. Во-вторых, эти породы были гораздо менее окислены, чем большинство других образцов земной мантии.

Исследователи пришли к выводу, что для достижения такой высокой степени плавления горные породы должны были таять глубоко в Земле при очень высоких температурах. Единственный известный период геологической истории Земли, когда наблюдались такие высокие температуры, был между 2,5 и 4 миллиардами лет назад, в архейскую эпоху.

Следовательно, исследователи пришли к выводу, что эти мантийные породы, возможно, расплавились во время архея, когда внутри планеты было на 360-540 градусов по Фаренгейту (200-300 градусов по Цельсию) жарче, чем сегодня.

Такое сильное оплавление защитило бы эти породы от дальнейшего таяния, которое могло бы изменить их химический состав, что позволило бы им циркулировать в мантии Земли в течение миллиардов лет без существенного изменения их химического состава.

"Сам по себе этот факт ничего не доказывает", - сказал Коттрелл. - Но это позволяет предположить, что эти образцы являются подлинными геологическими капсулами времени архейского периода".

Чтобы изучить геохимические сценарии, которые могли бы объяснить низкий уровень окисления горных пород, собранных на хребте Гаккель и Юго-Западном Индийском хребте, команда применила несколько моделей для своих измерений. Модели показали, что низкие уровни окисления, которые они измерили в своих образцах, могли быть вызваны плавлением в чрезвычайно жарких условиях глубоко под Землей.

Обе линии доказательств подтверждали интерпретацию о том, что нетипичные свойства горных пород представляют собой химический признак того, что они плавились глубоко в Земле в архейский период, когда мантия могла создавать чрезвычайно высокие температуры.

Ранее некоторые геологи интерпретировали мантийные породы с низким уровнем окисления как свидетельство того, что мантия Земли в архейский период была менее окислена и что благодаря какому-то механизму со временем она стала более окисленной.

Предполагаемые механизмы окисления включают постепенное повышение уровня окисления из-за утечки газов в космос, повторное использование старого морского дна в результате субдукции и продолжающееся участие ядра Земли в геохимии мантии. Но на сегодняшний день сторонники этой точки зрения не пришли к единому объяснению.

Напротив, новые результаты подтверждают мнение о том, что уровень окисления мантии Земли был в значительной степени стабильным в течение миллиардов лет, и что низкий уровень окисления, наблюдаемый в некоторых образцах мантии, был создан в геологических условиях, которые Земля больше не может производить, поскольку ее мантия с тех пор остыла.

Таким образом, вместо того, чтобы использовать какой-то механизм, повышающий окисляемость мантии Земли на протяжении миллиардов лет, новое исследование утверждает, что высокие температуры архея сделали некоторые участки мантии менее окисленными. Поскольку мантия Земли со времен архея остыла, она больше не может образовывать породы со сверхнизким уровнем окисления. Коттрелл сказал, что процесс охлаждения мантии планеты дает гораздо более простое объяснение: Земля просто не производит камни так, как раньше.

Коттрелл и ее сотрудники в настоящее время стремятся лучше понять геохимические процессы, которые сформировали архейские мантийные породы хребта Гаккеля и Юго-Западного Индийского хребта, моделируя в лаборатории чрезвычайно высокие давления и температуры, характерные для архея.

Это исследование является вкладом в инициативу музея "Наша уникальная планета". В рамках государственно–частного исследовательского партнерства "Наша уникальная планета" исследует, что отличает Землю от ее космических соседей, исследуя происхождение океанов и континентов планеты, а также то, как минералы могли служить основой для жизни.

Источник