Выветренные породы помогают объяснить Великое окисление Земли

Около 2,4 миллиарда лет назад атмосфера Земли подверглась так называемому Великому событию окисления (GOE) или кислородной катастрофе. До него на ранней Земле было гораздо меньше молекулярного кислорода, чем у нас сегодня, а после количество молекулярного кислорода начало увеличиваться, что в конечном итоге сделало возможной жизнь, подобную нашей.

На протяжении десятилетий исследователи пытались понять, почему и как это произошло. Ученые из Аризонского государственного университета считают, что свой вклад в это событие могло внести выветривание горных пород. Результаты этого исследования были опубликованы в Nature Communications.

Молекулярный кислород вырабатывается растениями и фотосинтезирующими микробами, но при этом он потребляется организмами и при окислении железа, серы, углерода и других элементов в горных породах. Молекулярный кислород также может потребляться в результате реакции с восстановленными газами, такими как водород, который появляется при выветривании горных пород.

Ученые, изучающие раннюю Землю, предполагают, что потребление кислорода было, возможно, более быстрым, чем производство кислорода в результате фотосинтеза, поэтому кислород не мог накапливаться в атмосфере. Согласно этой гипотезе, чтобы произошла кислородная катастрофа, потребление кислорода должно было со временем замедлиться, чтобы он мог накапливаться в атмосфере.

Учитывая это, ученые решили определить, какие процессы могли замедлять потребление кислорода на ранней Земле, чтобы вызвать увеличение кислорода. Понимая, что это вряд ли было биологическое потребление, поскольку оно неплохо справляется с производством кислорода путем фотосинтеза, они предположили, что изменение вызвано скоростью, с которой кислород потребляется при выветривании горных пород.

Проверяя эту гипотезу, исследователи сосредоточились на изучении выветривания породы, известной как «ультрамафит» - магматической породы, богатой магнием и железом, с низким содержанием кремнезема.  Ультраосновные породы составляют большую часть верхней мантии Земли, где они образовались при высоких температурах. Когда эти породы выносятся на поверхность и вступают в контакт с водой, безводные минералы, из которых состоят эти породы, превращаются в минералы, содержащие воду. Этот же процесс превращает реагирующие подземные воды в сильнощелочные воды с повышенным содержанием газа, в частности, водорода. 

Для своего анализа они провели компьютерное моделирование, предсказывающее потенциалы генерации водорода тысячами составов горных пород, которые были распространены на ранней Земле. После этого стало возможным установить связь между составом горных пород и их потенциалом для производства водорода и потребления кислорода. В итоге ученые смогли реконструировать глобальное производство водорода и скорость потребления кислорода на ранней Земле и определить, что выветривание ультраосновных пород могло способствовать наступлению такого события, как кислородная катастрофа.