Изменения в земной мантии начались задолго до появления в воздухе кислорода

Фото из открытых источников

Древние кристаллы показывают, что часть земной мантии подверглась большему окислению примерно за миллиард лет до того, как кислород окончательно появился в воздухе. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Более двух миллиардов лет после образования Земли в её атмосфере практически не было кислорода. Глубоко под землёй, в толстом слое раскалённых пород, называемом мантией, уже происходили изменения. Кристаллы возрастом до 3,4 миллиарда лет показывают, что мантия всё больше окислялась, примерно за миллиард лет до того, как кислород окончательно появился в атмосфере.

Исследование возглавил Уго Морейра из Королевского общества при Институте наук о Земле и окружающей среде Портсмутского университета. В своей работе Морейра задается вопросом о том, когда началась тектоника плит и как она связана с зарождением жизни на Земле.

Его команда обнаружила, что мантия под древними вулканическими цепями стала более окисленной в период от 3,4 до 3,0 миллиардов лет назад.

Команда исследователей считает, что причина кроется сверху, в донных отложениях, которые унесли окисленную серу вниз, когда одна плита внешней оболочки Земли скользила под другую. Геологи называют это погружающим движением субдукцией.

Циркон — один из самых прочных минералов на Земле. Кристалл циркона может сохраняться миллиарды лет практически без изменений. Лазеры в лаборатории масс-спектрометрии и лазерной абляции университета позволяют точно измерить его возраст, и некоторые образцы, исследованные в данной работе, датируются 3,4 миллиардами лет назад.

Во многих цирконах содержится второй, меньший по размеру минерал, называемый апатитом. Поскольку циркон его запечатывает, апатит имеет тот же возраст, что и его вмещающий минерал, и сохраняет свой химический состав на момент образования. Эти зерна часто тоньше человеческого волоса.

Апатит вне циркона — это совсем другое дело. Команда исследователей датировала рыхлый апатит из трех древнейших пород. Его возраст составил около 3 миллиардов лет, что примерно на 400 миллионов лет меньше, чем возраст цирконов из тех же пород.

Исследователи объяснили разницу в возрасте более поздними изменениями, в результате которых сера в неплотно упакованных зернах выглядела более окисленной, чем в упакованных. Именно поэтому основные результаты исследования получены на основе упакованных зерен.

«Эти минералы действительно очень интересны ученым, поскольку они, по сути, являются капсулами времени», — сказал Морейра.

Образцы горных пород были привезены из Австралии, Финляндии, Южной Африки и Шотландии. После первоначальной работы в Портсмуте образцы были отправлены в Европейский центр синхротронного излучения в Гренобле, Франция, один из самых мощных в мире центров рентгеновского излучения.

Команда также добавила свои собственные, более ранние измерения пород из Бразилии возрастом 2,1 миллиарда лет, о которых она сообщила в исследовании 2023 года.

Сера может принимать несколько химических форм. Форма, которая в конечном итоге окажется в кристалле, зависит от количества кислорода, присутствовавшего во время роста кристалла. Таким образом, сера в каждом зерне апатита отражает условия в магме, в которой он находился.

В ходе двух сессий в Гренобле команда провела измерения содержания серы в 337 зернах апатита из 14 образцов горных пород.

Марин Котте, соавтор исследования, возглавляет экспериментальную линию ID21, где проводилась работа. Она объяснила, что кристаллы содержат лишь небольшое количество серы.

«Поэтому нам нужен был рентгеновский луч, который был бы очень тонким, очень чувствительным и достаточно быстрым, чтобы измерить большое количество кристаллов», — сказала Котте.

Измерения содержания серы, проведенные командой, показывают, что глубинные источники этих древних вулканов становились все более окисленными в период от 3,4 до 3,0 миллиардов лет назад. По словам исследователей, примерно 2,1 миллиарда лет назад условия там совпали с условиями под современными вулканическими цепями.

Под воздействием этих вулканов мантия, по-видимому, оставалась более окисленной, чем остальная часть верхней мантии на протяжении всего времени.

На протяжении всего периода наблюдений кривая, построенная по данным, поднимается примерно на одну ступеньку по шкале, используемой геологами. Каждая ступенька означает в 10 раз больше кислорода, доступного для химических реакций.

На ранних этапах развития планеты требовалось лишь небольшое количество окисленной серы. 3,5 миллиарда лет назад окисленной серы, составляющей менее 2% от общего количества, было бы достаточно, чтобы выделить эту часть мантии среди остальных. Сегодня для этого потребовалось бы более 65%.

Авторы утверждают, что небольшие локальные участки окисленного морского дна, слишком ограниченные, чтобы изменить атмосферу, все же могли изменить мантию.

Команда проверила другие возможные причины появления этой тенденции. Осаждение кристаллов из магмы, выход газа из неё и медленные изменения внутри самой мантии сами по себе не могли объяснить эту разницу. Кроме того, породы образовались с разницей температур около 100°C, что слишком мало, чтобы иметь значение.

Все образцы в исследовании принадлежали к одному и тому же семейству магматических пород. Университет заявляет, что это первое исследование, в котором для всего исследуемого участка использовался один и тот же тип породы.

«Использование одного и того же типа породы по всей конструкции обеспечивает гораздо более надежный результат», — сказал Морейра.

Ученые давно подозревали о кратковременных локальных выбросах кислорода перед Великим окислительным событием, когда уровень кислорода окончательно повысился около 2,3 миллиарда лет назад. Самые ранние известные признаки такого выброса в воздухе датируются примерно 3,0 миллиардами лет назад. Более ранние исследования предполагают, что микроорганизмы производили кислород еще 3,4 миллиарда лет назад, а возможно, и раньше.

По мнению авторов, эти ранние следы кислорода, наряду с химическими реакциями, не требующими участия жизни, могли способствовать окислению мантии на столь раннем этапе.

Содержание серы отражает химические свойства породы, питавшей магму. Оно не показывает напрямую, сколько кислорода существовало в воздухе или в мантии.

Древние вулканические цепи, возможно, функционировали иначе, чем современные. Авторы используют слово «дуга» для обозначения любого места, где кора и мантия смешивались на большой глубине. Это может включать в себя раннюю форму субдукции, а не ту, которая наблюдается сегодня.

Морейра заявил, что это исследование в ближайшее время не изменит ничью повседневную жизнь. Он охарактеризовал его как попытку проследить, когда Земля впервые стала пригодна для жизни.

«Это исследования, движимые любопытством, проистекающие из простого стремления узнать что-то новое», — сказал Морейра.

В геологической летописи также имеется пробел примерно в 1,7 миллиарда лет. Ни один из образцов не датируется периодом примерно от 2,1 миллиарда до 400 миллионов лет назад, поэтому тенденция на этом участке представляет собой кривую, построенную там, где данные отсутствуют. Образцы горных пород того же типа с этого недостающего участка показали бы, сохраняется ли эта кривая.