من أين أتى أكسجين الأرض؟ دراسة جديدة تلمح إلى مصدر غير متوقع

كمية الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض يجعله كوكبًا صالحًا للسكن.

واحد وعشرون بالمائة من الغلاف الجوي يتكون من هذا العنصر الواهب للحياة. ولكن في الماضي العميق – في وقت يعود إلى العصر الحديث منذ 2.8 إلى 2.5 مليار سنة – كان هذا الأكسجين غائبًا تقريبًا.

إذن ، كيف أصبح الغلاف الجوي للأرض مؤكسجًا؟

ابحاثنا، نشرت في علوم الأرض الطبيعية، تضيف إمكانية جديدة محيرة: على الأقل أن بعض الأكسجين المبكر للأرض جاء من مصدر تكتوني من خلال حركة وتدمير قشرة الأرض.

الأرض أرشيان

يمثل Archean eon ثلث تاريخ كوكبنا ، من 2.5 مليار سنة مضت إلى أربعة مليارات سنة ماضية.

كانت هذه الأرض الغريبة عبارة عن عالم مائي مغطى المحيطات الخضراءيكتنفها في ضباب الميثان، وتفتقر تمامًا إلى الحياة متعددة الخلايا. جانب آخر غريب من هذا العالم هو طبيعة نشاطه التكتوني.

على الأرض الحديثة ، يُطلق على النشاط التكتوني السائد اسم الصفائح التكتونية ، حيث تغرق القشرة المحيطية – الطبقة الخارجية من الأرض تحت المحيطات – في وشاح الأرض (المنطقة الواقعة بين قشرة الأرض ولبها) عند نقاط التقاء تسمى مناطق الاندساس . ومع ذلك ، هناك جدل كبير حول ما إذا كانت الصفائح التكتونية قد عادت مرة أخرى في العصر الآرشي.

إحدى سمات مناطق الاندساس الحديثة هي ارتباطها الصهارة المؤكسدة. تتشكل هذه الصهارة عندما تتشكل الرواسب المؤكسدة والمياه السفلية – المياه الباردة والكثيفة بالقرب من قاع المحيط أدخلت في عباءة الأرض. ينتج هذا الصهارة ذات المحتوى العالي من الأكسجين والماء.

يهدف بحثنا إلى اختبار ما إذا كان عدم وجود مواد مؤكسدة في مياه قاع أرشيان والرواسب يمكن أن يمنع تكوين الصهارة المؤكسدة. يمكن أن يوفر تحديد مثل هذه الصهارة في الصخور البركانية الجديدة دليلاً على أن الاندساس والصفائح التكتونية حدثت قبل 2.7 مليار سنة.

التجربة

جمعنا عينات من صخور جرانيتية عمرها 2750 إلى 2670 مليون عام من جميع أنحاء مقاطعة أبيتيبي واوا الفرعية في المقاطعة العليا – أكبر قارة أرشيان محفوظة تمتد على مسافة 2000 كيلومتر من وينيبيغ ، مانيتوبا ، إلى أقصى شرق كيبيك. سمح لنا هذا بالتحقيق في مستوى أكسدة الصهارة المتولدة عبر العصر الجديد.

يعد قياس حالة أكسدة هذه الصخور البركانية – التي تشكلت من خلال تبريد وتبلور الصهارة أو الحمم البركانية – أمرًا صعبًا. قد تكون أحداث ما بعد التبلور قد عدلت هذه الصخور من خلال التشوه أو الدفن أو التسخين لاحقًا.

لذلك ، قررنا إلقاء نظرة على ملف المعدنية الأباتيت، الموجود في بلورات الزركون في هذه الصخور. يمكن لبلورات الزركون أن تتحمل درجات الحرارة الشديدة والضغوط الناتجة عن أحداث ما بعد التبلور. يحتفظون بأدلة حول البيئات التي تشكلوا فيها في الأصل ويقدمون أعمارًا دقيقة للصخور نفسها.

بلورات الأباتيت الصغيرة التي يقل عرضها عن 30 ميكرون – حجم خلية جلد الإنسان – محاصرة في بلورات الزركون. تحتوي على الكبريت. من خلال قياس كمية الكبريت في الأباتيت ، يمكننا تحديد ما إذا كان الأباتيت قد نما من الصهارة المؤكسدة.

تمكنا من قياس هروب الأكسجين من الصهارة Archean الأصلية – والتي هي أساسًا كمية الأكسجين الحر الموجودة فيها – باستخدام تقنية متخصصة تسمى التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية بالقرب من هيكل الحافة (S-XANES) في مصدر الفوتون المتقدم السنكروترون في مختبر أرجون الوطني في إلينوي.

صنع الأكسجين من الماء؟

وجدنا أن محتوى كبريت الصهارة ، الذي كان في البداية حوالي الصفر ، زاد إلى 2000 جزء في المليون حوالي 2705 مليون سنة. يشير هذا إلى أن الصهارة أصبحت غنية بالكبريت. بالإضافة إلى ذلك ، فإن غلبة S6 + – نوع من أيون الكبريت – في الأباتيت اقترح أن الكبريت كان من مصدر مؤكسد ، مطابق البيانات من بلورات الزركون المضيفة.

تشير هذه النتائج الجديدة إلى أن الصهارة المؤكسدة قد تشكلت في العصر الحديث قبل 2.7 مليار سنة. تظهر البيانات أن نقص الأكسجين المذاب في خزانات المحيط الأركي لم يمنع تكوين الصهارة المؤكسدة الغنية بالكبريت في مناطق الاندساس. يجب أن يكون الأكسجين الموجود في هذه الصهارة قد أتى من مصدر آخر وتم إطلاقه في النهاية في الغلاف الجوي أثناء الانفجارات البركانية.

وجدنا أن حدوث هذه الصهارة المؤكسدة يرتبط بأحداث تمعدن الذهب الكبرى في المقاطعة العليا و Yilgarn Craton (أستراليا الغربية) ، مما يدل على وجود صلة بين هذه المصادر الغنية بالأكسجين وتكوين رواسب خام عالمية.

تتجاوز الآثار المترتبة على هذه الصهارة المؤكسدة فهم الديناميكا الجيولوجية للأرض في وقت مبكر. في السابق ، كان يُعتقد أنه من غير المحتمل أن تتأكسد صهارة Archean عندما يكون مياه المحيطات و صخور قاع المحيط أو رواسبه لم يكن.

في حين أن الآلية الدقيقة غير واضحة ، فإن حدوث هذه الصهارة يشير إلى أن عملية الاندساس ، حيث يتم نقل مياه المحيطات لمئات الكيلومترات داخل كوكبنا ، تولد أكسجينًا مجانيًا. يؤدي هذا بعد ذلك إلى أكسدة الوشاح العلوي.

تظهر دراستنا أن الاندساس الأركي قد يكون عاملاً حيويًا غير متوقع في أكسجة الأرض ، في وقت مبكر نفحات الأكسجين قبل 2.7 مليار سنة وكذلك حدث الأكسدة العظيم ، والذي شهد زيادة في الأكسجين في الغلاف الجوي بنسبة 2٪ 2.45 إلى 2.32 مليار سنة مضت.

بقدر ما نعلم ، فإن الأرض هي المكان الوحيد في النظام الشمسي – الماضي أو الحاضر – مع الصفائح التكتونية والاندساس النشط. يشير هذا إلى أن هذه الدراسة يمكن أن تفسر جزئيًا نقص الأكسجين ، وفي النهاية ، تفسر الحياة على الكواكب الصخرية الأخرى في المستقبل أيضًا.

تم نشر هذه المقالة في الأصل المحادثة بواسطة ديفيد مول في جامعة Laurentian ، و آدم تشارلز سيمون ، و Xuyang Meng في جامعة ميشيغان. إقرأ ال المقال الأصلي هنا.