Количеството кислород в атмосферата на Земята я прави обитаема планета.

Двадесет и един процента от атмосферата се състои от този животворен елемент. Но в дълбокото минало – още през неоархейската ера преди 2,8 до 2,5 милиарда години, този кислород почти липсвал.

И така, как атмосферата на Земята се насити с кислород?

Нашето изследване, публикувано в Nature Geoscience, добавя примамлива нова възможност - поне част от ранния кислород на Земята идва от тектоничен източник чрез движението и разрушаването на земната кора, пишат група учени в The Conversation.

Архaйската Земя

Архaйският еон представлява една трета от историята на нашата планета, от преди 4 милиарда години до преди 2,5 милиарда години.

Тази извънземна Земя била воден свят, покрит със зелени океани, обвит в метанова мъгла и напълно лишен от многоклетъчен живот. Друг извънземен аспект на този свят е природата на неговата тектонична активност.

На съвременната Земя доминиращата тектонска активност се нарича тектоника на плочите, при която океанската кора – най-външният слой на Земята под океаните, потъва в мантията на Земята (областта между земната кора и нейното ядро) в точки на конвергенция, наречени зони на субдукция .

Въпреки това има значителен дебат дали тектониката на плочите е действала още през архейската ера.

Една особеност на съвременните зони на субдукция е тяхната връзка с окислени магми.

Тези магми се образуват, когато окислени седименти и дънни води – студена, плътна вода близо до дъното на океана, се въвеждат в мантията на Земята. Това произвежда магми с високо съдържание на кислород и вода.

Нашето изследване имаше за цел да провери дали отсъствието на окислени материали в архейските дънни води и седименти може да предотврати образуването на окислени магми.

Идентифицирането на такива магми в неоархайските магмени скали може да предостави доказателства, че субдукцията и тектониката на плочите са се случили преди 2,7 милиарда години.

Експериментът

Събрахме проби от гранитоидни скали на възраст от 2750 до 2670 милиона години от цялата подпровинция Abitibi-Wawa на Супериор Прованс – най-големият запазен архейски континент, простиращ се на над 2000 километра от Уинипег, Манитоба, до Квебек далеч на изток .

Това ни позволи да изследваме нивото на окисляване на магмите, генерирани през неоархайската ера.

Измерването на окислителното състояние на тези магмени скали,образувани чрез охлаждане и кристализация на магма или лава, е предизвикателство. Събитията след кристализация може да са променили тези скали чрез по-късна деформация, потъване или нагряване.

Затова решихме да разгледаме минерала апатит, който присъства в кристалите циркон в тези скали.

Кристалите на циркон могат да издържат на високите температури и налягания на събитията след кристализацията. Те запазват улики за средата, в която първоначално са били формирани, и дават точната възраст на самите скали.

Малки апатитни кристали, по-малки от 30 микрона - с размера на човешка кожна клетка, са уловени в кристалите на циркона. Те съдържат сяра. Чрез измерване на количеството сяра в апатита можем да установим дали апатитът е произлязъл от окислена магма.

Успяхме да измерим фугитивността на кислорода на оригиналната архейска магма, което по същество представлява количеството свободен кислород в нея, с помощта на специализирана техника, наречена рентгенова абсорбционна спектроскопия на близкия край на структурата (S-XANES) в синхротрона Advanced Photon Source в Националната лаборатория Аргон в Илинойс.

Създаване на кислород от вода?

Открихме, че съдържанието на сяра в магмата, което първоначално е било около нула, се е увеличило до 2000 части на милион преди около 2705 милиона години. Това показва, че магмите са станали по-богати на сяра.

Освен това, преобладаването на S6+ – вид серен йон, в апатита предполага, че сярата е от окислен източник, съответстващ на данните от кристалите циркон гостоприемник.

Тези нови открития показват, че окислените магми са се образували в неоархайската ера преди 2,7 милиарда години. Данните показват, че липсата на разтворен кислород в архейските океани не е предотвратила образуването на богати на сяра, окислени магми в зоните на субдукция.

Кислородът в тези магми трябва да е дошъл от друг източник и в крайна сметка е бил изпуснат в атмосферата по време на вулканични изригвания.

Ние открихме, че появата на тези окислени магми корелира с големи събития на минерализация на злато в Супериор Прованс и Кратон Илгарн (Западна Австралия), демонстрирайки връзка между тези богати на кислород източници и глобалното образуване на рудни находища от световен мащаб.

Последствията от тези окислени магми надхвърлят схващанията за ранната земна геодинамика. Преди това се смяташе за малко вероятно архейските магми да могат да бъдат окислени, когато океанската вода и скалите или седиментите на океанското дъно не са.

Въпреки че точният механизъм е неясен, появата на тези магми предполага, че процесът на субдукция, при който океанската вода се отвежда на стотици километри в недрата на нашата планета, генерира свободен кислород. Това след това окислява горната мантия. 

Нашето проучване показва, че архейската субдукция може да е била жизненоважен, непредвиден фактор за насищането на Земята с кислород, ранен полъх на кислород преди 2,7 милиарда години, а също и Голямото окислително събитие, което отбеляза увеличение на атмосферния кислород с два процента преди от 2,45 до 2,32 милиарда години.

Доколкото знаем, Земята е единственото място в Слънчевата система – минало или настояще, с тектоника на плочите и активна субдукция. Това предполага, че това изследване може частично да обясни липсата на кислород и в крайна сметка - на живот на другите скалисти планети в бъдеще.

Дейвид Моул, постдокторант, Науки за Земята, Laurentian University; Адам Чарлз Саймън, професор Артър Ф. Турнау, Науки за земята и околната среда, Университет на Мичиган, и Сюянг Менг, постдокторант, Науки за земята и околната среда, Университет на Мичиган

Тази статия е публикувана в The Conversation под лиценз Creative Commons.