Bogate w żelazo skały ujawniają nowe spojrzenie na historię planety Ziemia

Uderzające wizualnie warstwy pomarańczy, żółci, srebra, brązu i spalonego niebiesko-czarnego są charakterystyczne dla pasmowych formacji żelaza, skał osadowych, które mogły wywołać jedne z największych erupcji wulkanów w historii Ziemi, wynika z nowych badań przeprowadzonych przez Rice University.

Skały zawierają tlenki żelaza, które dawno temu opadły na dno oceanów, tworząc gęste warstwy, które ostatecznie zamieniły się w kamień. Badanie, opublikowane w tym tygodniu w Nature Geoscience, sugeruje, że bogate w żelazo warstwy mogą łączyć starożytne zmiany na powierzchni Ziemi – takie jak pojawienie się życia fotosyntetycznego – z procesami planetarnymi, takimi jak wulkanizm i tektonika płyt.

Oprócz połączenia procesów planetarnych, które powszechnie uważano za niepowiązane, badanie może zmienić rozumienie przez naukowców wczesnej historii Ziemi i zapewnić wgląd w procesy, które mogły wytworzyć nadające się do zamieszkania egzoplanety daleko poza naszym Układem Słonecznym.

„Te skały opowiadają – całkiem dosłownie – historię zmieniającego się środowiska planetarnego” – powiedział Duncan Keeler, główny autor badania i doktor habilitowany na Wydziale Nauk o Ziemi, Środowisku i Planetarności w Rice. „Ucieleśniają zmianę chemii atmosfery i oceanów”.

Formacje pasmowego żelaza to osady chemiczne osadzone bezpośrednio ze starożytnej wody morskiej bogatej w rozpuszczone żelazo. Uważa się, że metaboliczne działania mikroorganizmów, w tym fotosynteza, ułatwiły osadzanie się minerałów, które z czasem tworzyły warstwę po warstwie wraz z chertem (mikrokrystalicznym dwutlenkiem krzemu). Największe złoża powstały, gdy tlen gromadził się w ziemskiej atmosferze około 2,5 miliarda lat temu.

„Te skały powstały w starożytnych oceanach i wiemy, że te oceany zostały później zamknięte poprzecznie przez procesy tektoniczne płyt” – wyjaśnił Keller.

Chociaż płaszcz jest stały, płynie jak ciecz z szybkością wzrostu paznokcia. Płyty tektoniczne — części skorupy ziemskiej i górnego płaszcza wielkości kontynentu — są w ciągłym ruchu, głównie w wyniku prądów konwekcyjnych w płaszczu. Ziemskie procesy tektoniczne kontrolują cykle życia oceanów.

Low-Res_BIF6-0567_775.JP „W chwili, gdy Ocean Spokojny zbliża się dzisiaj – opada pod Japonię i Amerykę Południową – starożytne baseny oceaniczne zostały zniszczone tektonicznie” – powiedział. „Te skały są albo wypychane na kontynenty i konserwowane – i widzimy, że niektóre z nich są zachowane, i stąd pochodzą skały, na które dzisiaj patrzymy – lub są wtapiane w płaszcz”.

Ze względu na wyższą zawartość żelaza formacje pasmowego żelaza są znacznie gęstsze niż płaszcz, co sprawiło, że Keeler zaczął się zastanawiać, czy wystające fragmenty formacji zatonęły do ​​końca i osiedliły się w najniższym obszarze płaszcza, blisko wierzchołka jądra Ziemi. Tam, pod ogromną temperaturą i ciśnieniem, przeszłyby głębokie zmiany, ponieważ ich minerały przybrały inną strukturę.

„Prowadzone są bardzo interesujące prace nad właściwościami tlenków żelaza w tych warunkach” – powiedział Keller. „Mogą stać się wysoce przewodzące zarówno pod względem termicznym, jak i elektrycznym. Niektóre przewodzą ciepło równie łatwo jak minerały. Jest więc możliwe, że te skały, gdy znajdą się w dolnym płaszczu, mogą zamienić się w wysoce przewodzące grudki, takie jak gorące płyty”.

Keller i współpracownicy wysuwają hipotezę, że wzbogacone regiony w podmorskich formacjach żelaza mogą pomóc w tworzeniu pióropuszy płaszcza, kanałów gorącej skały wznoszących się ponad anomalie termiczne w dolnym płaszczu, które mogą wytwarzać superwulkany, takie jak te, które utworzyły Wyspy Hawajskie. „Pod Hawajami dane sejsmiczne pokazują nam gorący kanał upwellingu wody płaszczowej” – powiedział Keller. „Wyobraź sobie gorące miejsce na swoim piecu. Kiedy woda w garnku się zagotuje, zobaczysz więcej bąbelków nad kolumną wody wznoszącą się w tym obszarze. Pióropusze płaszcza są swego rodzaju gigantyczną wersją tego.”

„Przyjrzeliśmy się wiekom depozycji formacji pasmowego żelaza i wiekom dużych erupcji bazaltowych zwanych dużymi prowincjami magmowymi i stwierdziliśmy, że istnieje korelacja” – powiedział Keller. „Kilka zdarzeń magmowych – tak masowych, że 10 lub 15 większych mogłoby wystarczyć, aby wynurzyć się na powierzchnię całej planety – poprzedziło osadzanie się pasmowej formacji żelaza w odstępach około 241 milionów lat, plus minus 15 milionów. Jest to silna korelacja z mechanizm logiczny”.

Badanie wykazało, że istnieje rozsądny okres czasu, w którym formacje żelaza z głębokimi pasmami najpierw wciągną się do dolnego płaszcza, a następnie wpłyną na przepływ ciepła, aby skierować pióropusz w kierunku powierzchni Ziemi na wysokość tysięcy kilometrów.

W swoich wysiłkach prześledzenia lotu żelaznych formacji Keeler przekroczył granice dyscypliny i napotkał nieoczekiwane spostrzeżenia.

„Jeśli to, co wydarzyło się we wczesnych oceanach, po tym, jak mikroorganizmy chemicznie zmieniły środowisko powierzchniowe, ostatecznie doprowadziło do ogromnych wylewów lawy w innych miejscach na Ziemi 250 milionów lat później, oznacza to, że procesy te są ze sobą powiązane i „rozmawiają” ze sobą”. oznacza również, że możliwe jest, że powiązane procesy mają znacznie większą skalę długości, niż ludzie oczekiwali. Aby móc to stwierdzić, musieliśmy wykorzystać dane z wielu różnych dziedzin mineralogii, geochemii, geofizyki i sedymentologii”.

Keller ma nadzieję, że badanie zachęci do dalszych badań. „Mam nadzieję, że będzie to motywacja dla ludzi z różnych dziedzin, których dotyczy” – powiedział. „Myślę, że byłoby naprawdę fajnie, gdyby ludzie rozmawiali ze sobą w nowy sposób o tym, jak różne części systemu Ziemi są połączone”.

Keeler jest częścią programu CLEVER Planets: CLEVER Planets: Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets, multidyscyplinarnej, multiinstytucjonalnej grupy naukowców kierowanej przez Rajdeep Dasgupta, Rice’a W. Morrisa Ewinga, profesora nauk o systemach Ziemi w Wydział Nauk o Ziemi, Środowisku i Planetarności.

„Jest to bardzo interdyscyplinarna współpraca mająca na celu zbadanie, jak lotne pierwiastki, które są ważne dla biologii – węgiel, wodór, azot, tlen, fosfor i siarka – zachowują się na planetach, w jaki sposób planety nabywają te pierwiastki i jaką rolę odgrywają w tworzeniu potencjalnych planet, — powiedział Keller.

Dodał: „Używamy Ziemi jako naszego najlepszego przykładu, ale próbujemy dowiedzieć się, co obecność lub brak jednego lub niektórych z tych pierwiastków może ogólnie oznaczać dla planet”.

Sen T. Lee, Harry Carruthers Wiss profesor geologii, nauk o Ziemi, środowisku i planetach z Rice oraz Dagupta są współautorami badania. Inni współautorzy to Santiago Tasara, adiunkt na Uniwersytecie Bernardo O’Higgins w Chile i Leslie Robbins, adiunkt na University of Regina w Kanadzie, którzy obaj odbyli staż podoktorski na Uniwersytecie Yale, oraz Jay Agu, Yale Professor of Earth i nauk planetarnych, doradca dr Keelera.

NASA (80NSSC18K0828) oraz Kanadyjska Rada Badań Nauk Przyrodniczych i Inżynierii (RGPIN-2021-02523) wsparły badania.

Powiązania między dużym wulkanicznym wulkanizmem a połączonymi formacjami żelazaNatura

Astrobiologia