دراسة جديدة تتحدى نظرية أكسدة الوشاح

أجرى علماء سميثسونيان بحثًا جديدًا على صخور “الكبسولة الزمنية” القديمة التي يعود تاريخها إلى ما لا يقل عن 2.5 مليار سنة.

أجرى الباحثون في المتحف الوطني للتاريخ الطبيعي التابع لمؤسسة سميثسونيان تحليلا جديدا لصخور عمرها لا يقل عن 2.5 مليار سنة، مما سلط الضوء على التاريخ الكيميائي للطبقة الموجودة تحت القشرة الأرضية. تعمل النتائج التي توصلوا إليها على تحسين فهمنا للعمليات الجيولوجية المبكرة للأرض وتساهم في النقاش العلمي الطويل الأمد بشأن التاريخ الجيولوجي للكوكب. والجدير بالذكر أن الدراسة تقدم دليلاً على أن حالة الأكسدة في معظم وشاح الأرض ظلت مستقرة على مر الزمن الجيولوجي، مما يتحدى التأكيدات السابقة لباحثين آخرين حول التغيرات الكبرى.

وقالت إليزابيث كوتريل، رئيسة قسم المتحف: “تخبرنا هذه الدراسة بالمزيد حول كيف كان هذا المكان المميز الذي نعيش فيه سطحًا وداخلًا فريدًا مما سمح بوجود الحياة والمياه السائلة”. أمين العلوم المعدنية، مجموعة الصخور الوطنية، والمؤلف المشارك للدراسة. “إنه جزء من قصتنا كبشر، لأن أصولنا كلها تشير إلى كيفية ظهور الأرض وكيف تطورت.”

الأطروحة نشرت في المجلة طبيعةركز على مجموعة من الصخور التي تم جمعها من قاع البحر ذات خصائص جيوكيميائية غير عادية. أي أن الصخور تظهر دليلاً على ذوبان شديد مع قليل جدًا من الأكسدة؛ الأكسدة هي الوقت الذري أو يفقد الجزيء إلكترونًا واحدًا أو أكثر في التفاعل الكيميائي. وبمساعدة التحليلات والنمذجة الإضافية، استخدم الباحثون الخصائص الفريدة لهذه الصخور لإظهار أنها ربما تعود إلى ما لا يقل عن 2.5 مليار سنة مضت خلال الدهر الأركي. كما تظهر النتائج أن وشاح الأرض ككل حافظ على حالة أكسدة مستقرة منذ تشكل هذه الصخور، على عكس ما افترضه الجيولوجيون الآخرون سابقًا.

وتم استخراج صخرة قديمة من قاع البحر وفحصها من قبل فريق البحث. الائتمان: توم كليندينست

وقال كوتريل: “إن الصخور القديمة التي درسناها كانت أقل أكسدة بمقدار 10000 مرة من صخور الوشاح الحديثة النموذجية، ونقدم دليلاً على أن ذلك يرجع إلى ذوبانها في أعماق الأرض خلال العصر الأركي، عندما كان الوشاح أكثر دفئًا مما هو عليه اليوم”. “لقد حاول باحثون آخرون تفسير حالات الأكسدة الأعلى الموجودة في صخور الوشاح الحالي. تشير أدلتنا إلى أن الاختلاف في مستويات الأكسدة يمكن تفسيره ببساطة من خلال تبريد وشاح الأرض على مدى مليارات السنين وعدم كونه ساخنًا بدرجة كافية لإنتاج صخور ذات مستويات أقل. الأكسدة.

الأدلة الجيولوجية ومنهجية البحث

بدأ فريق البحث، بما في ذلك مؤلفة الدراسة الرئيسية سوزان بيرنر، التي أكملت زمالة ما قبل الدكتوراه في المتحف الوطني للتاريخ الطبيعي وهي الآن أستاذة مساعدة في كلية بيريا في كنتاكي، تحقيقاتهم لفهم العلاقة بين القشرة الصلبة للأرض والقشرة الأرضية. قاع البحر الحديث. صخور بركانية. بدأ الباحثون بفحص مجموعة من الصخور المستخرجة من قاع البحر عند حافتين محيطيتين، حيث تنتشر الصفائح التكتونية ويتدحرج الوشاح إلى السطح لتكوين قشرة جديدة.

تم جمع الصخور التي تمت دراستها من موقعين، منطقة كوكل ريدج بالقرب من القطب الشمالي ومنطقة جنوب غرب الهند بين أفريقيا والقارة القطبية الجنوبية، وهي حدود الصفائح التكتونية الأبطأ انتشارًا في العالم. إن معدل الانتشار البطيء عند هذه التلال المحيطية يجعلها هادئة نسبيًا، من الناحية البركانية، مقارنة بالتلال سريعة الانتشار المليئة بالبراكين مثل مرتفع شرق المحيط الهادئ. وهذا يعني أن الصخور التي تم جمعها من هذه التلال المنتشرة ببطء من المرجح أن تكون عينات من الوشاح.

مقدمة سفينة الأبحاث R/V Knorr في البحر عام 2004. يتكون نظام الإطار A من دلو معدني ضخم وسلسلة يتم إنزاله على عمق أكثر من 10000 قدم تحت سطح المحيط ويتم سحبه على طول قاع البحر لجمع العينات الجيولوجية. . ائتمان: إميلي فان آرك

عندما قام الفريق بتحليل صخور الوشاح التي جمعوها من هاتين التلال، اكتشفوا أن لديهم خصائص كيميائية غريبة مشتركة. أولاً، كانت الصخور أكثر انصهارًا من غطاء الأرض اليوم. ثانيًا، الصخور أقل أكسدة بكثير من العينات الأخرى من القشرة الأرضية.

ويعتقد الباحثون أنه بالنسبة لمثل هذه الكمية الكبيرة من الذوبان، لا بد أن الصخور قد ذابت في أعماق الأرض عند درجات حرارة عالية للغاية. الفترة الوحيدة من التاريخ الجيولوجي للأرض هي الفترة ما بين 2.5 إلى 4 مليار سنة مضت خلال الدهر الأركي. ونتيجة لذلك، توقع الباحثون أن صخور الوشاح هذه ربما ذابت خلال العصر الأركي، عندما كانت درجة حرارة باطن الكوكب 360-540 درجة. فهرنهايت (200-300 درجة درجة مئوية) أكثر دفئا من اليوم.

إذا كانت هذه الصخور شديدة المنصهر، فإنها ستحافظ على بصمتها الكيميائية من المزيد من الذوبان، مما يسمح لها بالانتشار في وشاح الأرض لمليارات السنين دون تغيير كيميائيها بشكل كبير.

وقال كوتريل: “هذه الحقيقة وحدها لا تثبت شيئا”. “لكنه يفتح الباب لأن هذه العينات هي كبسولات زمنية جيولوجية حقيقية من العصر القديم.”

التفسير العلمي والبصيرة

استخدم الفريق عدة عينات لقياساتهم لاستكشاف السيناريوهات الجيوكيميائية التي يمكن أن تفسر حالات الأكسدة المنخفضة للصخور المجمعة في كوكل ريدج وجنوب غرب إنديان ريدج. وكشفت النماذج أن مستويات الأكسدة المنخفضة التي تم قياسها في عيناتها ربما تكون ناجمة عن الذوبان في ظل ظروف أكثر دفئا في أعماق الأرض.

يدعم كلا الخطين من الأدلة التفسير القائل بأن الخصائص المميزة للصخور تمثل علامة كيميائية من الذوبان العميق للأرض خلال العصر الأركي، عندما كان الوشاح قادرًا على توليد درجات حرارة عالية للغاية.

في السابق، فسر بعض الجيولوجيين صخور الوشاح ذات حالات الأكسدة المنخفضة كدليل على أن وشاح الأرض الأركي كان أقل أكسدة، وبواسطة بعض الآليات، أصبح أكثر أكسدة بمرور الوقت. تتضمن آليات الأكسدة المقترحة زيادة تدريجية في مستويات الأكسدة بسبب فقدان الغازات إلى الفضاء، وإعادة تدوير قاع البحر القديم، واستمرار مشاركة نواة الأرض في جيوكيمياء الوشاح. ولكن حتى الآن لم يتفق أنصار هذا الرأي حول تفسير واحد.

وبدلاً من ذلك، تشير النتائج الجديدة إلى أن حالة أكسدة وشاح الأرض ظلت مستقرة لمليارات السنين، وأن الأكسدة المنخفضة التي شوهدت في بعض العينات نشأت في ظل ظروف جيولوجية لأن الأرض لم تتمكن من إنتاج وشاحها. ثم تبرد. لذا، بدلًا من بعض الآليات التي تشكل عباءة الأرض إضافي تقول دراسة جديدة إن الأكسدة على مدى مليارات السنين شكلت أجزاء من قشرة أركيان عالية الحرارة أقل يتأكسد. نظرًا لأن غطاء الأرض قد برد منذ العصر الأركي، فإنه لا يمكنه تكوين صخور ذات حالات أكسدة منخفضة جدًا. تقدم عملية التبريد التي قام بها كوتريل في وشاح الكوكب تفسيرًا أبسط بكثير: فالأرض ببساطة لم تشكل صخورًا.

يحاول كوتريل ومعاونوه الآن فهم الضغوط ودرجات الحرارة المرتفعة للغاية الموجودة في نهر الأرك بشكل أفضل من خلال محاكاة العمليات الجيوكيميائية في المختبر والتي شكلت صخور الدثار الأثري من سلسلة جبال كوكو وجنوب غرب الهند.

ملاحظة: سوزان ك. بيرنر، إليزابيث كوتريل، فريد أ. ديفيس وجيسيكا م. وارن، 24 يوليو 2024، “الانصهار العميق والساخن والقديم المسجل بواسطة زوال الأكسجين المنخفض للغاية في البريدوتيت” طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07603-ث

بالإضافة إلى بيرنر وكوتريل، كان فريد ديفيس من جامعة مينيسوتا دولوث وجيسيكا وارن من جامعة ديلاوير مؤلفين مشاركين في الدراسة.

تم دعم هذا البحث من قبل مؤسسة سميثسونيان والمؤسسة الوطنية للعلوم.