Uderzające wizualnie warstwy spalonej pomarańczy, żółci, srebra, brązu i niebiesko zabarwionej czerni 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 powiązania 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 od naszego Układu Słonecznego.
„Te skały opowiadają – całkiem dosłownie – historię zmieniającego się środowiska planetarnego” – powiedział Duncan Keller, główny autor badań i doktor habilitowany na Wydziale Nauk o Ziemi, Środowisku i Planetach Rice’a. „Uosabiają zmianę w chemii atmosfery i oceanów”.
Formacje pasma żelaza to osady chemiczne wytrącane bezpośrednio ze starożytnej wody morskiej bogatej w rozpuszczone żelazo. Uważa się, że metaboliczne działania mikroorganizmów, w tym fotosynteza, ułatwiły wytrącanie się minerałów, które tworzyły się warstwa po warstwie wraz z chertem (mikrokrystalicznym dwutlenkiem krzemu). Największe złoża utworzone w postaci tlenu nagromadziły się w ziemskiej atmosferze około 2,5 miliarda lat temu.
„Skały te powstały w starożytnych oceanach i wiemy, że te oceany zostały później zamknięte bocznie przez procesy tektoniczne płyt” – wyjaśnił Keller.
Płaszcz, choć solidny, płynie jak płyn w tempie zbliżonym do wzrostu paznokci. Płyty tektoniczne – części skorupy i najwyższego płaszcza wielkości kontynentu – są w ciągłym ruchu, głównie w wyniku termicznych prądów konwekcyjnych w płaszczu. Ziemskie procesy tektoniczne kontrolują cykle życia oceanów.
„Podobnie jak Ocean Spokojny jest dziś zamykany – tonie pod Japonią i Ameryką Południową – starożytne baseny oceaniczne zostały zniszczone tektonicznie” – powiedział. „Te skały albo musiały zostać wypchnięte na kontynenty i zachowane – i widzimy niektóre zachowane, stąd pochodzą te, na które patrzymy dzisiaj – lub zostały wchłonięte przez płaszcz”.
Ze względu na wysoką zawartość żelaza formacje pasmowego żelaza są gęstsze niż płaszcz, co skłoniło Keller do zastanowienia się, czy subdukowane fragmenty formacji zatonęły całkowicie w dół i osiadły w najniższym obszarze płaszcza w pobliżu szczytu jądra Ziemi. Tam, pod ogromną temperaturą i ciśnieniem, uległyby głębokim zmianom, ponieważ ich minerały przybrały inną strukturę.
“Istnieje bardzo interesująca praca nad właściwościami tlenków żelaza w tych warunkach” – powiedział Keller. „Mogą stać się wysoce przewodzące ciepło i elektryczność. Niektóre z nich przenoszą ciepło tak łatwo jak metale. Jest więc możliwe, że w dolnym płaszczu skały te zamieniłyby się w wyjątkowo przewodzące grudki, takie jak gorące płyty”.
Keller i jego współpracownicy uważają, że regiony wzbogacone formacjami subdukowanego żelaza mogą sprzyjać tworzeniu się pióropuszy płaszcza, wznoszących się przewodów gorącej skały ponad anomaliami termicznymi w dolnym płaszczu, które mogą wytwarzać ogromne wulkany, takie jak te, które utworzyły Wyspy Hawajskie. „Pod Hawajami dane sejsmologiczne pokazują nam gorący kanał upwellingu płaszcza” – powiedział Keller. „Wyobraź sobie gorące miejsce na palniku. Gdy woda w garnku się zagotuje, zobaczysz więcej bąbelków nad kolumną wznoszącej się wody 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. „Wiele zdarzeń magmowych – które były tak masywne, że 10 lub 15 największych mogło wystarczyć do ponownego wynurzenia całej planety – poprzedziło osadzanie się pasmowej formacji żelaza w odstępach około 241 milionów lat, plus minus 15 milionów. To silna korelacja z mechanizmem, który ma sens”.
Badanie wykazało, że istniał prawdopodobny okres czasu, w którym formacje pasmowego żelaza zostały najpierw wciągnięte głęboko w dolny płaszcz, a następnie wpłynęły na przepływ ciepła, aby skierować pióropusz w kierunku powierzchni Ziemi tysiące kilometrów powyżej.
Starając się prześledzić podróż formacji z pasmem żelaza, Keller przekroczył granice dyscyplin i wpadł na nieoczekiwane spostrzeżenia.
„Jeśli to, co dzieje się we wczesnych oceanach, po tym, jak mikroorganizmy chemicznie zmieniają środowiska powierzchniowe, ostatecznie powoduje ogromne wylanie lawy gdzie indziej na Ziemi 250 milionów lat później, oznacza to, że te procesy są ze sobą powiązane i„ rozmawiają ”- powiedział Keller. „Oznacza to również, że powiązane procesy mogą mieć skalę długości znacznie większą, niż ludzie się spodziewali. Aby móc to wywnioskować, musieliśmy korzystać z danych z wielu różnych dziedzin z zakresu mineralogii, geochemii, geofizyki i sedymentologii”.
Keller ma nadzieję, że badanie zachęci do dalszych badań. „Mam nadzieję, że zmotywuje to 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”.
Keller jest częścią programu CLEVER Planets: Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets, interdyscyplinarnej, wieloinstytucjonalnej grupy naukowców kierowanej przez Rajdeepa Dasguptę, W. Maurice’a Ewinga profesora Rice’s of Earth Systems Science w Departamencie Ziemi, Nauki o środowisku i planetarne.
„Jest to niezwykle interdyscyplinarna współpraca, która ma 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 rolę, jaką odgrywają w potencjalnie czyniąc planety nadającymi się do zamieszkania” – powiedział Keller.
„Używamy Ziemi jako najlepszego przykładu, jaki mamy, ale próbujemy dowiedzieć się, co obecność lub brak jednego lub niektórych z tych pierwiastków może oznaczać dla planet bardziej ogólnie” – dodał.
Cin-Ty Lee, Harry Carothers Wiess profesor geologii, nauk o Ziemi, środowisku i planetach z Rice oraz Dasgupta są współautorami badania. Inni współautorzy to Santiago Tassara, adiunkt na Uniwersytecie Bernardo O’Higgins w Chile, oraz Leslie Robbins, adiunkt na Uniwersytecie Regina w Kanadzie, którzy obaj odbyli staże podoktoranckie na Uniwersytecie Yale oraz Yale Professor of Earth and Planetary Sciences Jay Ague, doradca doktorski Kellera.
NASA (80NSSC18K0828) oraz Kanadyjska Rada Badań Nauk Przyrodniczych i Inżynierii (RGPIN-2021-02523) wsparły badania.