Korzystając z technik synchrotronowych, naukowcy odsłonili ważne informacje na temat Wielkiego Zdarzenia Utleniania, badając wtrącenia apatytu w kryształach cyrkonu ze starych magm za pomocą ESRF – Niezwykle genialnego źródła. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Geoscience.
Około 2,4 miliarda lat temu miał miejsce kluczowy moment w historii Ziemi: Wielkie Wydarzenie Utleniania. W tym okresie w atmosferze zgromadziła się znaczna ilość tlenu. Ten gwałtowny wzrost produkcji tlenu doprowadził do radykalnej zmiany składu atmosfery, zmieniając skład chemiczny planety. Wydarzenie to stanowiło punkt zwrotny, gdy wzrósł poziom tlenu, umożliwiając rozwój bardziej złożonych wielokomórkowych form życia i zasadniczo przekształcając ziemskie ekosystemy.
Tektonika płyt to skuteczny mechanizm obiegu i wymiany pierwiastków pomiędzy powierzchnią Ziemi, atmosferą i płaszczem. W miarę jak góry ulegają wietrzeniu i erozji w wyniku interakcji z wodą i atmosferą, rozkładają się na osady. Osady te są następnie częściowo zawracane do płaszcza w procesie subdukcji (jedna płyta tektoniczna zapada się pod drugą). Tworzenie się magm w płaszczu powyżej stref subdukcji zapewnia wyjątkową okazję do zbadania, w jaki sposób atmosfera mogła wpłynąć na płaszcz poprzez asymilację materiałów z subdukowanych osadów, oferując wgląd w tę intrygującą zależność geologiczną.
Naukowcy od dawna próbują zbadać interakcję między atmosferą a płaszczem Ziemi. Misja jest już skomplikowana do wykonania na współczesnej Ziemi, a jeszcze bardziej na początku Ziemi, kiedy atmosfera i tektonika płyt zmieniały się w szybkim tempie. Zespół kierowany przez Uniwersytety w Montpellier i Uniwersytet w Portsmouth połączył siły z ESRF – Europejskim Synchrotronem – i znalazł sposób na pokonanie przeszkód poprzez badanie inkluzji apatytu w cyrkonie ze stref subdukcji.
„W 2017 r. w artykule na temat mineralnego apatytu ujawniono, że gdy rośnie on w warunkach obniżonych, co oznacza, że wolnego tlenu do reakcji chemicznych jest niewiele lub nie ma go wcale, jego siarka będzie wykazywać bardzo specyficzną charakterystykę. Jeśli jednak krystalizuje w warunkach utlenionych, siarka wewnątrz apatytu wyglądałaby zupełnie inaczej. Oznacza to, że apatyt jest wskaźnikiem zastępczym warunków redoks” – wyjaśnia Hugo Moreira, doktorant CNRS na Uniwersytecie w Montpellier i pierwszy autor artykułu.
Moreira i współpracownicy postanowili zbadać wtrącenia fosforanowo-mineralnego apatytu w ziarnach cyrkonu krystalizowanych w magmach powstałych w starożytnej strefie subdukcji i zmierzyli ich specjację wartościowości siarki za pomocą absorpcji promieni rentgenowskich w pobliżu struktury krawędziowej (XANES) w ESRF, najjaśniejszym synchrotronowe źródło światła.
Wbudowywanie i specjacja siarki w apatycie jest nieodłącznie zależna od lotności tlenu w magmie i dlatego idealnie nadaje się do oceny stopnia utlenienia podczas ewolucji układów magmowych. „Zastosowanie wtrąceń apatytu w cyrkonach zamiast apatytu z matrycy skalnej było najważniejsze, ponieważ wtrącenia zostały osłonięte niezwykle wytrzymałymi kryształami cyrkonu, co pozwoliło zachować ich oryginalny skład” – wyjaśnia Moreira.
Wyniki eksperymentu pokazują, że wtrącenia apatytu w cyrkonach z magm, które skrystalizowały przed Wielkim Utlenianiem, mają stosunkowo obniżony stan redoks siarki, podczas gdy po Wielkim Utlenianiu są bardziej utlenione. Analiza cyrkonu pokazuje, że magmy te miały podobne źródło i że młodsze próbki zawierały składnik osadowy. Ogólnie rzecz biorąc, wyraźny wniosek jest taki, że osady dotknięte coraz bardziej utlenioną atmosferą zmodyfikowały płaszcz i przesunęły lotność magmy w kierunku bardziej utlenionych warunków.
„Nasze badanie pokazuje, że badanie wtrąceń apatytu w cyrkonie za pomocą synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego jest potężnym narzędziem do ograniczania krytycznego parametru magmy” – podsumowuje Moreira.
Następnym krokiem zespołu jest zbadanie innych magm, które skrystalizowały w kluczowych okresach historii Ziemi, takich jak neoproterozoiczne wydarzenie utleniające (rozpoczęte 850 milionów lat temu) i kiedy w okresie archajskim pojawiły się pierwsze oznaki tlenu.