En tunn skiva av de gamla stenarna som samlats in från Gakkel Ridge nära Nordpolen, fotograferad under ett mikroskop och sett under korspolariserat ljus. Fältbredd ~ 14mm. Att analysera stenar i tunna sektioner hjälper geologer att identifiera och karakterisera mineraler i en bergart. Analyserna avslöjar information om bergartens mineralsammansättning, struktur och historia, såsom hur den har bildats och eventuella förändringar som den har genomgått. Forskare använder identifieringen och den kemiska sammansättningen av mineralerna i dessa gamla stenar från jordens mantel för att bestämma de förhållanden under vilka dessa stenar smälte. Kredit: E. Cottrell, Smithsonian
Smithsonian-forskare bedriver ny forskning på uråldriga ”tidkapselstenar” som går tillbaka i minst 2,5 miljarder år.
Forskare vid Smithsonians National Museum of Natural History har genomfört en ny analys av bergarter som tros vara minst 2,5 miljarder år gamla, och kastar ljus över den kemiska historien om jordens mantel, lagret under planetens skorpa. Deras resultat förbättrar vår förståelse av jordens tidigaste geologiska processer och bidrar till en långvarig vetenskaplig debatt om planetens geologiska historia. I synnerhet ger studien bevis på att oxidationstillståndet för större delen av jordens mantel har förblivit stabil över geologisk tid, vilket utmanar tidigare påståenden från andra forskare om stora övergångar.
”Denna studie berättar mer om hur denna speciella plats vi bor på kom att bli som den är, med sin unika yta och inredning som har tillåtit liv och flytande vatten att existera”, säger Elizabeth Cottrell, ordförande för museets avdelning för mineral sciences, curator för National Rock Collection och medförfattare till studien. ”Det är en del av vår historia som människor eftersom vårt ursprung går tillbaka till hur jorden bildades och hur den har utvecklats.”
Studien, publicerad i tidskriften Natur, centrerad på en grupp stenar samlade från havsbotten som hade ovanliga geokemiska egenskaper. Stenarna visar nämligen tecken på att ha smält i extrem grad med mycket låga oxidationsnivåer; oxidation är när en atom eller molekyl förlorar en eller flera elektroner i en kemisk reaktion. Med hjälp av ytterligare analyser och modellering använde forskarna de unika egenskaperna hos dessa bergarter för att visa att de troligen går tillbaka till minst 2,5 miljarder år sedan under den arkeiska eonen. Vidare visar fynden att jordens mantel totalt sett har behållit ett stabilt oxidationstillstånd sedan dessa bergarter bildades, i motsats till vad andra geologer tidigare har teoretiserat.
En gammal sten muddrad från havsbotten och studerad av forskargruppen. Kredit: Tom Kleindinst
”De uråldriga bergarterna vi studerade är 10 000 gånger mindre oxiderade än typiska moderna mantelbergarter, och vi presenterar bevis för att detta beror på att de smälte djupt i jorden under arkean, när manteln var mycket varmare än den är idag,” sa Cottrell. ”Andra forskare har försökt förklara de högre oxidationsnivåerna som ses i bergarter från dagens mantel genom att antyda att en oxidationshändelse eller förändring har ägt rum mellan det arkeiska området och idag. Våra bevis tyder på att skillnaden i oxidationsnivåer helt enkelt kan förklaras av det faktum att jordens mantel har svalnat under miljarder år och inte längre är tillräckligt varm för att producera stenar med så låga oxidationsnivåer.”
Geologiska bevis och studiemetodik
Forskargruppen – inklusive huvudstudieförfattaren Suzanne Birner som avslutade ett fördoktorandstipendium vid National Museum of Natural History och nu är biträdande professor vid Berea College i Kentucky – började sin undersökning för att förstå förhållandet mellan jordens solida mantel och moderna havsbotten vulkaniska stenar. Forskarna började med att studera en grupp stenar som muddrades från havsbotten vid två oceaniska åsar där tektoniska plattor sprids isär och manteln väller upp till ytan och producerar ny skorpa.
De två platserna som de studerade stenarna samlades in från, Gakkelryggen nära Nordpolen och Southwest Indian Ridge mellan Afrika och Antarktis, är två av de tektoniska plattgränserna i världen som sprider sig långsammast. Den långsamma spridningstakten vid dessa havsryggar gör att de är relativt tysta, vulkaniskt sett, jämfört med snabbare spridande åsar som är pepprade av vulkaner som East Pacific Rise. Detta innebär att stenar som samlas in från dessa långsamt spridande åsar är mer sannolikt att vara prover av själva manteln.
Aktern på forskningsfartyget, R/V Knorr medan den var till havs 2004. A-ramstrukturen håller den gigantiska metall- och kedjeskopan som sänks mer än 10 000 fot under havsytan och släpas längs havsbotten för att samla in geologiska prover . Kredit: Emily Van Ark
När teamet analyserade mantelstenarna de samlade in från dessa två åsar, upptäckte de att de hade konstiga kemiska egenskaper gemensamma. För det första hade stenarna smälts i mycket större utsträckning än vad som är typiskt för jordens mantel idag. För det andra var stenarna mycket mindre oxiderade än de flesta andra prover av jordens mantel.
För att uppnå en så hög grad av smältning resonerade forskarna att stenarna måste ha smält djupt i jorden vid mycket höga temperaturer. Den enda perioden av jordens geologiska historia som är känd för att innefatta så höga temperaturer var för mellan 2,5 och 4 miljarder år sedan under den arkeiska eonen. Följaktligen drog forskarna slutsatsen att dessa mantelstenar kan ha smält under arkeiska havet, när planetens insida var 360–540 grader Fahrenheit (200–300 grader Celsius) varmare än det är idag.
Att vara så extremt smält skulle ha skyddat dessa bergarter från ytterligare smältning som kunde ha förändrat deras kemiska signatur, så att de kunde cirkulera i jordens mantel i miljarder år utan att väsentligt ändra deras kemi.
”Detta faktum ensamt bevisar ingenting,” sa Cottrell. ”Men det öppnar dörren till att dessa prover är äkta geologiska tidskapslar från arkeiska.”
Vetenskaplig tolkning och insikter
För att utforska de geokemiska scenarierna som kan förklara de låga oxidationsnivåerna för bergarterna som samlats vid Gakkel Ridge och Southwest Indian Ridge, använde teamet flera modeller för sina mätningar. Modellerna avslöjade att de låga oxidationsnivåerna de mätte i sina prover kunde ha orsakats av smältning under extremt varma förhållanden djupt inne i jorden.
Båda linjerna av bevis stödde tolkningen att stenarnas atypiska egenskaper representerade en kemisk signatur från att ha smält djupt i jorden under Arkean, när manteln kunde producera extremt höga temperaturer.
Tidigare har vissa geologer tolkat mantelbergarter med låga oxidationsnivåer som bevis på att den arkeiska jordens mantel var mindre oxiderad och att den genom någon mekanism har blivit mer oxiderad med tiden. Föreslagna oxidationsmekanismer inkluderar en gradvis ökning av oxidationsnivåer på grund av förlust av gaser till rymden, återvinning av gammal havsbotten genom subduktion och pågående deltagande av jordens kärna i mantelgeokemi. Men hittills har förespråkarna för denna uppfattning inte samlats kring någon förklaring.
Istället stöder de nya fynden uppfattningen att oxidationsnivån för jordens mantel har varit i stort sett stabil i miljarder år, och att den låga oxidationen som ses i vissa prover av manteln skapades under geologiska förhållanden som jorden inte längre kan producera eftersom dess mantel har sedan dess svalnat. Så istället för någon mekanism som gör jordens mantel Mer oxiderat under miljarder år, hävdar den nya studien att arkeiska höga temperaturer gjorde delar av manteln mindre oxiderad. Eftersom jordens mantel har svalnat sedan arkean, kan den inte längre producera stenar med superlåga oxidationsnivåer. Cottrell sa att processen med planetens mantelkylning ger en mycket enklare förklaring: Jorden gör helt enkelt inte stenar som den brukade göra.
Cottrell och hennes medarbetare försöker nu bättre förstå de geokemiska processer som formade de arkeiska mantelklipporna från Gakkel Ridge och Southwest Indian Ridge genom att simulera i labbet de extremt höga tryck och temperaturer som finns i Archean.
Förutom Birner och Cottrell var Fred Davis från University of Minnesota Duluth och Jessica Warren från University of Delaware medförfattare till studien.
Forskningen stöddes av Smithsonian och National Science Foundation.