En banbrytande återhämtning av mantelstenar av forskare ger nya insikter om jordens vulkaniska aktivitet, elementarcykler och möjligen livets ursprung, vilket markerar ett betydande framsteg inom geovetenskapen.
Ett internationellt team har börjat undersöka mantelns roll för att stödja livet på jorden, driva vulkanism och påverka globala cykler.
Forskare har framgångsrikt återvunnit den första långa delen av stenar som kommer från jordens mantel, lagret under jordskorpan och planetens största komponent. Dessa stenar förväntas kasta ljus över mantelns roll i livets ursprung på jorden, den vulkaniska aktiviteten som uppstår när den smälter och dess inflytande på de globala kretsloppen av avgörande element som kol och väte, enligt forskargruppen.
De nästan kontinuerliga 1 268 meter (4160 fot) mantelberget återvanns från ett ”tektoniskt fönster”, en del av havsbotten där stenar från manteln exponerades längs Mid-Atlantic Ridge, under Expedition 399 ”Building Blocks of Life, Atlantis Massif” av havsborrfartyget JOIDES Upplösning våren 2023.
Med försök som går tillbaka till början av 1960-talet var återhämtningen en rekordstor prestation ledd av International Ocean Discovery Program, ett internationellt havsforskningskonsortium med mer än 20 länder som hämtar kärnor – cylindriska prover av sediment och sten – från havsbotten att studera jordens historia.
Forskarna säger att stenarna som återvunnits från manteln liknar dem som fanns på den tidiga jorden snarare än de vanligare stenarna som utgör våra kontinenter idag. Kredit: Professor Johan Lissenberg
Analysera de återvunna stenarna
Sedan dess har expeditionsteamet sammanställt en inventering av de återvunna mantelstenarna för att förstå deras sammansättning, struktur och sammanhang.
Deras resultat, presenterade i tidskriften Vetenskapavslöjar en mer omfattande historia av smältning i de återvunna stenarna än väntat.
Huvudförfattaren professor Johan Lissenberg från Cardiff Universitys School of Earth and Environmental Sciences, sa: ”När vi återhämtade stenarna förra året var det en stor bedrift i geovetenskapens historia, men mer än så ligger dess värde i vad kärnorna i mantelstenar kan berätta om vår planets makeup och utveckling. Vår studie börjar titta på mantelns sammansättning genom att dokumentera mineralogin hos de återvunna stenarna, såväl som deras kemiska sammansättning. Våra resultat skiljer sig från vad vi förväntade oss. Det finns mycket mindre av mineralet pyroxen i stenarna, och stenarna har mycket höga koncentrationer av magnesium, som båda beror på mycket högre mängder smältning än vad vi skulle ha förutspått.”
Professor Johan Lissenberg (vänster) och kollegor analyserade kärnorna, som återfanns från ett ”tektoniskt fönster” på Midatlantic Ridge. Kredit: Lesley Anderson, Exp. 399, JRSO_IODP
Denna smältning inträffade när manteln steg från de djupare delarna av jorden mot ytan.
Resultat från ytterligare analys av denna process kan få stora konsekvenser för förståelsen av hur magma bildas och leder till vulkanism, hävdar forskarna.
”Vi hittade också kanaler genom vilka smältan transporterades genom manteln, så vi kan spåra magmans öde efter att den har bildats och färdats uppåt till jordens yta. Detta är viktigt eftersom det berättar för oss hur manteln smälter och matar vulkaner, särskilt de på havsbotten som står för majoriteten av vulkanismen på jorden. Att ha tillgång till dessa mantelbergarter kommer att tillåta oss att skapa kopplingen mellan vulkanerna och den ultimata källan till deras magma.”
Potentiell länk till livets ursprung
Studien ger också initiala resultat om hur olivin, ett rikligt mineral i mantelbergarter, reagerar med havsvatten, vilket leder till en rad kemiska reaktioner som producerar väte och andra molekyler som kan bränsle till liv.
Forskare tror att detta kan ha varit en av de bakomliggande processerna i uppkomsten av liv på jorden.
Dr Susan Q Lang, biträdande forskare i geologi och geofysik vid Woods Hole Oceanographic Institution, som var en av chefsforskare på expeditionen och en del av ett team som fortsatte att analysera sten- och vätskeprover, sa: ”Stenarna som var närvarande på den tidiga jorden har en närmare likhet med dem vi hämtade under denna expedition än de vanligare stenarna som utgör våra kontinenter idag.
Expedition 399 ”Building Blocks of Life, Atlantis Massif” från havsborrfartyget JOIDES Resolution som återvann de 1 268 m av nästan kontinuerlig mantelberg under våren 2023. Kredit: Thomas Ronge (Exp. 399, JRSO_IODP)
”Att analysera dem ger oss en kritisk syn på de kemiska och fysiska miljöer som skulle ha funnits tidigt i jordens historia, och som kunde ha tillhandahållit en konsekvent källa till bränsle och gynnsamma förhållanden över geologiskt långa tidsramar för att ha varit värd för de tidigaste livsformerna. ”
Det internationella teamet med mer än 30 forskare från JOIDES Resolution-expeditionen kommer att fortsätta sin forskning om de återvunna borrkärnorna för att ta itu med ett brett spektrum av problem.
Dr. Andrew McCaig, en docent vid School of Earth and Environment vid University of Leeds, som var den ledande förespråkaren för Expedition 399 och en chefsforskare på Expeditionen tillade: ”Alla inblandade i Expedition 399, med början första förslaget 2018, kan vara stolta över de resultat som dokumenterats i detta dokument. Vårt nya djupa hål kommer att vara en typsektion i decennier framöver inom så olika discipliner som smältprocesser i manteln, kemiskt utbyte mellan stenar och havet, organisk geokemi och mikrobiologi. All data från expeditionen kommer att vara fullt tillgänglig, ett exempel på hur internationell vetenskap bör bedrivas.”