Một lát đá cổ mỏng được thu thập từ Dãy núi Gakkel gần Bắc Cực, chụp ảnh dưới kính hiển vi và nhìn dưới ánh sáng phân cực chéo. Chiều rộng trường ~ 14 mm. Phân tích đá mặt cắt mỏng giúp các nhà địa chất xác định và mô tả các khoáng chất trong đá. Các phân tích tiết lộ thông tin về thành phần khoáng vật, kết cấu và lịch sử của đá, chẳng hạn như cách nó hình thành và bất kỳ thay đổi nào sau đó mà nó trải qua. Các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp xác định thành phần hóa học của khoáng chất trong những tảng đá cổ xưa này từ lớp phủ Trái đất để xác định các điều kiện khiến những tảng đá này tan chảy. Bản quyền: E. Cottrell, Smithsonian

Các nhà khoa học Smithsonian đang tiến hành nghiên cứu mới về những tảng đá “viên nang thời gian” cổ xưa, có niên đại ít nhất 2,5 tỷ năm.

Các nhà nghiên cứu tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Quốc gia Smithsonian đã tiến hành một phân tích mới về các loại đá được cho là có niên đại ít nhất 2,5 tỷ năm tuổi, làm sáng tỏ lịch sử hóa học của lớp phủ Trái đất, lớp bên dưới lớp vỏ hành tinh. Phát hiện của họ nâng cao hiểu biết của chúng ta về các quá trình địa chất lâu đời nhất của Trái đất và góp phần vào cuộc tranh luận khoa học lâu dài về lịch sử địa chất của hành tinh. Đáng chú ý, nghiên cứu này cung cấp bằng chứng cho thấy trạng thái oxy hóa của hầu hết lớp phủ Trái đất vẫn ổn định theo thời gian địa chất, thách thức những khẳng định trước đây của các nhà nghiên cứu khác về những biến đổi lớn.

Elizabeth Cottrell, người đứng đầu Khoa Khoáng vật học của bảo tàng cho biết: “Nghiên cứu này cho chúng ta biết thêm về việc nơi đặc biệt mà chúng ta đang sống này đã trở thành như thế nào hiện nay, với bề mặt và nội thất độc đáo cho phép tồn tại sự sống và nước ở dạng lỏng”. , người phụ trách Bộ sưu tập Đá Quốc gia và đồng tác giả của nghiên cứu: “Đó là một phần câu chuyện của chúng ta với tư cách là con người bởi vì nguồn gốc của chúng ta đều quay trở lại cách Trái đất được hình thành và cách nó phát triển.”

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí thiên nhiên, tập trung vào một nhóm đá được thu thập từ đáy biển có đặc tính địa hóa bất thường. Cụ thể, các loại đá có bằng chứng về sự hòa tan cực độ với mức độ oxy hóa rất thấp; Sự oxy hóa là khi Ngô Hoặc một phân tử mất một hoặc nhiều electron trong phản ứng hóa học. Với sự hỗ trợ của phân tích và mô hình hóa bổ sung, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các đặc tính độc đáo của những loại đá này để chứng minh rằng chúng có thể có niên đại ít nhất 2,5 tỷ năm trong thời kỳ Archean. Hơn nữa, kết quả cho thấy lớp phủ Trái đất nhìn chung duy trì trạng thái oxy hóa ổn định kể từ khi những tảng đá này hình thành, trái ngược với những gì các nhà địa chất khác đã giả định trước đây.

Một tảng đá cổ được khai thác từ đáy biển và được nhóm nghiên cứu nghiên cứu. Nguồn ảnh: Tom Kleindienst

Cottrell cho biết: “Những tảng đá cổ xưa mà chúng tôi nghiên cứu ít bị oxy hóa hơn 10.000 lần so với đá lớp phủ hiện đại điển hình và chúng tôi cung cấp bằng chứng cho thấy điều này là do sự tan chảy sâu bên trong Trái đất trong thời kỳ Archean, khi lớp phủ nóng hơn ngày nay”. Những người khác giải thích mức độ oxy hóa cao hơn được thấy trong đá từ lớp phủ ngày nay bằng cách gợi ý rằng một sự kiện oxy hóa hoặc biến đổi đã xảy ra giữa Archean và ngày nay. “Bằng chứng của chúng tôi cho thấy sự khác biệt về mức độ oxy hóa có thể được giải thích đơn giản bởi thực tế là lớp phủ Trái đất đã nguội đi trong hàng tỷ năm và không còn đủ nóng để tạo ra đá có mức độ oxy hóa thấp như vậy”.

Bằng chứng địa chất và phương pháp nghiên cứu

Nhóm nghiên cứu, bao gồm tác giả chính của nghiên cứu Susan Berner, người đã hoàn thành nghiên cứu sinh tiền tiến sĩ tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Quốc gia và hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Berea ở Kentucky, đã bắt đầu cuộc điều tra để tìm hiểu mối quan hệ giữa lớp phủ rắn của Trái đất và núi lửa hiện đại. đá dưới đáy biển. Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng việc nghiên cứu một nhóm đá được khai quật từ đáy biển ở hai sống núi đại dương, nơi các mảng kiến ​​tạo phân kỳ và lớp phủ di chuyển lên bề mặt và tạo ra lớp vỏ mới.

Hai nơi mà các tảng đá được nghiên cứu được thu thập, Dãy núi Jackyll gần Bắc Cực và Dãy Tây Nam Ấn Độ giữa Châu Phi và Nam Cực, nằm trong số những ranh giới mảng kiến ​​​​tạo lan truyền chậm nhất trên thế giới. Tốc độ lan truyền chậm ở các rặng đại dương này có nghĩa là chúng tương đối yên tĩnh, nói về mặt núi lửa, so với các rặng núi lửa lan rộng nhanh hơn như Sườn Đông Thái Bình Dương. Điều này có nghĩa là đá được thu thập từ các rặng núi lan rộng chậm này có khả năng là mẫu của chính lớp phủ.

Đuôi tàu nghiên cứu R/V Knorr trên biển năm 2004. Thân tàu hình chữ A giữ thùng kim loại khổng lồ và dây xích được hạ thấp hơn 10.000 feet dưới bề mặt đại dương và kéo dọc theo đáy biển để thu thập các mẫu địa chất. Bản quyền: Emily Van Ark

Khi nhóm nghiên cứu phân tích các lớp đá manti mà họ thu thập được từ hai rặng núi này, họ phát hiện ra rằng chúng có những đặc tính hóa học kỳ lạ. Đầu tiên, đá đã tan chảy ở mức độ lớn hơn nhiều so với mức độ điển hình của đá lớp phủ ngày nay. Thứ hai, đá ít bị oxy hóa hơn nhiều so với hầu hết các mẫu đá lớp phủ khác.

Để đạt được mức độ nóng chảy cao như vậy, các nhà nghiên cứu kết luận rằng đá phải tan chảy sâu trong lòng đất ở nhiệt độ rất cao. Thời kỳ duy nhất trong lịch sử địa chất Trái đất được biết có nhiệt độ cao như vậy là từ 2,5 đến 4 tỷ năm trước trong thời kỳ Archean Eon. Do đó, các nhà nghiên cứu kết luận rằng những tảng đá lớp phủ này có thể đã tan chảy trong Kỷ Archean, khi nhiệt độ bên trong hành tinh nằm trong khoảng từ 360 đến 540 độ. F (200-300 độ độ C) nóng hơn ngày nay.

Khả năng hòa tan cao sẽ bảo vệ những tảng đá này khỏi sự tan chảy hơn nữa, điều có thể làm thay đổi đặc tính hóa học của chúng, cho phép chúng lưu thông trong lớp phủ Trái đất trong hàng tỷ năm mà không làm thay đổi đáng kể tính chất hóa học của chúng.

Cottrell nói: “Thực tế này không chứng minh được bất cứ điều gì, nhưng nó mở ra khả năng những mẫu này đóng vai trò là những viên nang thời gian địa chất thực sự có niên đại từ thời Archean”.

Giải thích và hiểu biết khoa học

Để khám phá các kịch bản địa hóa có thể giải thích mức độ oxy hóa thấp của đá được thu thập tại Jackel Ridge và tây nam Indian Ridge, nhóm nghiên cứu đã áp dụng nhiều mô hình cho các phép đo của họ. Các mô hình tiết lộ rằng mức độ oxy hóa thấp mà họ đo được trong các mẫu có khả năng là do tan chảy trong điều kiện cực nóng ở sâu trong lòng Trái đất.

Cả hai dòng bằng chứng đều ủng hộ cách giải thích rằng các đặc tính không điển hình của đá thể hiện dấu hiệu hóa học do sự tan chảy sâu bên trong Trái đất trong thời Archean, khi lớp phủ có khả năng tạo ra nhiệt độ cực cao.

Trước đây, một số nhà địa chất giải thích đá lớp phủ có mức độ oxy hóa thấp là bằng chứng cho thấy lớp phủ Archean ít bị oxy hóa hơn và thông qua một cơ chế nào đó, nó đã bị oxy hóa nhiều hơn theo thời gian. Các cơ chế oxy hóa được đề xuất bao gồm sự gia tăng dần dần mức độ oxy hóa do mất khí vào không gian, tái chế đáy biển cổ xưa bằng cách hút chìm và tiếp tục tham gia vào lõi Trái đất trong hóa học lớp phủ. Nhưng cho đến nay, những người ủng hộ quan điểm này vẫn chưa thống nhất được bất kỳ lời giải thích nào.

Thay vào đó, những phát hiện mới ủng hộ quan điểm rằng mức độ oxy hóa trong lớp phủ Trái đất hầu như không đổi trong hàng tỷ năm và mức độ oxy hóa thấp được thấy ở một số mẫu lớp phủ xuất hiện trong điều kiện địa chất mà Trái đất không thể tạo ra nữa vì lớp phủ của nó. từ đó đã nguội lạnh. Vì vậy, thay vì cơ chế nào đó tạo nên lớp vỏ Trái Đất hơn bị oxy hóa trong hàng tỷ năm và nghiên cứu mới khẳng định rằng nhiệt độ cao trong kỷ nguyên Archean đã tạo ra các phần của lớp phủ ít hơn Bởi vì bầu khí quyển của Trái đất đã nguội đi kể từ thời Archean nên nó không còn khả năng tạo ra những loại đá có mức độ oxy hóa rất thấp nữa. Cottrell cho biết quá trình làm mát bầu khí quyển Trái đất đưa ra một lời giải thích đơn giản hơn nhiều: Đơn giản là Trái đất không còn tạo ra đá như trước đây nữa.

Cottrell và các đồng nghiệp của cô hiện đang tìm cách hiểu rõ hơn về các quá trình địa hóa hình thành nên lớp phủ Archean của dãy Jackyll và dãy tây nam Ấn Độ bằng cách mô phỏng áp suất và nhiệt độ cực cao được tìm thấy ở Archaea trong phòng thí nghiệm.

Tham khảo: “Sự tan chảy sâu, nóng, cổ xưa được ghi lại bởi lượng oxy cực thấp trong Peridotite” của Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell và Fred A. Davis và Jessica M. Warren, ngày 24 tháng 7 năm 2024, thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Ngoài Berner và Cottrell, nghiên cứu còn có đồng tác giả là Fred Davis của Đại học Minnesota Duluth và Jessica Warren của Đại học Delaware.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Viện Smithsonian và Quỹ khoa học quốc gia.