lượng oxy Bầu khí quyển của trái đất làm cho nó trở thành một hành tinh có thể ở được.

Hai mươi mốt phần trăm bầu khí quyển bao gồm yếu tố mang lại sự sống này. Nhưng trong quá khứ sâu thẳm — từ thời hiện đại, 2,8 đến 2,5 tỷ năm trước — Oxy này hầu như không có.

Vậy làm thế nào mà bầu khí quyển của Trái đất trở nên giàu oxy?

Nghiên cứu của chúng tôixuất bản năm Khoa học trái đất tự nhiêncho biết thêm một khả năng mới đầy trêu ngươi: rằng ít nhất một số oxy ban đầu của Trái đất đến từ một nguồn kiến ​​​​tạo thông qua chuyển động và phá hủy lớp vỏ Trái đất.

đất Archean

Kỷ Archean đại diện cho một phần ba lịch sử của hành tinh chúng ta, từ 2,5 tỷ năm trước đến 4 tỷ năm trước.

Vùng đất kỳ lạ này là một thế giới nước bao phủ đại dương xanhbao phủ trong khói mêtan, và hoàn toàn không có trong sự sống đa bào. Một khía cạnh kỳ lạ khác của thế giới này là bản chất hoạt động kiến ​​tạo của nó.

Trên Trái đất hiện đại, hoạt động kiến ​​tạo chiếm ưu thế được gọi là kiến ​​tạo mảng, trong đó lớp vỏ đại dương—lớp đất ngoài cùng bên dưới các đại dương—chìm vào lớp phủ của Trái đất (khu vực giữa lớp vỏ và lõi Trái đất) tại các điểm gặp nhau được gọi là đới hút chìm. Tuy nhiên, có một cuộc tranh luận đáng kể về việc liệu kiến ​​tạo mảng có quay trở lại trong kỷ nguyên Archean hay không.

Một đặc điểm của các đới hút chìm gần đây là khả năng kết nối của chúng magma bị oxy hóa. Loại magma này hình thành khi trầm tích bị oxy hóa và nước dưới đáy – vùng nước lạnh, đặc – hình thành gần đáy đại dương. được đưa vào lớp phủ của Trái đất. Điều này tạo ra magma với hàm lượng oxy và nước cao hơn.

Nghiên cứu của chúng tôi nhằm mục đích kiểm tra xem liệu sự vắng mặt của chất oxy hóa trong nước và trầm tích dưới đáy Archean có thể ngăn chặn sự hình thành của magma bị oxy hóa hay không. Việc xác định magma như vậy trong đá lửa mới có thể cung cấp bằng chứng cho thấy quá trình kiến ​​tạo mảng và hút chìm đã xảy ra cách đây 2,7 ​​tỷ năm.

Trải qua

Chúng tôi đã thu thập các mẫu đá granit từ 2.750 đến 2.670 triệu năm tuổi từ khắp tiểu quận Abetepe Wawa của Tỉnh Thượng—lục địa Archean được bảo tồn lớn nhất trải dài 2.000 km từ Winnipeg, Manitoba, đến vùng viễn đông Quebec. Điều này cho phép chúng tôi điều tra mức độ oxy hóa magma được tạo ra trong suốt thời đại mới.

Việc đo lường trạng thái oxy hóa của những loại đá lửa này – được hình thành thông qua quá trình làm mát và kết tinh của magma hoặc dung nham – là một thách thức. Các sự kiện hậu kết tinh có thể đã biến đổi những tảng đá này thông qua biến dạng, chôn vùi hoặc nung nóng sau đó.

Vì vậy, chúng tôi quyết định xem xét khoáng sản apatitnằm ở tinh thể zircon trong những tảng đá này. Tinh thể zircon có thể chịu được nhiệt độ khắc nghiệt và ứng suất từ ​​các sự kiện hậu kết tinh. Họ nắm giữ manh mối về môi trường mà chúng được hình thành ban đầu và cung cấp độ tuổi chính xác cho chính những tảng đá.

Các tinh thể apatit cực nhỏ có chiều rộng chưa đến 30 micron—kích thước của một tế bào da người—được giữ lại trong các tinh thể zircon. chứa lưu huỳnh. Bằng cách đo lượng lưu huỳnh trong apatit, chúng ta có thể xác định xem apatit có phát triển từ magma bị oxy hóa hay không.

Chúng tôi quản lý để đo lường thoát oxy của magma Archean ban đầu – về cơ bản là có bao nhiêu oxy tự do trong đó – sử dụng một kỹ thuật chuyên biệt gọi là quang phổ hấp thụ tia X gần cấu trúc vành (S-XANES) tại Nguồn Photon nâng cao của Synchrotron Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Illinois.

Tạo ra oxy từ nước?

Chúng tôi phát hiện ra rằng hàm lượng lưu huỳnh của magma, ban đầu gần bằng 0, đã tăng lên 2.000 ppm vào khoảng 2.705 triệu năm trước. Điều này chỉ ra rằng magma đã trở nên giàu lưu huỳnh. Ngoài ra, các Ưu thế của S6+ – một loại ion lưu huỳnh – trong apatit Ông cho rằng lưu huỳnh là từ một nguồn oxy hóa, giống hệt nhau Dữ liệu từ các tinh thể zircon chủ.

Những phát hiện mới này chỉ ra rằng magma bị oxy hóa hình thành trong kỷ nguyên hiện đại, 2,7 tỷ năm trước. Dữ liệu cho thấy rằng việc thiếu oxy hòa tan trong các hồ chứa Archaean đã không ngăn cản sự hình thành của magma oxy hóa, giàu lưu huỳnh tại các khu vực hút chìm. Oxy trong magma này phải đến từ một nguồn khác và cuối cùng được giải phóng vào khí quyển trong các vụ phun trào núi lửa.

Chúng tôi thấy rằng sự xuất hiện của các magma bị oxy hóa này tương quan với các sự kiện khoáng hóa vàng lớn ở Tỉnh Thượng và Yilgarn Craton (Tây Úc), chứng tỏ mối liên hệ giữa các nguồn giàu oxy này và sự hình thành các mỏ quặng toàn cầu.

Ý nghĩa của magma bị oxy hóa này vượt xa sự hiểu biết về địa động lực học sơ khai của Trái đất. Trước đây, người ta cho rằng magma Archean ít có khả năng bị oxy hóa khi Nước biển Và Đá đáy đại dương hoặc trầm tích chưa từng bị.

Mặc dù cơ chế chính xác vẫn chưa rõ ràng, nhưng sự xuất hiện của magma này cho thấy quá trình hút chìm, trong đó nước biển được vận chuyển hàng trăm km vào hành tinh của chúng ta, tạo ra oxy tự do. Điều này sau đó oxy hóa lớp phủ trên.

Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng sự hút chìm của Archean có thể là một yếu tố quan trọng bất ngờ trong quá trình oxy hóa Trái đất, sớm Oxy bốc hơi 2,7 tỷ năm trước cũng Sự kiện oxy hóa lớn, chứng kiến ​​lượng oxy trong khí quyển tăng 2% từ 2,45 lên 2,32 tỷ năm trước.

Theo những gì chúng ta biết, Trái đất là nơi duy nhất trong hệ mặt trời – quá khứ hay hiện tại – có quá trình kiến ​​tạo và hút chìm mảng tích cực. Điều này cho thấy rằng nghiên cứu này có thể giải thích một phần tình trạng thiếu oxy và cuối cùng là sự sống trên các hành tinh đá khác trong tương lai.

Bài viết này ban đầu được xuất bản Cuộc hội thoại bởi David Moll tại Đại học Laurentian, và Adam Charles Simon, và Xuyang Meng tại Đại học Michigan. Đọc Bài viết gốc ở đây.