دراسة جديدة تتحدى نظرية أكسدة الوشاح

يجري علماء سميثسونيان أبحاثًا جديدة على الصخور القديمة المعروفة باسم “الكبسولات الزمنية” والتي يعود تاريخها إلى ما لا يقل عن 2.5 مليار سنة.

أجرى الباحثون في المتحف الوطني للتاريخ الطبيعي التابع لمؤسسة سميثسونيان تحليلًا جديدًا لصخور عمرها لا يقل عن 2.5 مليار سنة، مما سلط الضوء على التاريخ الكيميائي لوشاح الأرض، وهي الطبقة الموجودة أسفل قشرة الأرض. تعمل النتائج التي توصلوا إليها على تحسين فهمنا للعمليات الجيولوجية المبكرة للأرض وتساهم في نقاش علمي طويل الأمد حول التاريخ الجيولوجي للكوكب. والجدير بالذكر أن الدراسة تقدم دليلاً على أن حالة الأكسدة في معظم وشاح الأرض ظلت مستقرة على مر الزمن الجيولوجي، مما يثير التساؤلات حول التأكيدات السابقة التي قدمها باحثون آخرون حول التحولات الكبرى.

وقالت إليزابيث كوتريل، رئيسة قسم العلوم المعدنية بالمتحف: “تخبرنا هذه الدراسة المزيد عن كيف أصبح هذا المكان المميز الذي نعيش فيه على ما هو عليه اليوم، بسطحه وداخله الفريدين اللذين سمحا بوجود الحياة والمياه السائلة”. أمين مجموعة الصخور الوطنية والمؤلف المشارك للدراسة. “إنه جزء من تاريخنا كبشر، لأن أصولنا كلها تعود إلى تكوين الأرض وتطورها. »

الدراسة التي نشرت في المجلة طبيعةتتمحور حول مجموعة من الصخور المأخوذة من قاع البحر وتمتلك خصائص جيوكيميائية غير عادية. في الواقع، تظهر الصخور علامات الذوبان الشديد مع مستويات منخفضة جدًا من الأكسدة؛ تحدث الأكسدة عندما ذرة أو يفقد الجزيء إلكترونًا واحدًا أو أكثر أثناء التفاعل الكيميائي. وباستخدام التحليل والنمذجة الإضافية، استخدم الباحثون الخصائص الفريدة لهذه الصخور لإظهار أنها من المحتمل أن يعود تاريخها إلى ما لا يقل عن 2.5 مليار سنة، خلال العصر الأركي. علاوة على ذلك، أظهرت النتائج أن وشاح الأرض حافظ عمومًا على حالة أكسدة مستقرة منذ تكوين هذه الصخور، على عكس ما افترضه الجيولوجيون الآخرون سابقًا.

صخرة قديمة مستخرجة من قاع البحر ودرسها الفريق البحثي. الائتمان: توم كليندينست

وقال كوتريل: “إن الصخور القديمة التي درسناها أقل أكسدة بمقدار 10000 مرة من صخور الوشاح الحديثة، وقد أظهرنا أن هذا يرجع إلى ذوبانها في أعماق الأرض خلال العصر الأركي، عندما كان الغلاف أكثر دفئًا مما هو عليه اليوم”. “لقد حاول باحثون آخرون تفسير المستويات الأعلى من الأكسدة التي لوحظت في صخور الوشاح الحالية من خلال اقتراح حدوث حدث أكسدة أو تغيير بين العصر الأركي والحاضر. تشير أدلتنا إلى أن الاختلاف في مستويات الأكسدة يمكن تفسيره ببساطة من خلال حقيقة أن غطاء الأرض قد برد على مدار مليارات السنين ولم يعد ساخنًا بدرجة كافية لإنتاج صخور ذات مستويات أكسدة منخفضة أيضًا. »

الأدلة الجيولوجية ومنهجية الدراسة

بدأ فريق البحث، بما في ذلك مؤلفة الدراسة الرئيسية سوزان بيرنر، التي أكملت تدريب ما قبل الدكتوراه في المتحف الوطني للتاريخ الطبيعي وهي الآن أستاذة مساعدة في كلية بيريا في كنتاكي، أبحاثهم لفهم العلاقة بين الوشاح الصلب للأرض والصخور البركانية الحديثة في قاع البحر. . بدأ الباحثون بدراسة مجموعة من الصخور التي تم جرفها من قاع البحر عند حافتين للمحيط حيث تتحرك الصفائح التكتونية عن بعضها البعض ويرتفع الوشاح إلى السطح وينتج قشرة جديدة.

الموقعان اللذان تم جمع الصخور فيهما، وهما سلسلة جبال جاكيل بالقرب من القطب الشمالي وسلسلة جبال الهند الجنوبية الغربية بين أفريقيا والقارة القطبية الجنوبية، هما من أبطأ حدود الصفائح التكتونية انتشارًا في العالم. ويعني الانتشار البطيء لهذه التلال المحيطية أنها هادئة نسبيًا، من الناحية البركانية، مقارنة بالتلال الأسرع انتشارًا والتي تنتشر فيها البراكين مثل سلسلة جبال شرق المحيط الهادئ. وهذا يعني أن الصخور التي تم جمعها من هذه التلال بطيئة الانتشار من المرجح أن تكون عينات من الوشاح نفسه.

مؤخرة سفينة الأبحاث، R/V Knorr، في البحر عام 2004. يحمل الهيكل على شكل حرف A دلوًا معدنيًا ضخمًا ودلو سلسلة حيث يتم إنزاله أكثر من 10000 قدم تحت سطح المحيط ويتم سحبه على طول قاع البحر لجمع الجيولوجيا عينات. ائتمان: إميلي فان آرك

عندما قام الفريق بتحليل صخور الوشاح التي جمعوها من هاتين التلال، اكتشفوا أن لديهم خصائص كيميائية غريبة مشتركة. أولاً، ذابت الصخور بدرجة أكبر بكثير من تلك التي تميز وشاح الأرض الحالي. ثانيًا، كانت الصخور أقل أكسدة بكثير من معظم العينات الأخرى من وشاح الأرض.

ولتحقيق هذه الدرجة من الاندماج، قدر الباحثون أن الصخور يجب أن تكون قد ذابت في أعماق الأرض عند درجات حرارة عالية جدًا. الفترة الوحيدة في التاريخ الجيولوجي للأرض المعروفة باحتوائها على مثل هذه درجات الحرارة المرتفعة كانت منذ ما بين 2.5 إلى 4 مليار سنة، خلال الدهر الأركي. ولذلك، استنتج الباحثون أن صخور الوشاح هذه ربما ذابت خلال العصر الأركي، عندما كانت درجة الحرارة الداخلية للكوكب 360-540 درجة. فهرنهايت (200-300 درجة درجة مئوية) إنه أكثر دفئا من اليوم.

كونها شديدة المنصهر كان من الممكن أن تحمي هذه الصخور من المزيد من الذوبان الذي يمكن أن يغير بصمتها الكيميائية، مما يسمح لها بالانتشار في عباءة الأرض لمليارات السنين دون تغيير كيميائيها بشكل كبير.

وقال كوتريل: “هذه الحقيقة وحدها لا تثبت أي شيء”. “لكنه يفتح الباب أمام احتمال أن تكون هذه العينات عبارة عن كبسولات زمنية جيولوجية حقيقية من الدهر الأركي. »

التفسير والمعرفة العلمية

للتحقيق في السيناريوهات الجيوكيميائية التي قد تفسر انخفاض مستويات الأكسدة في الصخور المجمعة في منطقة جاكيل ريدج وجنوب غرب إنديان ريدج، طبق الفريق عدة نماذج على قياساتهم. وكشفت النماذج أن مستويات الأكسدة المنخفضة التي تم قياسها في عيناتها ربما تكون ناجمة عن الذوبان في ظل ظروف الحرارة الشديدة في أعماق الأرض.

يدعم كلا الخطين من الأدلة التفسير القائل بأن الخصائص غير النمطية للصخور تمثل علامة كيميائية ناتجة عن ذوبانها في أعماق الأرض أثناء العصر الأركي، عندما كان من الممكن أن ينتج الوشاح درجات حرارة عالية للغاية.

فسر بعض الجيولوجيين صخور الوشاح ذات مستويات الأكسدة المنخفضة كدليل على أن وشاح الأرض الأركي كان أقل أكسدة، وأنه من خلال بعض الآليات، أصبح أكثر أكسدة بمرور الوقت. تتضمن آليات الأكسدة المقترحة زيادة تدريجية في مستويات الأكسدة بسبب فقدان الغاز إلى الفضاء، وإعادة تدوير قاع البحار القديمة عن طريق الاندساس، واستمرار مشاركة نواة الأرض في جيوكيمياء الوشاح. لكن حتى الآن لم يتفق أنصار هذه النظرية على تفسير واحد.

بدلًا من ذلك، تدعم النتائج الجديدة فكرة أن مستوى الأكسدة في وشاح الأرض ظل مستقرًا إلى حد كبير لمليارات السنين، وأن الأكسدة المنخفضة التي لوحظت في بعض عينات الوشاح قد نشأت في ظل ظروف جيولوجية لم تعد الأرض قادرة على إنتاجها بسببها تم تبريد الوشاح منذ ذلك الحين. لذا، بدلًا من الآلية التي تخلق عباءة الأرض أكثر تتأكسد لمليارات السنين، وتجادل الدراسة الجديدة بأن درجات الحرارة المرتفعة في العصر القديم حولت أجزاء من الوشاح أقل أكسيد. نظرًا لأن غطاء الأرض قد برد منذ العصر السحيق، فإنه لم يعد قادرًا على إنتاج صخور ذات مستويات أكسدة منخفضة للغاية. وفقًا لكوتريل، فإن عملية التبريد في وشاح الأرض توفر تفسيرًا أبسط بكثير: الأرض ببساطة لا تنتج صخورًا كما كانت في السابق.

يسعى كوتريل ومعاونوه الآن إلى فهم أفضل للعمليات الجيوكيميائية التي شكلت صخور الوشاح الأركي في سلسلة جبال جاكيل وجنوب غرب الهند من خلال محاكاة الضغوط ودرجات الحرارة المرتفعة للغاية التي لوحظت خلال العصر الأركي في المختبر.

المرجع: “الانصهار العميق والساخن والقديم المسجل بواسطة زوال الأكسجين المنخفض للغاية في البريدوتيت” بقلم سوزان ك. بيرنر، إليزابيث كوتريل، فريد أ. ديفيس وجيسيكا إم وارن، 24 يوليو 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07603-ث

بالإضافة إلى بيرنر وكوتريل، كان فريد ديفيس من جامعة مينيسوتا دولوث وجيسيكا وارن من جامعة ديلاوير مؤلفين مشاركين في الدراسة.

تم دعم البحث من قبل مؤسسة سميثسونيان والمؤسسة الوطنية للعلوم.