Богатые железом породы открывают новое понимание планетарной истории Земли, а исследование группы ученых из Университет Райса предполагает, что древние микроорганизмы способствовали массовым вулканическим извержениям.

Новое исследование предполагает, что богатые железом древние отложения, возможно, помогли вызвать некоторые из крупнейших вулканических явлений в истории планеты.

Впечатляющие взгляд слои выжженно-оранжевого, желтого, серебристого, коричневого и черного с голубым оттенком характерны для полосчатых железных образований, осадочных пород, которые, возможно, вызвали некоторые из крупнейших извержений вулканов в истории Земли, согласно новому исследованию Университета Райса опубликованному на этой неделе в журнале Nature Geoscience.

Горные породы содержат оксиды железа, которые давным-давно опустились на дно океанов, образовав плотные слои, которые со временем превратились в камень.

Исследование предполагает, что богатые железом слои могут связывать древние изменения на поверхности Земли, например, появление фотосинтетической жизни, с планетарными процессами, такими как вулканизм и тектоника плит.

В дополнение к связи планетарных процессов, которые обычно считались несвязанными, исследование могло бы переосмыслить понимание учеными ранней истории Земли и дать представление о процессах, которые могли создать пригодные для жизни экзопланеты вдали от нашей Солнечной системы.

«Эти камни буквально рассказывают историю изменения планетарной среды», — сказал Дункан Келлер, ведущий автор исследования и научный сотрудник Департамента наук о Земле, окружающей среде и планетах: «Они олицетворяют изменения в химическом составе атмосферы и океана».

Полосчатые образования железа представляют собой химические отложения, выпадающие в осадок непосредственно из древней морской воды, богатой растворенным железом. Считается, что метаболические действия микроорганизмов, включая фотосинтез, способствовали осаждению минералов, которые со временем образовывались слой за слоем вместе с кремнем (микрокристаллическим диоксидом кремния). Самые большие отложения образовались в результате накопления кислорода в атмосфере Земли около 2,5 миллиардов лет назад.

«Эти породы образовались в древних океанах, и мы знаем, что эти океаны позже были закрыты с боков в результате тектонических процессов», — пояснил Келлер.

Мантия, хотя и твердая, течет подобно жидкости со скоростью, с которой растут ногти. Тектонические плиты — участки коры и верхней части мантии размером с континент, постоянно находятся в движении, в основном в результате тепловых конвекционных потоков в мантии. Земные тектонические процессы управляют жизненными циклами океанов.

«Подобно тому, как сегодня закрывается Тихий океан — он погружается под Японию и Южную Америку — древние океанские бассейны были разрушены тектоническим путем», — сказал он. «Эти породы должны были быть либо вытолкнуты на континенты и сохранены — и мы действительно видим, что некоторые из них сохранились, вот откуда взялись те, на которые мы смотрим сегодня, — либо погружены в мантию».

Из-за высокого содержания железа полосчатые железные образования плотнее мантии, что заставило Келлера задуматься о том, не опустились ли субдуктивные куски образований полностью вниз и осели в самой нижней области мантии около вершины ядра Земли. Там, под огромной температурой и давлением, они претерпели бы глубокие изменения, поскольку их минералы приобрели другую структуру.

«Есть очень интересные работы по изучению свойств оксидов железа в таких условиях», — сказал Келлер: «Они могут стать очень тепло- и электропроводными. Некоторые из них передают тепло так же легко, как и металлы. Поэтому вполне возможно, что, оказавшись в нижней мантии, эти породы превратились бы в чрезвычайно проводящие глыбы, такие как горячие плиты».

Келлер и его коллеги утверждают, что регионы, богатые субдуцированными железными образованиями, могут способствовать формированию мантийных плюмов, поднимающихся каналов горячей породы над термальными аномалиями в нижней мантии, которые могут создавать огромные вулканы, подобные тем, которые сформировали Гавайские острова.

«Под Гавайями сейсмологические данные показывают нам горячий канал восходящей мантии», — сказал Келлер: «Представьте себе горячую точку на горелке вашей плиты. Когда вода в вашем котле закипит, вы увидите больше пузырьков над столбом поднимающейся воды в этой области. Перья мантии — своего рода гигантская версия этого».

«Мы рассмотрели возраст отложений полосчатых железных образований и возраст крупных базальтовых извержений, называемых крупными магматическими провинциями, и обнаружили, что существует корреляция», — сказал Келлер: «Многим магматическим явлениям, которые были настолько массивными, что 10 или 15 крупнейших могло хватить, чтобы всплыть на поверхность всей планеты, предшествовали полосчатые отложения железа с интервалом примерно в 241 миллион лет, плюс-минус 15 миллионов. Это сильная корреляция с механизмом, который имеет смысл».

Исследование показало, что существует вероятный период времени, когда полосчатые железные образования сначала втянулись глубоко в нижнюю мантию, а затем повлияли на тепловой поток, чтобы направить шлейф к поверхности Земли на тысячи километров выше.

Пытаясь проследить путь полосатых железных образований, Келлер пересек дисциплинарные границы и наткнулся на неожиданные открытия.

«Если то, что происходит в ранних океанах, после того как микроорганизмы химически изменили поверхностную среду, в конечном итоге приводит к огромным излияниям лавы где-то еще на Земле 250 миллионов лет спустя, это означает, что эти процессы связаны и «разговаривают» друг с другом», — сказал Келлер: «Это также означает, что связанные процессы могут иметь масштабы длины, которые намного больше, чем ожидали люди. Чтобы сделать такой вывод, нам пришлось использовать данные из многих различных областей минералогии, геохимии, геофизики и седиментологии».

Келлер надеется, что это исследование подстегнет дальнейшие исследования. «Я надеюсь, что это мотивирует людей в различных областях, которых оно касается», — сказал он. «Я думаю, было бы очень здорово, если бы это заставило людей по-новому говорить друг с другом о том, как связаны разные части земной системы».

Келлер является частью программы CLEVER Planets: Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets, междисциплинарной межучрежденческой группы ученых под руководством Радждипа Дасгупты, профессора Райс В. Мориса Юинга наук о системах Земли в Департаменте Земли, Экологические и планетарные науки.

«Это чрезвычайно междисциплинарное сотрудничество, которое изучает, как летучие элементы, важные для биологии — углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера — ведут себя на планетах, как планеты приобретают эти элементы и какую роль они играют в потенциальной делает планеты пригодными для жизни», — сказал Келлер.

«Мы используем Землю как лучший пример, который у нас есть, но мы пытаемся выяснить, что присутствие или отсутствие одного, или некоторых из этих элементов может означать для планет в целом», — добавил он.

Син-Тай Ли, профессор геологии, наук о Земле, окружающей среде и планетах Райс Гарри Карозерс Висс, и Дасгупта являются соавторами исследования. Другими соавторами являются Сантьяго Тассара, доцент Университета Бернардо О’Хиггинса в Чили, и Лесли Роббинс, доцент Университета Регины в Канаде, которые оба работали над докторской диссертацией в Йельском университете, и Йельский профессор Земли и Земли. Планетарные науки Джей Эйг, научный руководитель Келлера.