كمية الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض تجعله كوكبًا صالحًا للسكن، 21% من الغلاف الجوي يتكون من هذا العنصر الواهب للحياة، ولكن في الماضي العميق – منذ العصر الحديث منذ 2.8 إلى 2.5 مليار سنة – كان هذا الأكسجين غائبًا تقريبًا .
إذن ، كيف أصبح الغلاف الجوي للأرض مؤكسجًا؟
يضيف البحث المنشور في Nature Geoscience ، احتمالًا جديدًا محيرًا: أن بعض الأكسجين المبكر على الأرض جاء على الأقل من مصدر تكتوني عن طريق حركة وتدمير قشرة الأرض.
شارك في البحث علماء من عدة جامعات ومراكز علمية، منهم مركز أبحاث التنقيب عن المع دن بمدرسة هاركويل لعلوم الأرض، جامعة لورنتيان ف كندا، وجامعة ميشيجان الأمريكية، ومدرسة أبحاث علوم الأرض بالجامعة الوطنية الأسترالية، وكلية علوم الأرض بجامعة أستراليا الغربية، وجامعة الصين لعلوم الأرض في بكين.
يمثل Archean eon ثلث تاريخ كوكبنا، من 2.5 مليار سنة مضت إلى أربعة مليارات سنة ماضية، كانت هذه الأرض الغريبة عبارة عن عالم مائي، مغطى بالمحيطات الخضراء، يكتنفه ضباب الميثان، ويفتقر تمامًا إلى الحياة متعددة الخلايا، جانب آخر غريب من هذا العالم هو طبيعة نشاطه التكتوني.
الصفائح التكتونية
على الأرض الحديثة، يُطلق على النشاط السائد اسم الصفائح التكتونية، حيث تغرق القشرة المحيطية – الطبقة الخارجية من الأرض تحت المحيطات – في وشاح الأرض (المنطقة الواقعة بين قشرة الأرض ولبها) عند نقاط التقاء تسمى مناطق الاندساس، هناك جدل كبير حول ما إذا كانت الصفائح التكتونية قد عادت مرة أخرى في العصر الآرشي.
تتمثل إحدى ميزات مناطق الاندساس الحديثة في ارتباطها بالصهارة المؤكسدة، تتشكل هذه الصهارة عندما يتم إدخال رواسب مؤكسدة ومياه قاع – مياه باردة وكثيفة بالقرب من قاع المحيط – في وشاح الأرض، ينتج هذا الصهارة التي تحتوي على نسبة عالية من الأكسجين والماء.
يهدف البحث إلى اختبار ما إذا كان عدم وجود مواد مؤكسدة في مياه قاع أرشيان والرواسب يمكن أن يمنع تكوين الصهارة المؤكسدة، يمكن أن يوفر تحديد مثل هذه الصهارة في الصخور البركانية الجديدة دليلاً على أن الاندساس والصفائح التكتونية حدثت قبل 2.7 مليار سنة.
التجربة
جمع الباحثون عينات من صخور جرانيتية عمرها 2750 إلى 2670 مليون سنة من جميع أنحاء مقاطعة أبيتيبي واوا الفرعية في المقاطعة العليا- أكبر قارة أرشيان محفوظة تمتد على مسافة 2000 كيلومتر من وينيبيج، مانيتوبا، إلى أقصى شرق كيبيك، سمح هذا بالتحقيق في مستوى أكسدة الصهارة المتولدة عبر العصر الجديد.
يعد قياس حالة الأكسدة لهذه الصخور البركانية – التي تشكلت من خلال تبريد وتبلور الصهارة أو الحمم البركانية – أمرًا صعبًا، قد تكون أحداث ما بعد التبلور قد عدلت هذه الصخور من خلال التشوه اللاحق أو الدفن أو التسخين.
لذلك، قرروا النظر إلى معدن الأباتيت الموجود في بلورات الزركون في هذه الصخور، يمكن لبلورات الزركون أن تتحمل درجات الحرارة الشديدة والضغوط لأحداث ما بعد التبلور، يحتفظون بأدلة حول البيئات التي تشكلوا فيها في الأصل ويقدمون أعمارًا دقيقة للصخور نفسها.
بلورات الأباتيت الصغيرة التي يقل عرضها عن 30 ميكرون – حجم خلية جلد الإنسان – محاصرة في بلورات الزركون، تحتوي على الكبريت، من خلال قياس كمية الكبريت في الأباتيت ، يمكننا تحديد ما إذا كان الأباتيت قد نما من الصهارة المؤكسدة.
تمكن العلماء من قياس شدة الأكسجين في الصهارة الأصلية- التي تمثل أساسًا كمية الأكسجين الحر فيها- باستخدام تقنية متخصصة تسمى التحليل الطيفي لهيكل الحواف ( S-XANES ) في مصدر الفوتون المتقدم، في مختبر أرجون الوطني في إلينوي .
صنع الأكسجين من الماء؟
وجد العلماء، أن محتوى كبريت الصهارة، الذي كان في البداية حوالي الصفر، زاد إلى 2000 جزء في المليون حوالي 2705 مليون سنة، يشير هذا إلى أن الصهارة أصبحت غنية بالكبريت، بالإضافة إلى ذلك، فإن غلبة S6 + – نوع من أيون الكبريت – في الأباتيت تشير إلى أن الكبريت كان من مصدر مؤكسد، مطابقًا للبيانات المأخوذة من بلورات الزركون المضيفة.
تشير هذه النتائج الجديدة إلى أن الصهارة المؤكسدة قد تشكلت في العصر الحديث قبل 2.7 مليار سنة، تظهر البيانات أن نقص الأكسجين المذاب في خزانات المحيط الأركي لم يمنع تكوين الصهارة المؤكسدة الغنية بالكبريت في مناطق الاندساس، يجب أن يكون الأكسجين الموجود في هذه الصهارة قد أتى من مصدر آخر، وتم إطلاقه في النهاية في الغلاف الجوي أثناء الانفجارات البركانية.
وجود صلة بين المصادر الغنية بالأكسجين وتكوين رواسب خام
وجد العلماء، أن حدوث هذه الصهارة المؤكسدة يرتبط بأحداث تمعدن الذهب الكبرى في المقاطعة العليا، وYilgarn Craton (أستراليا الغربية) ، مما يدل على وجود صلة بين هذه المصادر الغنية بالأكسجين وتكوين رواسب خام عالمية المستوى.
تتجاوز الآثار المترتبة على هذه الصهارة المؤكسدة فهم الديناميكا الجيولوجية للأرض في وقت مبكر.
في السابق ، كان يُعتقد أنه من غير المحتمل أن تتأكسد صهارة أرشيان، عندما لا تتأكسد مياه المحيط وصخور قاع المحيط أو الرواسب .
في حين أن الآلية الدقيقة غير واضحة، فإن حدوث هذه الصهارة يشير إلى أن عملية الاندساس، حيث يتم نقل مياه المحيطات لمئات الكيلومترات داخل كوكبنا، تولد أكسجينًا مجانيًا، يؤدي هذا بعد ذلك إلى أكسدة الوشاح العلوي.
تُظهر الدراسة، أن الاندساس Archean كان من الممكن أن يكون عاملاً حيويًا غير متوقع في أكسجة الأرض، ونفثات الأكسجين المبكرة قبل 2.7 مليار سنة وأيضًا حدث الأكسدة العظيم، الذي سجل زيادة في الأكسجين في الغلاف الجوي بنسبة 2% 2.45 إلى 2.32 قبل مليار سنة .
بقدر ما نعلم، الأرض هي المكان الوحيد في النظام الشمسي- الماضي أو الحاضر – مع الصفائح التكتونية والاندساس النشط، يشير هذا إلى أن هذه الدراسة يمكن أن تفسر جزئيًا نقص الأكسجين، وفي النهاية ، تفسر الحياة على الكواكب الصخرية الأخرى في المستقبل أيضًا.
