Как древние микроорганизмы помогли вызвать массовые вулканические извержения

Новое исследование предполагает, что древние микроорганизмы способствовали массовым вулканическим извержениям.

Согласно недавнему исследованию Университета Райса, полосчатые железные образования и осадочные породы с потрясающими слоями оранжевого, желтого, серебристого, коричневого и обожженного голубовато-черного цвета могут быть катализатором некоторых из крупнейших вулканических извержений на Земле в истории.

Эти породы состоят из оксидов железа, которые много лет назад опустились на дно океана и со временем затвердели в плотные слои. Недавно опубликованное исследование в Естественные науки о Земле Предполагается, что эти богатые железом слои могут действовать как мост, соединяющий древние поверхностные изменения, такие как появление фотосинтетической жизни, с такими планетарными процессами, как вулканизм и тектоника плит.

В дополнение к соединению планетарных процессов, которые обычно считались несвязанными, исследование может переосмыслить понимание учеными ранней истории Земли и дать представление о процессах, которые могли создать обитаемые экзопланеты далеко за пределами нашей Солнечной системы.

«Эти камни буквально рассказывают историю изменения планетарной среды», — сказал Дункан Килер, ведущий автор исследования и научный сотрудник Департамента наук о Земле, окружающей среде и планетах в Райсе. «Они олицетворяют изменение химического состава атмосферы и океанов».

Дункан Келлер — научный сотрудник Департамента наук о Земле, окружающей среде и планетах Райсского университета и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature Geoscience. Предоставлено: Джефф Витлоу/Университет Райса.

Полосчатые образования железа представляют собой химические отложения, образовавшиеся непосредственно из древней морской воды, богатой растворенным железом. Метаболические действия микроорганизмов, в т.ч. Фотосинтез, считается, что это способствовало осаждению минералов, которые со временем образовывались слой за слоем вместе с кремнем (микрокристаллическим диоксидом кремния). Самые большие отложения образовались, когда кислород накапливался 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.

Хотя мантия твердая, она течет подобно жидкости со скоростью роста ногтя. Тектонические плиты — участки земной коры и верхней мантии размером с континент — находятся в постоянном движении, в основном в результате конвекционных течений в мантии. Земные тектонические процессы управляют жизненными циклами океанов.

«Точно так же, как сегодня закрывается Тихий океан — он падает под Японию и под Южную Америку — древние океанские бассейны были тектонически разрушены», — сказал он. «Эти породы либо выталкиваются на континенты и сохраняются — и мы видим, что некоторые из них сохранились, и вот откуда взялись породы, на которые мы смотрим сегодня, — либо погружены в мантию».

Железная метаморфическая полосчатая формация хребта Хаммерсли в Западной Австралии. Возраст камня около 2,5 миллиардов лет. Темные полосы — оксиды железа (гематит, магнетит), красноватые — с включениями оксида железа (яшма), золотистые — амфибол и кварц. Образец собран Син Тэ Ли. Предоставлено: Линда Велценбах Фрайс/Университет Райса.

Из-за более высокого содержания железа полосчатые железные образования намного плотнее мантии, что заставило Киллер задуматься, не погрузились ли выступающие части образований полностью и осели в самой нижней области мантии около верхней части ядра Земли. Там, под огромной температурой и давлением, они претерпели бы глубокие изменения, так как их минералы приобрели другую структуру.

«Есть очень интересные работы по изучению свойств оксидов железа в этих условиях», — сказал Келлер. «Они могут стать высокопроводящими как термически, так и электрически. Некоторые проводят тепло так же легко, как и минералы. Поэтому вполне возможно, что эти породы, оказавшись в нижней мантии, могут превратиться в высокопроводящие глыбы, подобные горячим плитам».

Келлер и его коллеги предполагают, что обогащенные области в подводных формациях железа могут способствовать формированию мантийных плюмов, каналов горячих пород, возвышающихся над термальными аномалиями в нижней мантии, которые могут производить супервулканы, подобные тем, которые сформировали Гавайские острова. «Под Гавайями сейсмические данные показывают нам горячий канал восходящей мантийной воды», — сказал Келлер. «Представьте себе горячую точку на вашей плите. Когда вода в вашем котле закипит, вы увидите больше пузырьков над столбом воды, поднимающимся в этой области. Перья мантии — своего рода гигантская версия этого».

Формирование полос метаморфизма железа в южном Вайоминге, демонстрирующее деформацию и складчатость. Возраст камня примерно 2,7 миллиарда лет. Темные полосы — это оксиды железа (магнитный оксид железа, гематит), а желто-оранжевые полосы насыщены оксидом железа (яшма). Предоставлено: Линда Велценбах Фрайс/Университет Райса.

«Мы рассмотрели возраст отложений полосчатых железных образований и возраст крупных базальтовых извержений, называемых крупными магматическими провинциями, и обнаружили, что существует корреляция», — сказал Келлер. «Несколько извержений — настолько мощных, что 10 или 15 более крупных извержений хватило бы, чтобы всплыть на поверхность всей планеты, — предшествовали отложения полосчатого железа с интервалом около 241 миллиона лет, плюс-минус 15 миллионов. Это сильная корреляция с логическим механизмом».

Исследование показало, что существует разумный период времени, когда железные образования с глубокими полосами сначала втянутся в нижнюю мантию, а затем воздействуют на тепловой поток, чтобы направить шлейф к поверхности Земли на высоту в тысячи километров.

Пытаясь проследить полет полосатых железных формирований, Килер нарушила дисциплинарные границы и столкнулась с неожиданными видениями.

«Если то, что происходит в ранних океанах после того, как микроорганизмы химически изменили поверхностную среду, в конечном итоге привело к массивным пирокластическим потокам в других местах на Земле 250 миллионов лет спустя, то это означает, что эти процессы связаны и «разговаривают» друг с другом, — сказал Келлер. — Это также означает, что связанные процессы могут иметь гораздо большие масштабы, чем ожидали люди. Чтобы сделать такой вывод, нам пришлось использовать данные из многих областей минералогии, геохимии, геофизики и седиментологии».

Келлер надеется, что это исследование подтолкнет к дальнейшим исследованиям. «Я надеюсь, что это послужит мотивацией для людей в различных областях, которых она 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 Чистые планеты: циклы летучих элементов, необходимых для жизни на скалистых планетах программа, междисциплинарная, межучрежденческая группа ученых во главе с Радждипом Дасгуптой, Райс В. Моррис Юинг, профессор наук о системах Земли в Департаменте наук о Земле, окружающей среде и планетах.

«Это очень междисциплинарное сотрудничество, направленное на изучение того, 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 обеспечении обитаемости планет», — сказал Келлер.

Он добавил: «Мы используем Землю в качестве нашего лучшего примера, но мы пытаемся выяснить, что присутствие или отсутствие одного или некоторых из этих элементов может означать для планет в целом».

Ссылка: «Связи между крупным вулканическим вулканизмом округа и железистыми арочными образованиями» Дункана С. Естественные науки о Земле.
DOI: 10.1038/s41561-023-01188-1

Исследование финансировалось НАСА и Совет по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады.