Первые 1,5 миллиарда лет эволюции Земли подвержены значительной неопределенности из-за отсутствия какой-либо существенной записи горных пород до четырех миллиардов лет назад и очень ограниченной записи примерно до трех миллиардов лет назад. Скалы этого возраста обычно сильно изменены, что затрудняет сравнение с современным роком. В новом исследовании, проведенном в ЛГУ, ученые нашли доказательства того, что коматииты, вулканические породы возрастом три миллиарда лет, найденные в мантии Земли, имели состав, отличный от современных. Их открытие может дать новую информацию о первом миллиарде лет развития Земли и раннем происхождении жизни. Результаты работы команды были опубликованы в выпуске NATURE Geoscience за октябрь 2017 года.
Фундаментальное исследование было проведено более чем за три десятилетия учеными LSU, изучающими и картирующими горы Барбертон в Южной Африке. Исследовательская группа, в которую вошли профессора геологии ЛГУ Гэри Байерли и Хуиминг Бао, аспирантка по геологии Кина Карим и исследователь ЛГУ Бенджамин Байерли, провели химический анализ сотен коматиитов, отобранных примерно из 10 потоков лавы.
Ранние исследователи неправильно нанесли на карту большие площади, предполагая, что они соответствуют гораздо более известной формации Комати в южной части гор. Мы признали эту ошибку и начали подробное изучение скал, чтобы подтвердить наше картирование- на основе интерпретаций», - сказал Гэри Байерли.
В горных породах они обнаружили оригинальные минералы, называемые свежим оливином, которые сохранились в мельчайших подробностях. Хотя этот минерал редко встречается в горных породах, подвергшихся метаморфизму и поверхностному выветриванию, оливин является основным компонентом верхней мантии Земли и контролирует природу вулканизма и тектонизма планеты. Используя составы этих свежих минералов, исследователи ранее пришли к выводу, что это были самые горячие лавы, когда-либо извергавшиеся на поверхность Земли, с температурой около 1600 градусов по Цельсию, что примерно на 400 градусов выше, чем современные извержения на Гавайях.
Обнаружение свежего неизмененного оливина в этих древних лавах было замечательной находкой. Полевые работы были удивительно продуктивными, и нам не терпелось вернуться в лабораторию, чтобы использовать химический состав этих сохранившихся кристаллов оливина, чтобы выявить ключи к разгадке архейской мантии., - сказал Карим
Исследователи предполагают, что, возможно, часть океана магмы ранней Земли сохранилась в минералах возрастом примерно 3,2 миллиарда лет.
Современная Земля практически не обнаруживает следов этого раннего магматического океана, потому что конвекция мантии в значительной степени гомогенизировала слои, образовавшиеся в магматическом океане. Изотопы кислорода в этих свежих оливинах подтверждают существование древних кусков замерзшего магматического океана. Такие камни очень редки и ценны с научной точки зрения. Очевидным следующим шагом было исследование изотопов кислорода», - сказал Байерли.
Это исследование выросло из работы, проводимой в лаборатории LSU по изучению изотопов кислорода, установке мирового класса, которая привлекает ученых из США и международных организаций для совместной работы. Результаты исследования были настолько необычны, что требовалось особое внимание, чтобы быть уверенным в результатах. Хуймин Бао, который также является главой лаборатории изотопов кислорода LSU, сказал, что команда трижды и четыре раза проверяла данные, работая с различными эталонными минералами и калибруя с другими независимыми лабораториями..
Мы попытались согласовать полученные данные с некоторыми общепринятыми объяснениями лав с таким изотопным составом кислорода, но ничто не могло полностью объяснить все наблюдения. Стало очевидным, что эти породы сохраняют следы процессов, происходивших более четырех миллиардов лет назад и до сих пор до конца не изученных», - сказал Бенджамин Байерли.
Изотопы кислорода измеряются путем преобразования горных пород или минералов в газ и измерения соотношения кислорода с различными массами 16, 17 и 18. Кислород фракционируется различными процессами на Земле и в Солнечной системе., в том числе атмосферные, гидросферные, биологические и высокотемпературные и барические.
"Разные планеты в нашей Солнечной системе имеют разное соотношение изотопов кислорода. На Земле оно изменяется поверхностной атмосферой и гидросферой, поэтому различия могут быть связаны либо с неоднородной мантией (первоначальным скоплением планетарных обломков, либо остатками магматического океана) или поверхностные процессы», - сказал Байерли. «Любой из них может быть интересен для изучения. Последний, потому что он также предоставит информацию о ранней температуре поверхности Земли и раннем происхождении жизни."