التفسير الشائع خاطئ – يكتشف الباحثون أدلة جديدة تتعلق بأصل قارات الأرض

التقط طيار أبولو 8 بيل أندرس هذه الصورة الأيقونية للأرض من مدار حول القمر عشية عيد الميلاد ، 24 ديسمبر ، 1968. قارات الأرض – الفريدة من نوعها في النظام الشمسي – مرئية ، ترتفع فوق المحيط. الائتمان: ناسا

أثارت التجارب الجديدة تساؤلات حول التفسير الشائع للخصائص التي تؤدي إلى نشوء الأرض الجافة.

على الرغم من كونه عاملاً حاسمًا في جعل الأرض مكانًا مضيافًا للحياة مقارنة بالكواكب الأخرى في النظام الشمسي ، إلا أن الأصول والخصائص الفريدة للقارات ، والأجزاء الضخمة من قشرة الكوكب ، لا تزال غامضة إلى حد كبير.

دراسة حديثة أجرتها إليزابيث كوتريل ، عالمة الجيولوجيا البحثية وأمينة الصخور في متحف سميثسونيان الوطني للتاريخ الطبيعي ، وميغان هوليكروس ، زميلة بيتر باك وزميلة مؤسسة العلوم الوطنية في المتحف والآن أستاذ مساعد في جامعة كورنيل ، لديها طور معرفتنا بقشرة الأرض من خلال اختبار ودحض نظرية واسعة الانتشار تتعلق بمحتوى الحديد المنخفض ومستويات الأكسدة الأعلى للقشرة القارية مقارنة بالقشرة المحيطية.

يُعد التركيب الفقير للحديد في القشرة القارية سببًا رئيسيًا وراء وقوف أجزاء شاسعة من سطح الأرض فوق مستوى سطح البحر كأرض جافة ، مما يجعل الحياة الأرضية ممكنة اليوم.

الدراسة التي نشرت مؤخرا في المجلة علوم، يستخدم التجارب المعملية لإظهار أن الكيمياء المؤكسدة المستنفدة للحديد النموذجية للقشرة القارية للأرض لم تأت على الأرجح من تبلور العقيق المعدني ، التفسير الشائع المقترحة في 2018.

تنطلق اللبنات الأساسية للقشرة القارية الجديدة من أعماق الأرض في ما يعرف بالبراكين القارية القوسية ، والتي توجد في مناطق الاندساس حيث تغوص صفيحة محيطية تحت صفيحة قارية. في تفسير العقيق لحالة الحديد المستنفد والمؤكسد للقشرة القارية ، فإن تبلور العقيق في الصهارة تحت هذه البراكين القارية يزيل الحديد غير المؤكسد (المختزل أو الحديدي ، كما هو معروف بين العلماء) من الصفائح الأرضية ، مما يؤدي إلى استنفاد الحديد في نفس الوقت. الصهارة المنصهرة للحديد وتركها أكثر أكسدة.

صورة مجهرية من تجربة أجريت لهذه الدراسة. تحتوي الصورة على زجاج (بني) وعقيق كبير (وردي) وبلورات معدنية صغيرة أخرى. يبلغ عرض مجال الرؤية 410 ميكرون ، أي بحجم بلورة السكر. الائتمان: جي ماكفيرسون وإي.كوتريل ، سميثسونيان

تتمثل إحدى النتائج الرئيسية لانخفاض محتوى الحديد في القشرة القارية للأرض بالنسبة إلى القشرة المحيطية في أنها تجعل القارات أقل كثافة وأكثر ازدهارًا ، مما يتسبب في ارتفاع الصفائح القارية فوق غطاء الكوكب من الصفائح المحيطية. هذا التناقض في الكثافة والطفو هو سبب رئيسي في أن القارات تتميز بأرض جافة بينما تكون قشور المحيطات تحت الماء ، وكذلك سبب ظهور الصفائح القارية دائمًا في الأعلى عندما تقابل الصفائح المحيطية في مناطق الاندساس.

كان تفسير العقيق لاستنفاد الحديد والأكسدة في القوس القاري للصهارة مقنعًا ، لكن كوتريل قالت إن جانبًا واحدًا منه لم يكن مناسبًا لها.

قالت: “أنت بحاجة إلى ضغوط عالية لجعل العقيق مستقرًا ، وتجد هذه الصهارة منخفضة الحديد في الأماكن التي لا تكون فيها القشرة سميكة ، وبالتالي فإن الضغط ليس مرتفعًا للغاية”.

في عام 2018 ، شرعت كوتريل وزملاؤها في إيجاد طريقة لاختبار ما إذا كانت تبلور العقيق في العمق تحت هذه البراكين القوسية ضروريًا بالفعل لعملية تكوين قشرة قارية كما هو مفهوم. لتحقيق ذلك ، كان على كوتريل وهوليكروس إيجاد طرق لتكرار الحرارة الشديدة والضغط لقشرة الأرض في المختبر ، ثم تطوير تقنيات حساسة بما يكفي ليس فقط لقياس كمية الحديد الموجودة ، ولكن للتمييز بين تأكسد هذا الحديد .

لإعادة إنشاء الضغط الهائل والحرارة الموجودين تحت براكين القوس القاري ، استخدم الفريق ما يسمى مكابس الأسطوانات المكبسية في معمل الضغط العالي بالمتحف وفي كورنيل. يبلغ حجم مكبس أسطوانة المكبس الهيدروليكي حجم الثلاجة الصغيرة تقريبًا ، وهو مصنوع في الغالب من الفولاذ السميك والقوي بشكل لا يصدق وكربيد التنجستن. ينتج عن القوة المطبقة بواسطة مكبس هيدروليكي كبير ضغوط عالية جدًا على عينات صخرية صغيرة ، يبلغ حجمها حوالي مليمتر مكعب. يتكون التجميع من عوازل كهربائية وحرارية تحيط بعينة الصخور ، بالإضافة إلى فرن أسطواني. يتيح الجمع بين مكبس أسطوانة المكبس ومجموعة التسخين إجراء تجارب يمكن أن تصل إلى مستويات الضغط ودرجات الحرارة العالية جدًا الموجودة تحت البراكين.

تقوم إليزابيث كوتريل ، عالمة الجيولوجيا البحثية وأمينة الصخور في المتحف الوطني للتاريخ الطبيعي التابع لمؤسسة سميثسونيان ، بتحميل تجربة في معملها بالمتحف. الائتمان: جينيفر رينتيريا ، سميثسونيان

في 13 تجربة مختلفة ، قام كوتريل وهوليكروس بتنمية عينات من العقيق من الصخور المنصهرة داخل مكبس أسطوانة المكبس تحت ضغط ودرجات حرارة مصممة لمحاكاة الظروف داخل غرف الصهارة في أعماق قشرة الأرض. تراوحت الضغوط المستخدمة في التجارب من 1.5 إلى 3 جيجا باسكال – أي ما يقرب من 15000 إلى 30000 ضغط جوي أرضي أو ضغط أكبر بمقدار 8000 مرة من الضغط داخل علبة الصودا. وتراوحت درجات الحرارة بين 950 و 1230 درجة[{” attribute=””>Celsius, which is hot enough to melt rock.

Next, the team collected garnets from Smithsonian’s National Rock Collection and from other researchers around the world. Crucially, this group of garnets had already been analyzed so their concentrations of oxidized and unoxidized iron were known.

Finally, the study authors took the materials from their experiments and those gathered from collections to the Advanced Photon Source at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory in Illinois. There the team used high-energy X-ray beams to conduct X-ray absorption spectroscopy, a technique that can tell scientists about the structure and composition of materials based on how they absorb X-rays. In this case, the researchers were looking into the concentrations of oxidized and unoxidized iron.

The samples with known ratios of oxidized and unoxidized iron provided a way to check and calibrate the team’s X-ray absorption spectroscopy measurements and facilitated a comparison with the materials from their experiments.

The results of these tests revealed that the garnets had not incorporated enough unoxidized iron from the rock samples to account for the levels of iron depletion and oxidation present in the magmas that are the building blocks of Earth’s continental crust.

“These results make the garnet crystallization model an extremely unlikely explanation for why magmas from continental arc volcanoes are oxidized and iron-depleted,” Cottrell said. “It’s more likely that conditions in Earth’s mantle below continental crust are setting these oxidized conditions.”

Like so many results in science, the findings lead to more questions: “What is doing the oxidizing or iron depleting?” Cottrell asked. “If it’s not garnet crystallization in the crust and it’s something about how the magmas arrive from the mantle, then what is happening in the mantle? How did their compositions get modified?”

Cottrell said that these questions are hard to answer but that now the leading theory is that oxidized sulfur could be oxidizing the iron, something a current Peter Buck Fellow is investigating under her mentorship at the museum.

Reference: “Garnet crystallization does not drive oxidation at arcs” by Megan Holycross and Elizabeth Cottrell, 4 May 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.ade3418

This study is an example of the kind of research that museum scientists will tackle under the museum’s new Our Unique Planet initiative, a public–private partnership, which supports research into some of the most enduring and significant questions about what makes Earth special. Other research will investigate the source of Earth’s liquid oceans and how minerals may have served as templates for life.

The study was funded by the Smithsonian, the National Science Foundation, the Department of Energy, and the Lyda Hill Foundation.