جو زمین چگونه اکسیژن دار شد؟

تحقیقات جدید نشان می دهد حداقل بخشی از اکسیژن اولیه زمین از یک منبع تکتونیکی و از طریق حرکت و تخریب پوسته زمین به دست آمده است.

به گزارش تکناک، میزان اکسیژن موجود در جو زمین آن را به سیاره ای قابل سکونت تبدیل می کند و 21 درصد جو را این عنصر حیات بخش تشکیل می دهد.

اما در گذشته دور و در دوران نخست زیستی که 2.8 تا 2.5 میلیارد سال پیش به وقوع پیوست این اکسیژن تقریباً وجود نداشت. بنابراین این سوال مطرح می شود که جو زمین چگونه اکسیژن دار شده است؟

زمین در عصر آرکئن

عصر آرکئن نشان دهنده یک سوم تاریخ سیاره ما از 2.5 میلیارد سال پیش تا 4 میلیارد سال پیش است. در آن دوران این زمین بیگانه یک دنیای آبی بود، پوشیده از اقیانوس های سبز، پوشیده از مه متان، و کاملاً فاقد حیات چند سلولی. یکی دیگر از جنبه های بیگانه این جهان در آن زمان، ماهیت فعالیت های تکتونیکی آن بود.

در زمین مدرن، فعالیت تکتونیکی غالب، تکتونیک صفحه ای نامیده می شود، جایی که پوسته اقیانوسی که بیرونی ترین لایه زمین است به زیر گوشته زمین (ناحیه بین پوسته زمین و هسته آن) در نقاط تلاقی که به نام مناطق فرورانش نیز معروف است فرو می رود.

با این حال، بحث های قابل توجهی در مورد اینکه آیا فعالیت های تکتونیکی امروزی در دوران آرکئن نیز به همین شکل عمل می کردند یا خیر وجود دارد.یکی از ویژگی های نواحی فرورانش مدرن، ارتباط آنها با ماگماهای اکسید شده است.

این ماگماها زمانی تشکیل می‌شوند که رسوبات اکسید شده و آب‌های اعماق سرد و متراکم نزدیک کف اقیانوس  به گوشته زمین وارد می‌شوند. این فرایند منجر به تولید ماگما با محتوای بالایی از اکسیژن و آب می شود.

هدف این تحقیق آزمایش این فرضیه است که آیا عدم وجود مواد اکسید شده و رسوبات در آب‌های کف اقیانوس ها در دوران آرکئن می‌تواند از تشکیل ماگماهای اکسید شده جلوگیری کند یا خیر؟

شناسایی چنین ماگماهایی در سنگ‌های ماگمایی دوران نخست زیستی می‌تواند شواهدی را ارائه دهد که فرورانش و تکتونیک صفحه‌ای 2.7 میلیارد سال پیش رخ داده است.

آزمایش

ما نمونه‌هایی از سنگ‌های گرانیتوئیدی با قدمت ۲۷۵۰ تا ۲۶۷۰ میلیون سال را از سراسر شهرستان های Abitibi-Wawa در استان سوپریور جمع‌آوری کردیم. این منطقه بزرگترین قاره آرکئن حفظ شده است که بیش از ۲۰۰۰ کیلومتر از وینیپگ، مانیتوبا، تا شرق کبک امتداد دارد.

این به ما اجازه داد تا سطح اکسیداسیون ماگماهای تولید شده در دوران نخست زیستی را بررسی کنیم.

اندازه‌گیری حالت اکسیداسیون این سنگ‌های ماگمایی که از طریق سرد شدن و تبلور ماگما یا گدازه ایجاد شده‌اند چالش برانگیز است. رویدادهای پس از تبلور شامل تغییر شکل، دفن شدن یا گرم شدن بعدی ممکن است سنگ‌ها را تغییر داده باشند.

بنابراین، تصمیم گرفتیم آپاتیت معدنی موجود در بلورهای زیرکون را در این سنگ ها بررسی کنیم. کریستال های زیرکون می توانند در برابر دما و فشار شدید حوادث پس از تبلور مقاومت کنند. آنها سرنخ هایی در مورد محیطی که در ابتدا در آن شکل گرفته اند حفظ می کنند و سن دقیقی را برای خود سنگ ها ارائه می دهند.

بلورهای آپاتیت کوچک کمتر از 30 میکرون عرض دارند و به اندازه یک سلول پوست انسان هستند که در بلورهای زیرکون به دام می افتند. آنها حاوی گوگرد هستند و با اندازه گیری میزان گوگرد موجود در آپاتیت، می توانیم مشخص کنیم که آیا آپاتیت از یک ماگمای اکسید شده رشد کرده است یا خیر.

در آزمایشگاه ملی آرگون در ایلینوی فوگاسیته اکسیژن ماگمای آرکئن بکر را که اساساً مقدار اکسیژن آزاد موجود در آن را نشان میدهد با استفاده از یک تکنیک تخصصی به نام طیف سنجی جذب پرتو ایکس نزدیک به ساختار لبه (S-XANES) در سینکروترون منبع فوتون پیشرفته با موفقیت اندازه گیری شد.

ایجاد اکسیژن از آب

یافته ها نشان می دهد میزان گوگرد ماگما، که در ابتدا حدود صفر بود، در حدود 2705 میلیون سال به 2000 قسمت در میلیون افزایش یافت. این نشان می‌دهد که ماگماها غنی‌تر از گوگرد شده‌اند.

علاوه بر این، فراوانی +S6 در آپاتیت که یک نوع یون گوگرد است نشان می‌دهد که گوگرد از یک منبع اکسید شده است که با داده‌های کریستال‌های زیرکون میزبان مطابقت دارد.

این یافته های جدید نشان می دهد که ماگماهای اکسید شده در دوران نئوآرکه 2.7 میلیارد سال پیش شکل گرفته اند.

داده ها نشان می دهد که فقدان اکسیژن محلول در ذخائر اقیانوس در دوران آرکئن از تشکیل ماگماهای غنی از گوگرد و اکسید شده در مناطق فرورانش جلوگیری نمی کند. در حقیقت اکسیژن موجود در این ماگماها باید از منبع دیگری آمده باشد و در نهایت در طی فوران های آتشفشانی در جو آزاد شده است.

همچنین وقوع این ماگماهای اکسید شده با رویدادهای عمده کانی‌سازی طلا در استان Superior و Yilgarn Craton (استرالیای غربی) ارتباط دارد، که نشان‌دهنده ارتباط بین این منابع غنی از اکسیژن و تشکیل ذخایر سنگ معدنی در سطح جهانی است.

پیامدهای این ماگماهای اکسید شده فراتر از درک ژئودینامیک اولیه زمین است. پیش از این، بعید به نظر می رسید که ماگماهای آرکئن می توانند اکسید شوند، در حالی که آب اقیانوس و سنگ ها یا رسوبات کف اقیانوس وجود نداشتند.

علیرغم اینکه که مکانیسم دقیق آن مشخص نیست، وقوع این ماگماها نشان می دهد که فرآیند فرورانش، جایی که آب اقیانوس صدها کیلومتر به درون سیاره ما کشیده می شود، اکسیژن آزاد تولید می کند. سپس این فرایند گوشته پوشاننده را اکسید می کند.

مطالعات نشان می‌دهد که فرورانش آرکئن می‌تواند یک عامل حیاتی و پیش‌بینی‌نشده در اکسیژن‌رسانی زمین است. آثار اولیه اکسیژن و همچنین رویداد بزرگ اکسیداسیون، که نشان‌دهنده افزایش سطح اکسیژن اتمسفر به میزان ۲.۴۵ تا ۲.۳۲ درصد میباشد در ۲.۷ میلیارد سال پیش اتفاق افتاده است.

تا آنجا که می دانیم، زمین تنها مکان در منظومه شمسی گذشته یا حال با فعالیت های تکتونیکی و فرورانش فعال است. این مطالعه می‌تواند تا حدی کمبود اکسیژن و در نهایت حیات در دیگر سیارات سنگی را در آینده نیز توضیح دهد.