Как жизнь на Земле повлияла на ее геологию

Хорошо известно, что жизнь на Земле и геология планеты взаимосвязаны, но новое исследование предоставляет новые доказательства того, насколько глубока — буквально — эта связь. Ученые-геологи из Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли определили химическую сигнатуру в изверженных породах, регистрирующую начало оксигенации глубоких океанов Земли — сигнал, который сумел пережить печь мантии. Эта оксигенация представляет большой интерес, поскольку она открыла современную эру высоких уровней кислорода в атмосфере и океане, и, как полагают, позволила разнообразить жизнь в море.

Их результаты подтверждают ведущую теорию о геохимии островных дуговых магм и предлагают редкий пример биологических процессов на поверхности планеты, влияющих на внутреннюю Землю.

Островные дуги образуются, когда одна океаническая тектоническая плита скользит под другой в процессе, называемом субдукцией. Субдуктивная пластина опускается и высвобождает богатые водой жидкости в вышележащую мантию, заставляя ее таять и производить магму, которая в конечном итоге поднимаются на поверхность земли. Этот процесс создает вулканы островной дуги, подобные тем, которые встречаются сегодня на японских островах и в других местах Тихоокеанского огненного кольца. В конце концов, благодаря тектонике плит островные дуги сталкиваются с континентами и включаются в них, сохраняя их в горных породах в течение геологического времени.

Наиболее распространенными магматическими породами являются базальты — темные и мелкозернистые породы, обычно встречающиеся в потоках лавы. Большинство базальтов на Земле сегодня образуются не на островных дугах, а в середине океанических хребтов глубоко под водой. Хорошо известное различие между ними состоит в том, что базальты из островной дуги более окислены, чем те, что встречаются на хребтах в середине океана.

Ведущая, но спорная гипотеза для этого различия состоит в том, что океаническая кора окисляется кислородом и сульфатом в глубоком океане, прежде чем она попадает в мантию, доставляя окисленный материал к мантийному источнику островных дуг над зоной субдукции.

Но Земля не всегда имела кислородную атмосферу и глубокий океан. Ученые считают, что появление кислорода — и вместе с этим способность планеты поддерживать аэробную жизнь — происходило в два этапа. Первое событие, имевшее место примерно от 2,3 до 2,4 миллиарда лет назад, привело к более чем 100 000-кратному увеличению атмосферного O2 в атмосфере, примерно до 1 процента от современного уровня.

Несмотря на то, что он был значительно выше, чем был ранее, концентрация O2 в атмосфере в это время все еще была слишком низкой для насыщения кислородом глубокого океана, который, как считается, оставался бескислородным в периоде 400–800 миллионов лет назад. Предполагается, что примерно в то же время концентрация O2 в атмосфере увеличилась до 10–50 процентов от современного уровня и этот второй прыжок позволил кислороду циркулировать в глубоком океане.

«Если причина, по которой современные островные дуги довольно сильно окислены, связана с присутствием растворенного кислорода и сульфата в глубоком океане, то это создает интересный потенциальный прогноз», — говорит Дэниел Столпер, один из авторы статьи и доцент кафедры наук о Земле и планетах в Калифорнийском университете в Беркли. «Мы примерно знаем, когда глубокие океаны стали оксигенированными, и, таким образом, если эта идея верна, можно увидеть изменение в том, насколько окисленными были древние островные породы до и после этой оксигенации».

Чтобы найти сигнал об этом событии оксигенации в островных дуговых магматических породах, ученые просмотрели опубликованные записи древних островных дуг и собрали геохимические измерения, которые выявили степень окисления дуговых пород, извергавшихся от десятков миллионов до миллиардов лет назад. Их идея была проста: если окисленный материал с поверхности подвергается субдукции и окисляет мантийные области, являющиеся источником островодужных пород, то древние островодужные породы должны быть менее окисленными (и, следовательно, более «восстановленными»), чем их современные аналоги.

Их анализ выявил отчетливый признак: обнаруженное увеличение окисленного железа в образцах пород между 800 и 400 миллионами лет назад, был в тот же интервал времени, в который независимые исследования предположили оксигенацию глубокого океана.

Исследователи также изучили другие возможные объяснения сигнала. Например, обычно предполагается, что степень окисления железа в породах может быть нарушена метаморфическими процессами — нагреванием и уплотнением горных пород — или процессами, которые изменяют их на или около поверхности земли.

Ученые разработали множество тестов, чтобы определить, повлияли ли такие процессы на запись. Они говорят, что некоторые изменения почти наверняка произошли, но эти изменения постоянны везде, где были взяты образцы. «Количество окисленного железа в образцах, возможно, было смещено после охлаждения и затвердевания, но, похоже, оно сместилось одинаковым образом во всех образцах», — говорят исследователи.

Исследование говорит о сильной связи между геологией Земли и жизнью, которая на ней процветает. «Эволюция планеты и жизни на ней взаимосвязаны. Мы не можем понять одно, не понимая другого».

Daniel A. Stolper et al. Neoproterozoic to early Phanerozoic rise in island arc redox state due to deep ocean oxygenation and increased marine sulfate levels, Proceedings of the National Academy of Sciences (2019). DOI: 10.1073/pnas.1821847116