IJzerrijke rotsen openen nieuwe inzichten in de geschiedenis van planeet Aarde

Visueel opvallende lagen van oranje, geel, zilver, bruin en gebrand blauwzwart zijn kenmerkend voor gestreepte ijzerformaties, afzettingsgesteenten die volgens nieuw onderzoek van Rice University mogelijk enkele van de grootste vulkaanuitbarstingen in de geschiedenis van de aarde hebben veroorzaakt.

De rotsen bevatten ijzeroxiden die lang geleden naar de bodem van de oceanen zijn gezonken en dichte lagen hebben gevormd die uiteindelijk in steen zijn veranderd. Het onderzoek is deze week gepubliceerd in Natuurwetenschappen Aardwetenschappen Hij suggereert dat ijzerrijke lagen oude veranderingen aan het aardoppervlak – zoals de opkomst van fotosynthetisch leven – kunnen koppelen aan planetaire processen zoals vulkanisme en platentektoniek.

Naast het verbinden van planetaire processen waarvan algemeen werd aangenomen dat ze niet met elkaar verbonden waren, zou de studie het begrip van wetenschappers over de vroege geschiedenis van de aarde kunnen herzien en inzicht kunnen verschaffen in de processen die bewoonbare exoplaneten tot ver buiten ons zonnestelsel zouden kunnen produceren.

“Deze rotsen vertellen – vrij letterlijk – het verhaal van de veranderende planetaire omgeving”, zegt Duncan Keeler, hoofdauteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker bij het Department of Earth, Environmental and Planetary Sciences in Rice. “Het belichaamt een verandering in de chemie van de atmosfeer en de oceanen.”

De gestreepte ijzerformaties zijn chemische afzettingen die rechtstreeks zijn afgezet uit oud zeewater dat rijk is aan opgelost ijzer. Aangenomen wordt dat de metabole werking van micro-organismen, waaronder fotosynthese, de afzetting van mineralen vergemakkelijkte, die zich in de loop van de tijd laag op laag vormden, samen met hoornkiezel (microkristallijn siliciumdioxide). De grootste afzettingen werden gevormd toen ongeveer 2,5 miljard jaar geleden zuurstof zich ophoopte in de atmosfeer van de aarde.

“Deze rotsen zijn gevormd in oude oceanen, en we weten dat die oceanen later zijdelings werden gesloten door plaattektonische processen”, legt Keller uit.

Hoewel de mantel stevig is, stroomt hij als een vloeistof met ongeveer de groeisnelheid van een vingernagel. Tektonische platen – delen van de korst en de bovenmantel ter grootte van een continent – zijn constant in beweging als gevolg van convectiestromen in de mantel. De tektonische processen van de aarde beheersen de levenscycli van de oceanen.

“Net zoals de Stille Oceaan vandaag wordt afgesloten – hij tuimelt onder Japan en onder Zuid-Amerika – zijn de oude oceaanbekkens tektonisch verwoest”, zei hij. “Deze rotsen worden ofwel de continenten in geduwd en bewaard – en we zien dat sommige bewaard zijn gebleven, en dat is waar de rotsen waar we vandaag naar kijken vandaan komen – of ondergedompeld in de mantel.”

Vanwege hun hogere ijzergehalte zijn de gestreepte ijzerformaties veel dichter dan de mantel, waardoor Keeler zich afvroeg of uitstekende stukken van de formaties helemaal zonken en zich vestigden in het laagste deel van de mantel nabij de top van de kern van de aarde. Daar zouden ze, onder enorme temperatuur en druk, diepgaande veranderingen hebben ondergaan omdat hun mineralen andere structuren aannamen.

“Er is zeer interessant werk over de eigenschappen van ijzeroxiden in deze omstandigheden,” zei Keller. “Ze kunnen zowel thermisch als elektrisch sterk geleidend worden. Sommige geleiden warmte net zo gemakkelijk als mineralen. Het is dus mogelijk dat deze rotsen, eenmaal in de onderste mantel, kunnen veranderen in sterk geleidende klonten zoals hete platen.”

Keller en collega’s veronderstellen dat verrijkte gebieden in de onderzeese ijzerformaties kunnen helpen bij het vormen van mantelpluimen, kanalen van hete rotsen die boven thermische anomalieën in de ondermantel uitstijgen die supervolkanen kunnen produceren zoals die welke de Hawaiiaanse eilanden vormden.

“Onder Hawaï laten de seismische gegevens ons een heet kanaal van opwellend mantelwater zien, ” zei Keller. “Stel je een hete plek op je fornuis voor. Als het water in je pan kookt, zie je meer bubbels boven een waterkolom in dat gebied opstijgen. De mantelpluimen zijn daar een soort gigantische versie van.”

“We hebben gekeken naar de afzettingsleeftijden van gestreepte ijzerformaties en de leeftijden van grote basaltische uitbarstingsgebeurtenissen die grote stollingsprovincies worden genoemd, en we ontdekten dat er een correlatie was, ” zei Keller. “Verschillende vulkanische gebeurtenissen – zo groot dat 10 of 15 grotere misschien voldoende zouden zijn geweest om de hele planeet weer boven water te laten komen – werden voorafgegaan door de afzetting van ijzervormende banden met tussenpozen van ongeveer 241 miljoen jaar, ongeveer 15 miljoen jaar. Dit correleert sterk met een logisch mechanisme.”

De studie toonde aan dat er een redelijke tijdsperiode is voor de diepgestreepte ijzerformaties om eerst de onderste mantel in te trekken en vervolgens de warmtestroom te beïnvloeden om een ​​pluim duizenden kilometers hoog naar het aardoppervlak te drijven.

In zijn pogingen om de vlucht van de gestreepte ijzerformaties te volgen, heeft Keeler disciplinaire grenzen overstegen en stuitte hij op onverwachte inzichten.

“Als wat er gebeurde in de vroege oceanen, nadat micro-organismen de oppervlakte-omgevingen chemisch veranderden, uiteindelijk 250 miljoen jaar later leidde tot enorme lavastromen elders op aarde, dan betekent dit dat deze processen met elkaar verbonden zijn en met elkaar praten”, zei Keller. .” “Het betekent ook dat het mogelijk is dat de gerelateerde processen veel grotere lengteschalen hebben dan mensen hadden verwacht. Om dit te kunnen concluderen, moesten we vertrouwen op gegevens uit veel verschillende gebieden in mineralogie, geochemie, geofysica en sedimentologie.”

Keller hoopt dat de studie meer onderzoek zal stimuleren. “Ik hoop dat dit een stimulans zal zijn voor mensen in de verschillende gebieden die het raakt,” zei hij. “Ik denk dat het heel gaaf zou zijn als dit mensen op nieuwe manieren met elkaar laat praten over hoe verschillende delen van het aardsysteem met elkaar verbonden zijn.”

Keeler maakt deel uit van het CLEVER Planets: CLEVER Planets: Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets-programma, een multidisciplinaire, multi-institutionele groep wetenschappers onder leiding van Rajdeep Dasgupta, Rice W. Morris Ewing Professor of Earth Systems Science in de Afdeling Aard-, Milieu- en Planetaire Wetenschappen.

“Dit is een zeer interdisciplinaire samenwerking waarbij wordt gekeken naar hoe de vluchtige elementen die belangrijk zijn voor de biologie – koolstof, waterstof, stikstof, zuurstof, fosfor en zwavel – zich gedragen op planeten, hoe planeten deze elementen verwerven en welke rol ze spelen bij het maken van planeten.” zei Keller.

“We gebruiken de aarde als ons beste voorbeeld, maar we proberen erachter te komen wat de aanwezigheid of afwezigheid van een of enkele van deze elementen zou kunnen betekenen voor planeten in het algemeen”, voegde hij eraan toe.