Sebuah studi baru menantang teori oksidasi mantel

Sepotong tipis batu kuno yang dikumpulkan dari Punggung Bukit Gakkel dekat Kutub Utara, dicitrakan di bawah mikroskop dan dilihat di bawah cahaya terpolarisasi bersilang. Lebar bidang ~ 14 mm. Analisis batuan bagian tipis membantu ahli geologi mengidentifikasi dan mendeskripsikan mineral di dalam batuan. Analisis tersebut mengungkapkan informasi tentang komposisi mineralogi, tekstur, dan sejarah batuan, seperti bagaimana pembentukannya dan perubahan apa pun yang dialaminya. Para peneliti menggunakan penentuan komposisi kimia mineral pada batuan purba dari mantel bumi untuk menentukan kondisi di mana batuan tersebut meleleh. Hak Cipta: E. Cottrell, Smithsonian

Ilmuwan Smithsonian sedang melakukan penelitian baru pada batuan “kapsul waktu” kuno, yang berumur setidaknya 2,5 miliar tahun.

Para peneliti di Museum Nasional Sejarah Alam Smithsonian telah melakukan analisis baru terhadap batuan yang diyakini berusia setidaknya 2,5 miliar tahun, mengungkap sejarah kimiawi mantel bumi, lapisan di bawah kerak planet. Temuan mereka meningkatkan pemahaman kita tentang proses geologi tertua di bumi dan berkontribusi pada perdebatan ilmiah yang sudah berlangsung lama mengenai sejarah geologi planet ini. Khususnya, penelitian ini memberikan bukti bahwa keadaan oksidasi sebagian besar mantel bumi tetap stabil sepanjang waktu geologis, menantang pernyataan sebelumnya dari peneliti lain tentang transformasi besar.

“Studi ini memberi tahu kita lebih banyak tentang bagaimana tempat istimewa yang kita tinggali ini bisa menjadi seperti sekarang, dengan permukaan dan interiornya yang unik yang memungkinkan adanya kehidupan dan air dalam bentuk cair,” kata Elizabeth Cottrell, kepala Departemen Mineralogi museum. , kurator National Rock Collection dan salah satu penulis penelitian ini. “Ini adalah bagian dari kisah kita sebagai manusia karena asal usul kita semua berasal dari bagaimana Bumi terbentuk dan berevolusi.”

Studi ini dipublikasikan di jurnal alam, berfokus pada sekelompok batuan yang dikumpulkan dari dasar laut yang memiliki sifat geokimia yang tidak biasa. Secara khusus, batuan tersebut menunjukkan bukti pelarutan ekstrim dengan tingkat oksidasi yang sangat rendah; Oksidasi adalah kapan Jagung Atau sebuah molekul kehilangan satu atau lebih elektron dalam reaksi kimia. Dengan bantuan analisis dan pemodelan tambahan, para peneliti menggunakan sifat unik batuan ini untuk menunjukkan bahwa batuan tersebut kemungkinan berumur setidaknya 2,5 miliar tahun pada periode Archean. Selain itu, hasil penelitian menunjukkan bahwa mantel bumi secara umum mempertahankan keadaan oksidasi yang stabil sejak batuan ini terbentuk, berbeda dengan asumsi para ahli geologi lain sebelumnya.

Sebuah batu purba diekstraksi dari dasar laut dan dipelajari oleh tim peneliti. Kredit foto: Tom Kleindienst

“Batuan purba yang kami pelajari 10.000 kali lebih sedikit teroksidasi dibandingkan batuan mantel modern pada umumnya, dan kami memberikan bukti bahwa hal ini disebabkan oleh pencairan jauh di dalam bumi selama era Archean, ketika mantel lebih panas dibandingkan saat ini,” kata Cottrell. Yang lain menjelaskan tingkat oksidasi lebih tinggi yang terlihat pada batuan dari mantel saat ini dengan menyatakan bahwa peristiwa oksidasi atau perubahan terjadi antara zaman Archean dan saat ini. “Bukti kami menunjukkan bahwa perbedaan tingkat oksidasi dapat dijelaskan hanya dengan fakta bahwa mantel bumi telah mendingin selama miliaran tahun dan tidak lagi cukup panas untuk menghasilkan batuan dengan tingkat oksidasi rendah.”

Bukti geologi dan metodologi studi

Tim peneliti, termasuk penulis utama studi Susan Berner, yang menyelesaikan fellowship predoktoral di National Museum of Natural History dan sekarang menjadi asisten profesor di Berea College di Kentucky, memulai penyelidikan mereka untuk memahami hubungan antara mantel padat bumi dan gunung berapi modern. bebatuan di dasar laut. Para peneliti memulai dengan mempelajari sekelompok batuan yang digali dari dasar laut di dua pegunungan samudera di mana lempeng tektonik menyimpang dan mantel bergerak ke permukaan dan menghasilkan kerak baru.

Dua tempat asal batuan yang diteliti dikumpulkan, Pegunungan Jackyll dekat Kutub Utara dan Pegunungan India Barat Daya antara Afrika dan Antartika, merupakan salah satu batas lempeng tektonik yang penyebarannya paling lambat di dunia. Lambatnya penyebaran di pegunungan samudera ini berarti bahwa wilayah tersebut relatif tenang, secara vulkanik, dibandingkan dengan pegunungan vulkanik yang menyebar lebih cepat seperti Pegunungan Pasifik Timur. Artinya, batuan yang dikumpulkan dari punggung bukit yang menyebar perlahan ini kemungkinan besar merupakan sampel dari mantel itu sendiri.

Buritan kapal penelitian R/V Knorr di laut pada tahun 2004. Lambung berbentuk A menampung ember dan rantai logam raksasa yang diturunkan lebih dari 10.000 kaki di bawah permukaan laut dan diseret di sepanjang dasar laut untuk mengumpulkan sampel geologi. Hak Cipta: Emily Van Ark

Ketika tim menganalisis batuan mantel yang mereka kumpulkan dari dua punggung bukit ini, mereka menemukan bahwa batuan tersebut memiliki sifat kimia yang aneh. Pertama, batuan tersebut telah mencair jauh lebih besar dibandingkan dengan batuan mantel saat ini. Kedua, batuan tersebut jauh lebih sedikit teroksidasi dibandingkan sebagian besar sampel batuan mantel lainnya.

Untuk mencapai tingkat pencairan setinggi ini, para peneliti menyimpulkan bahwa batuan tersebut pasti telah meleleh jauh di dalam tanah pada suhu yang sangat tinggi. Satu-satunya periode dalam sejarah geologi bumi yang diketahui memiliki suhu setinggi itu adalah antara 2,5 dan 4 miliar tahun yang lalu pada masa Archean Eon. Dengan demikian, para peneliti menyimpulkan bahwa batuan mantel ini mungkin meleleh selama Archean Eon, ketika suhu interior planet berada antara 360 dan 540 derajat. F (200-300 derajat Celsius) lebih panas dari sekarang.

Sifatnya yang sangat larut akan melindungi batuan ini dari pencairan lebih lanjut yang mungkin mengubah sifat kimianya, sehingga memungkinkan batuan tersebut bersirkulasi di mantel bumi selama miliaran tahun tanpa mengubah sifat kimianya secara signifikan.

“Fakta ini saja tidak membuktikan apa pun, namun membuka kemungkinan bahwa sampel ini berfungsi sebagai kapsul waktu geologis nyata yang berasal dari era Archean,” kata Cottrell.

Penjelasan dan wawasan ilmiah

Untuk mengeksplorasi skenario geokimia yang mungkin menjelaskan rendahnya tingkat oksidasi batuan yang dikumpulkan di Jackel Ridge dan Indian Ridge barat daya, tim menerapkan beberapa model pada pengukurannya. Model tersebut mengungkapkan bahwa rendahnya tingkat oksidasi yang mereka ukur dalam sampel mereka kemungkinan besar disebabkan oleh pencairan dalam kondisi yang sangat panas jauh di dalam bumi.

Kedua bukti tersebut mendukung penafsiran bahwa sifat atipikal batuan tersebut mewakili tanda kimiawi yang dihasilkan dari pencairan jauh di dalam bumi selama zaman Arkean, ketika mantel mampu menghasilkan suhu yang sangat tinggi.

Sebelumnya, beberapa ahli geologi menafsirkan batuan mantel dengan tingkat oksidasi rendah sebagai bukti bahwa mantel Archean kurang teroksidasi dan melalui mekanisme tertentu ia menjadi lebih teroksidasi seiring waktu. Mekanisme oksidasi yang diusulkan mencakup peningkatan bertahap tingkat oksidasi karena hilangnya gas ke luar angkasa, daur ulang dasar laut purba melalui subduksi, dan keterlibatan inti bumi dalam kimia mantel. Namun sejauh ini, para pendukung pandangan ini belum menyepakati satu penjelasan pun.

Sebaliknya, temuan baru ini mendukung pandangan bahwa tingkat oksidasi dalam mantel bumi sebagian besar konstan selama miliaran tahun, dan bahwa oksidasi rendah yang terlihat pada beberapa sampel mantel muncul dalam kondisi geologis dimana bumi tidak dapat lagi berproduksi karena mantelnya. telah mendingin. Jadi, bukannya beberapa mekanisme yang membuat mantel bumi lagi teroksidasi selama miliaran tahun, dan studi baru mengklaim bahwa suhu tinggi di era Archean membuat bagian-bagian mantel lebih sedikit Karena atmosfer bumi sudah mendingin sejak zaman Archean, maka tidak mampu lagi menghasilkan batuan dengan tingkat oksidasi yang sangat rendah. Cottrell mengatakan proses pendinginan atmosfer bumi memberikan penjelasan yang lebih sederhana: Bumi tidak lagi menghasilkan batuan seperti di masa lalu.

Cottrell dan rekan-rekannya kini berusaha untuk lebih memahami proses geokimia yang membentuk batuan mantel Archean di Jackyll Range dan Indian Range di barat daya dengan melakukan simulasi tekanan dan suhu sangat tinggi yang ditemukan di Archaea di laboratorium.

Referensi: “Pencairan Dalam, Panas, dan Kuno yang Dicatat oleh Oksigenasi Sangat Rendah pada Peridotit” oleh Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell, dan Fred A. Davis dan Jessica M. Warren, 24 Juli 2024, alam.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Selain Berner dan Cottrell, penelitian ini juga ditulis bersama oleh Fred Davis dari University of Minnesota Duluth dan Jessica Warren dari University of Delaware.

Penelitian ini didukung oleh Smithsonian Institution dan National Science Foundation.