新しい研究はマントル酸化理論に挑戦します

スミソニアン博物館の科学者たちは、少なくとも25億年前に遡る古代の「タイムカプセル」岩石に関する新たな研究を行っている。

スミソニアン博物館国立自然史博物館の研究者らは、少なくとも25億年前のものと考えられる岩石の新たな分析を実施し、地球の地殻の下の層であるマントルの化学史に光を当てた。 彼らの発見は、地球最古の地質学的過程についての理解を深め、地球の地質学的歴史に関する長年にわたる科学的議論に貢献します。 注目すべきことに、この研究は、地球のマントルの大部分の酸化状態が地質時代を通じて安定したままであるという証拠を提供し、大きな変化についての他の研究者による以前の主張に異議を唱えています。

「この研究は、生命と液体の水の存在を可能にした独特の表面と内部を備えた、私たちが住んでいるこの特別な場所がどのようにして現在の姿になったのかについて詳しく教えてくれます」と博物館の鉱物学部長エリザベス・コットレル氏は述べた。 、国立岩石コレクションのキュレーターであり、研究の共著者でもある彼は、「私たちの起源はすべて、地球がどのように形成され、どのように進化したかに遡るため、これは私たち人間の物語の一部です。」

研究は雑誌に掲載されました 自然は、海底から収集された、異常な地球化学的特性を持つ岩石のグループに焦点を当てています。 具体的には、岩石は非常に低いレベルの酸化で極端な溶解の証拠を示しています。 酸化というのは、 トウモロコシ または、分子は化学反応で 1 つ以上の電子を失います。 研究者らは追加の分析とモデリングの助けを借りて、これらの岩石のユニークな特性を利用して、それらがおそらく始生代の少なくとも25億年前のものである可能性があることを示しました。 さらに、この結果は、他の地質学者が以前に想定していたものとは対照的に、これらの岩石が形成されて以来、地球のマントルは概して安定した酸化状態を維持していることを示しています。

古代の岩石が海底から抽出され、研究チームによって研究されました。 写真提供者: Tom Kleindienst

「私たちが研究した古代の岩石は、典型的な現代のマントル岩石に比べて酸化が1万分の1であり、これはマントルが現在よりも高温だった始生代に地球の深部で溶けたことによるという証拠を示しています」とコットレル氏は述べた。また、始生代と今日の間に酸化または変質現象が起こったことを示唆することで、今日のマントルの岩石に見られるより高いレベルの酸化を説明する人もいます。 「私たちの証拠は、酸化レベルの違いは、地球のマントルが数十億年かけて冷え、もはやそのような低い酸化レベルの岩石を生成できるほど熱くなくなったという事実によって簡単に説明できることを示唆しています。」

地質学的証拠と研究方法

研究主任著者のスーザン・バーナー氏を含む研究チームは、国立自然史博物館で博士課程前フェローシップを修了し、現在はケンタッキー州ベリア大学で助教授を務めているが、地球の固体マントルと現代の火山との関係を理解するために調査を開始した。海底の岩。 研究者らは、構造プレートが分岐し、マントルが表面に移動して新しい地殻を生成する2つの海嶺の海底から発掘された岩石群を研究することから始めた。

研究された岩石が採取された2つの場所、北極近くのジャッキル山脈とアフリカと南極の間にある南西インド山脈は、世界で最もゆっくりと広がるプレート境界の一つである。 これらの海洋尾根での伝播のペースが遅いということは、東太平洋尾根などのより速く広がる火山尾根と比較して、火山的に言えば、それらが比較的静かであることを意味します。 これは、これらのゆっくりと広がる尾根から収集された岩石がマントル自体のサンプルである可能性が高いことを意味します。

2004 年に洋上で撮影された研究船 R/V クノールの船尾。A 字型の船体には巨大な金属製のバケットとチェーンが搭載されており、海面下 10,000 フィート以上の深さに降下され、地質サンプルを収集するために海底に沿って引きずられます。 著作権: エミリー・ヴァン・アーク

研究チームがこれら 2 つの尾根から収集したマントル岩石を分析したところ、それらが奇妙な化学的性質を共有していることが判明しました。 まず、岩石は今日のマントル岩石に典型的なものよりもはるかに広範囲に溶けていた。 第二に、この岩石は他のほとんどのマントル岩石サンプルよりも酸化がはるかに低かった。

この高度な融解に達するには、岩石が非常に高い温度で地中深く融解したに違いないと研究者らは結論付けた。 地球の地質史の中でこのような高温があったことが知られている唯一の期間は、始生代の 25 億年から 40 億年前の期間です。 したがって研究者らは、これらのマントル岩石はおそらく始生代、つまり惑星内部の温度が360度から540度の間だった時代に溶けたと結論づけた。 F (200-300度 摂氏）今日よりも暑いです。

溶解性が高いと、これらの岩石がさらに溶けて化学的特徴が変化するのを防ぎ、化学的性質を大きく変えることなく、数十億年間地球のマントル内を循環することができます。

「この事実だけでは何も証明できないが、これらのサンプルが始生代に遡る本物の地質学的タイムカプセルとして機能する可能性への扉が開かれた」とコットレル氏は述べた。

科学的な説明と洞察

ジャッケルリッジと南西インディアンリッジで採取された岩石の酸化レベルが低いことを説明できる可能性のある地球化学的シナリオを探るため、研究チームは複数のモデルを測定に適用した。 モデルは、サンプルで測定された低レベルの酸化は、地球深部の極度の高温条件下での融解によって引き起こされた可能性が高いことを明らかにしました。

どちらの証拠も、この岩石の異常な性質は、マントルが極度の高温を生み出すことができた始生代の地球深部での融解に起因する化学的痕跡を表しているという解釈を裏付けている。

以前、一部の地質学者は、酸化レベルが低いマントル岩石は始生代のマントルの酸化が少なく、何らかのメカニズムによって時間の経過とともに酸化が進んだ証拠だと解釈していた。 提案されている酸化メカニズムには、宇宙へのガスの損失、沈み込みによる古代の海底の再利用、およびマントル化学への地球核の継続的な関与による酸化レベルの段階的な増加が含まれます。 しかし、これまでのところ、この見解の支持者たちは、いかなる説明にも同意していません。

その代わりに、新しい発見は、地球のマントルの酸化レベルは数十億年間ほぼ一定であり、一部のマントルサンプルで見られる低酸化は、地球がマントルの影響でもはや生成できない地質条件下で生じたものであるという見解を裏付けるものである。それ以来冷えてきました。 つまり、地球のマントルを作る何らかのメカニズムの代わりに もっと 数十億年かけて酸化され、新しい研究では始生代の高温がマントルの一部を形成したと主張している 少ない 地球の大気は始生代以降冷えてきたため、酸化レベルが非常に低い岩石を生成できなくなりました。 コットレル氏は、地球の大気の冷却プロセスがもっと単純な説明を提供すると言う。地球は単に過去のように岩石を作らなくなっただけだという。

コットレル氏らは現在、古細菌で見られる極めて高い圧力と温度を実験室でシミュレートすることで、ジャッキル山脈と南西インディアン山脈の始生代のマントル岩石を形成した地球化学的過程をより深く理解しようとしている。

参考文献: 「かんらん岩の極低酸素化によって記録された、深く、熱い、古代の融解」スーザン K. バーナー、エリザベス コットレル、フレッド A. デイビスとジェシカ M. ウォーレン、2024 年 7 月 24 日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-024-07603-s

この研究は、バーナー氏とコットレル氏に加えて、ミネソタ大学ダルース大学のフレッド・デイビス氏とデラウェア大学のジェシカ・ウォーレン氏の共著者である。

この研究はスミソニアン博物館と国立科学財団の支援を受けました。