新研究、マントル酸化理論に挑戦

スミソニアンの科学者たちは、少なくとも25億年前の古代の「タイムカプセル」岩石に関する新しい研究を行いました。

スミソニアン国立自然史博物館の研究者らは、少なくとも25億年に及ぶと推定される岩石の新しい分析を行い、地球の知覚の下の層であるマントルの化学的歴史の光を照らしました。 彼らの発見は、地球の最も初期の地質学的プロセスの私たちの理解を高め、地球の地質学的歴史の長い科学的な議論に貢献しています。 注目すべき点は、この研究は、地球マントルの大部分の酸化状態が地質学的時間の間安定的に維持されたという証拠を提供し、他の研究者が主要な転換について以前に主張したことに挑戦することです。

「この研究は、私たちが住んでいるこの特別な場所がどのようにして今のように見えるかについてもっと伝えます。ユニークな表面と内部があり、生命と液体の水が存在することができました。」 博物館の鉱物科学部の議長であり、National Rock Collectionのキュレーターであり、研究の共著者であるエリザベス・コートレルの言葉です。 「これはわたしたちの人間の物語の一部です。

ジャーナルで発表された研究 自然海底から収集した珍しい地球化学的特性を持つ岩石グループを中心に。 言い換えれば、岩石は非常に低いレベルの酸化で非常に溶けたという証拠を示しています。 酸化は 原子 あるいは、分子は化学反応において１つ以上の電子を失う。 さらなる分析とモデリングの助けを借りて、研究者たちはこれらの岩のユニークな特性を使用して、彼らが少なくとも25億年前の原生代にさかのぼる可能性があることを示しました。 さらに、この発見は、他の地質学者が以前に理論化したのとは対照的に、これらの岩石が形成されて以来、地球のマントルが全体的に安定した酸化状態を維持してきたことを示しています。

海底から引き上げて研究チームが研究した古代岩。 出典：トムクラインデンスト

「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より10,000倍少なく酸化され、これはマントルが今日よりもはるかに熱かった原生代に地球の奥深くに溶け込んだからであるという証拠を提示しています」とCottrellは言います。 「他の研究者たちは、今日のマントルの岩石に見られるより高い酸化レベルを原生代と今日の間に酸化事象や変化が起こったと提案することによって説明しようとしました。私たちの証拠によると、酸化レベルの違いは地球のマントルが数十億全体的に冷やして、もはやそれほど低い酸化レベルの岩石を生成するほど熱くないという事実で簡単に説明できます。

地質学的証拠と研究方法論

研究者は、米国自然史博物館で博士前のフェローシップを終え、現在、ケンタッキー州ベリア大学の助教授である上級研究作家スーザンバーナーを含む、地球の硬いマントルと現代の海底火山岩との関係を理解するために調査を開始しました。 研究者たちは、地殻が広がり、マントルが表面に巻き込まれ、新しい地殻を生成する2つの海洋山の幹から海底から引き上げられた岩石群を研究することから始めました。

研究された岩石が集められた2つの場所、北極近くのGakkel Ridgeとアフリカと南極の間のSouthwest Indian Ridgeは、世界で最もゆっくりと広がる地殻板の境界の2つです。 このような海洋隆起部で拡散速度が遅いということは、火山が散在している東太平洋海令のように急速に拡散する隆起部と比較した場合、火山活動の面で比較的静かであることを意味します。 つまり、これらのゆっくりと広がる隆起から収集された岩石は、マントル自体のサンプルである可能性が高くなります。

2004年の海の研究船R/V Knorrの船尾。 A字型構造は巨大な金属とチェーンバケットを固定しており、このバケットは海面下10,000フィート以上の深さに下がり、海底に沿って引き込まれて地質サンプルを収集します。 ソース: Emily Van Ark

チームがこれら2つの山の幹から集めたマントル岩を分析したとき、彼らは奇妙な化学的性質が共通していることを発見しました。 まず、岩石は今日、地球マントルで一般的なものよりもはるかに溶けました。 第二に、岩石は地球マントルの他のほとんどのサンプルよりはるかに酸化されていません。

研究者らは、このような高い溶融度を達成するために、岩石が地球の深い場所で非常に高い温度で溶けたと推論した。 地球の地質学的歴史において、このような高温が含まれていることが知られている唯一の期間は、25億〜40億年前の原生代でした。 その結果、研究者たちは、このマントル岩が原生代、つまり地球の内部が360〜540度だったときに溶けたと推論しました。 華氏 （200～300度 摂氏）今日より暑いです。

そのような非常に溶け込んだおかげで、これらの岩石はもはや溶けて化学的特徴が変化するのを防ぐことができました。

「この事実だけでは何も証明できません。」 コートレルは言った。 「しかし、このサンプルは原生代の本当の地質学的時間カプセルであるというドアを開きます。」

科学的解釈と洞察

Gakkel RidgeとSouthwest Indian Ridgeで収集された岩石の低酸化レベルを説明するための地球化学シナリオを探るために、チームは測定にいくつかのモデルを適用しました。 このモデルは、サンプルで測定した低酸化レベルが地球の深い場所で非常に熱い条件で溶けたために発生した可能性があることを示しました。

どちらの証拠も、岩石の非定型的な性質が原生代（マントルが非常に高い温度を生成することができた時期）に地球の深いところで溶けた化学的特徴を示すという解釈を裏付けました。

以前は、地質学者の中には、低レベルのマントル岩石が、原生代の地球のマントルが酸化されにくく、メカニズムによって時間が経つにつれてより酸化されたという証拠として解釈されていました。 提案された酸化メカニズムには、ガスが宇宙に失われ、酸化レベルが徐々に増加し、摂入によって古い海底がリサイクルされ、地球の核がマントルの地球化学に継続的に参加することが含まれます。 しかし、これまでのところ、これらの見解を支持している人たちは、一つの説明でまとめられていませんでした。

その代わりに、新しい発見は地球マントルの酸化レベルが数十億年にわたり一般的に安定してきました。 マントルが冷えたからです。 したがって、地球マントルを作るメカニズムの代わりに もっと 新しい研究によると、数十億年にわたって酸化された原生代の高温がマントルの一部を作ったという。 少ない 酸化された。 地球のマントルは原生代以来冷却されたので、もはや酸化レベルが非常に低い岩石を生産することはできません。 Cottrellは、地球のマントル冷却プロセスがはるかに簡単な説明を提供すると述べた。 地球は単に昔のように岩石を作りません。

コートレルと彼女の協力者たちは、現在、研究室で原生代で発見された極めて高い圧力と温度をシミュレートして、ガケル海領とサウスウエストインディアン海令の原生代マントル岩を形成した地球化学プロセスをよりよく理解しようとしています。

参考文献：Suzanne K. Birner、Elizabeth Cottrell、Fred A. Davis、およびJessica M. Warrenの「超低酸素揮発性で記録された深く熱い古代の溶融」、2024年7月24日 自然。
DOI: 10.1038/s41586-024-07603-w

バーナーとコートレルに加えて、ミネソタ・ダルース大学のフレッド・デイビス、デラウェア大学のジェシカ・ウォーレンがこの研究の共著者として参加しました。

この研究はスミソニアンと米国国立科学財団の支援を受けました。