Undersøgelse:Tidligt organisk kulstof blev dybt begravet i kappen

Rice University petrologer, der genskabte varme, højtryksforhold fra 60 miles under jordens overflade har fundet et nyt spor om en afgørende begivenhed i planetens dybe fortid.

Deres undersøgelse beskriver, hvordan forstenet kulstof - resterne af Jordens tidligste encellede væsner - kunne være blevet indlemmet og låst dybt inde i Jordens indre fra omkring 2,4 milliarder år siden - en tid, hvor atmosfærisk ilt steg dramatisk. Avisen vises online i denne uge i bladet Natur Geovidenskab .

"Det er et interessant koncept, men for at det komplekse liv kan udvikle sig, den tidligste form for liv skulle begraves dybt i planetens kappe, " sagde Rajdeep Dasgupta, professor i geovidenskab ved Rice. "Mekanismen for den begravelse kommer i to dele. For det første, du har brug for en form for pladetektonik, en mekanisme til at transportere kulstofrester fra tidlige livsformer tilbage til Jorden. Sekund, du har brug for den korrekte geokemi, så organisk kulstof kan føres dybt ind i Jordens indre og derved fjernes fra overflademiljøet i lang tid."

Det drejer sig om, hvad der forårsagede den "store oxidationsbegivenhed, " en stejl stigning i atmosfærisk oxygen, der er veldokumenteret i utallige gamle klipper. Begivenheden er så velkendt for geologer, at de ofte blot refererer til den som "GOE." Men på trods af denne kendskab, der er ingen videnskabelig konsensus om, hvad der forårsagede GOE. For eksempel, videnskabsmænd kender Jordens tidligste kendte liv, encellede cyanobakterier, trak kuldioxid ned fra atmosfæren og frigav ilt. Men det tidlige liv er blevet skubbet længere og længere ind i fortiden med de seneste fossile opdagelser, og videnskabsmænd ved nu, at cyanobakterier var udbredt mindst 500 millioner år før GOE.

"Cyanobakterier kan have spillet en rolle, men GOE var så dramatisk - iltkoncentrationen steg så meget som 10, 000 gange - at cyanobakterier i sig selv ikke kunne forklare det, " sagde hovedmedforfatter Megan Duncan, der foretog forskningen til hendes ph.d. afhandling ved Rice. "Der skal også være en mekanisme til at fjerne en betydelig mængde reduceret kulstof fra biosfæren, og derved ændre den relative koncentration af ilt i systemet, " hun sagde.

At fjerne kulstof uden at fjerne ilt kræver særlige omstændigheder, fordi de to elementer er tilbøjelige til at binde sig til hinanden. De udgør en af ​​nøglekomponenterne i atmosfæren - kuldioxid - såvel som alle typer carbonatsten.

Dasgupta og Duncan fandt ud af, at den kemiske sammensætning af "silikatsmelten" - subduktion af jordskorpesten, der smelter og stiger tilbage til overfladen gennem vulkanudbrud - spiller en afgørende rolle i at bestemme, om fossiliseret organisk kulstof, eller grafit, synker ned i kappen eller stiger tilbage til overfladen gennem vulkanisme.

Duncan, nu forsker ved Carnegie Institution i Washington, D.C., sagde undersøgelsen er den første til at undersøge den grafitbærende kapacitet af en type smelte kendt som rhyolit, som almindeligvis produceres dybt inde i kappen og transporterer betydelige mængder kulstof til vulkanerne. Hun sagde, at rhyolitisk stens grafitbærende kapacitet er afgørende, fordi hvis grafit er tilbøjelig til at køre tilbage til overfladen via udvinding af rhyolitisk smelte, det ville ikke være blevet begravet i tilstrækkelige mængder til at redegøre for GOE.

"Silikatsammensætning spiller en vigtig rolle, " sagde hun. "Forskere har tidligere set på kulstofbærende kapaciteter i sammensætninger, der var meget mere magnesiumrige og siliciumfattige. Men sammensætningen af ​​disse rhyolitiske smelter er høj i silicium og aluminium og har meget lidt calcium, magnesium og jern. Det betyder noget, fordi calcium og magnesium er kationer, og de ændrer mængden af ​​kulstof, du kan opløse."

Dasgupta og Duncan fandt ud af, at rhyolitiske smelter kunne opløse meget lidt grafit, selv når det er meget varmt.

"Det var en af ​​vores motiver, " sagde Dasgupta, professor i geovidenskab. "Hvis subduktionszoner i fortiden var meget varme og producerede en betydelig mængde smelte, kunne de fuldstændigt destabilisere organisk kulstof og frigive det tilbage til overfladen?

"Det, vi viste, var, at selv på meget, meget høje temperaturer, ikke meget af dette grafitiske kulstof opløses i smelten, " sagde han. "Så selvom temperaturen er høj, og du producerer meget smelte, dette organiske kulstof er ikke særlig opløseligt i den smelte, og kulstoffet bliver begravet i kappen som et resultat.

"Det, der er pænt, er, at med begyndelsen og det forventede tempo af jordskorpebegravelse i den dybe kappe, der starter lige før GOE, og med vores eksperimentelle data om effektiviteten af ​​dyb nedgravning af reduceret kulstof, vi kunne modellere den forventede stigning i atmosfærisk oxygen over GOE, " sagde Dasgupta.

Forskningen understøtter resultaterne af et papir fra 2016 af andre Rice-petrolog Cin-Ty Lee og kolleger, der foreslog, at pladetektonik, dannelse af kontinenter og udseendet af tidligt liv var nøglefaktorer i udviklingen af ​​en iltrig atmosfære på Jorden.

Duncan, som i stigende grad fokuserer på exoplanetariske systemer, sagde, at forskningen kunne give vigtige spor om, hvad videnskabsmænd skal kigge efter, når de vurderer, hvilke exoplaneter der kan understøtte liv.