دراسة جديدة تتحدى نظرية أكسدة الوشاح

يجري علماء سميثسونيان أبحاثًا جديدة على صخور “كبسولة الزمن” القديمة، التي يعود تاريخها إلى 2.5 مليار عام على الأقل.

أجرى باحثون في المتحف الوطني للتاريخ الطبيعي التابع لمؤسسة سميثسونيان تحليلاً جديدًا للصخور التي يُعتقد أن عمرها لا يقل عن 2.5 مليار سنة، مما ألقى الضوء على التاريخ الكيميائي لغطاء الأرض، الطبقة الواقعة تحت قشرة الكوكب. تعزز نتائجهم فهمنا لأقدم العمليات الجيولوجية للأرض وتساهم في نقاش علمي طويل الأمد بشأن التاريخ الجيولوجي للكوكب. والجدير بالذكر أن الدراسة تقدم دليلاً على أن حالة الأكسدة لمعظم غطاء الأرض ظلت مستقرة على مر الزمن الجيولوجي، مما يتحدى تأكيدات سابقة من قبل باحثين آخرين حول التحولات الكبرى.

قالت إليزابيث كوتريل، رئيسة قسم علوم المعادن بالمتحف، وأمينة مجموعة الصخور الوطنية والمؤلفة المشاركة للدراسة: “تخبرنا هذه الدراسة بالمزيد عن كيفية نشوء هذا المكان الخاص الذي نعيش فيه على النحو الذي هو عليه الآن، مع سطحه وداخله الفريدين اللذين سمحا بوجود الحياة والمياه السائلة. إنها جزء من قصتنا كبشر لأن أصولنا تعود جميعها إلى كيفية تشكل الأرض وكيف تطورت”.

الدراسة التي نشرت في مجلة طبيعة، تركز على مجموعة من الصخور التي تم جمعها من قاع البحر والتي تمتلك خصائص جيوكيميائية غير عادية. على وجه التحديد، تظهر الصخور أدلة على ذوبانها بدرجة شديدة مع مستويات منخفضة للغاية من الأكسدة؛ الأكسدة هي عندما ذرة أو يفقد الجزيء إلكترونًا واحدًا أو أكثر في تفاعل كيميائي. وبمساعدة التحليلات والنمذجة الإضافية، استخدم الباحثون الخصائص الفريدة لهذه الصخور لإظهار أنها تعود على الأرجح إلى ما لا يقل عن 2.5 مليار سنة خلال العصر الأركي. وعلاوة على ذلك، تظهر النتائج أن غلاف الأرض احتفظ بشكل عام بحالة أكسدة مستقرة منذ تشكل هذه الصخور، على النقيض مما افترضه علماء الجيولوجيا الآخرون سابقًا.

صخرة قديمة تم استخراجها من قاع البحر وقام فريق البحث بدراستها. حقوق الصورة: توم كلايندينست

“قال كوتريل: “الصخور القديمة التي درسناها أقل أكسدة بمقدار 10000 مرة من صخور الوشاح الحديثة النموذجية، ونحن نقدم أدلة على أن هذا يرجع إلى ذوبانها في أعماق الأرض أثناء العصر الأركي، عندما كان الوشاح أكثر سخونة مما هو عليه اليوم”. “حاول باحثون آخرون تفسير مستويات الأكسدة الأعلى التي شوهدت في الصخور من الوشاح اليوم من خلال اقتراح حدوث حدث أكسدة أو تغيير بين العصر الأركي واليوم. تشير أدلتنا إلى أن الاختلاف في مستويات الأكسدة يمكن تفسيره ببساطة بحقيقة أن وشاح الأرض قد برد على مدى مليارات السنين ولم يعد ساخنًا بدرجة كافية لإنتاج صخور بمستويات أكسدة منخفضة كهذه”.

الأدلة الجيولوجية ومنهجية الدراسة

بدأ فريق البحث -بما في ذلك مؤلفة الدراسة الرئيسية سوزان بيرنر التي أكملت زمالة ما قبل الدكتوراه في المتحف الوطني للتاريخ الطبيعي وهي الآن أستاذة مساعدة في كلية بيريا في كنتاكي- تحقيقاتهم لفهم العلاقة بين الوشاح الصلب للأرض والصخور البركانية الحديثة في قاع البحر. بدأ الباحثون بدراسة مجموعة من الصخور التي تم استخراجها من قاع البحر عند سلسلتين محيطيتين حيث تتباعد الصفائح التكتونية ويتحرك الوشاح إلى السطح وينتج قشرة جديدة.

إن المكانين اللذين جُمعت منهما الصخور المدروسة، سلسلة جبال جاكيل بالقرب من القطب الشمالي وسلسلة جبال جنوب غرب الهند بين أفريقيا والقارة القطبية الجنوبية، هما من أبطأ حدود الصفائح التكتونية انتشارًا في العالم. إن الوتيرة البطيئة للانتشار عند هذه التلال المحيطية تعني أنها هادئة نسبيًا، من الناحية البركانية، مقارنة بالتلال الأسرع انتشارًا والتي تتخللها البراكين مثل سلسلة جبال شرق المحيط الهادئ. وهذا يعني أن الصخور التي جُمعت من هذه التلال البطيئة الانتشار من المرجح أن تكون عينات من الوشاح نفسه.

مؤخرة سفينة الأبحاث R/V Knorr أثناء وجودها في البحر عام 2004. يحمل الهيكل على شكل حرف A الدلو المعدني العملاق والسلسلة الذي يتم إنزاله إلى عمق يزيد عن 10000 قدم تحت سطح المحيط وسحبه على طول قاع البحر لجمع العينات الجيولوجية. حقوق النشر: Emily Van Ark

وعندما قام الفريق بتحليل صخور الوشاح التي جمعوها من هذين التلالين، اكتشفوا أنها تشترك في خصائص كيميائية غريبة. فأولاً، كانت الصخور قد ذابت بدرجة أكبر كثيراً مما هو معتاد في صخور الوشاح الأرضي اليوم. وثانياً، كانت الصخور أقل أكسدة كثيراً من معظم العينات الأخرى من صخور الوشاح الأرضي.

وللوصول إلى هذه الدرجة العالية من الذوبان، استنتج الباحثون أن الصخور لابد وأن تكون قد ذابت عميقاً في الأرض عند درجات حرارة عالية جداً. والفترة الوحيدة من التاريخ الجيولوجي للأرض التي عُرف أنها تضمنت مثل هذه درجات الحرارة المرتفعة كانت بين 2.5 و4 مليارات سنة مضت خلال الدهر الأركي. وبالتالي، استنتج الباحثون أن صخور الوشاح هذه ربما ذابت خلال الدهر الأركي، عندما كانت درجة حرارة باطن الكوكب تتراوح بين 360 و540 درجة. فهرنهايت (200-300 درجة درجة مئوية) أكثر حرارة مما هو عليه اليوم.

إن كونها شديدة الذوبان من شأنه أن يحمي هذه الصخور من المزيد من الذوبان الذي قد يغير توقيعها الكيميائي، مما يسمح لها بالتداول في وشاح الأرض لمليارات السنين دون تغيير كيميائها بشكل كبير.

وقال كوتريل “إن هذه الحقيقة وحدها لا تثبت أي شيء، ولكنها تفتح الباب أمام احتمال أن تكون هذه العينات بمثابة كبسولات زمنية جيولوجية حقيقية تعود إلى العصر الأركي”.

التفسير العلمي والرؤى

ولاستكشاف السيناريوهات الجيوكيميائية التي قد تفسر مستويات الأكسدة المنخفضة للصخور التي تم جمعها في جاكيل ريدج وجنوب غرب إنديان ريدج، طبق الفريق نماذج متعددة على قياساتهم. وكشفت النماذج أن مستويات الأكسدة المنخفضة التي قاموا بقياسها في عيناتهم ربما كانت ناجمة عن ذوبان في ظل ظروف شديدة الحرارة في أعماق الأرض.

وقد دعم كلا الخطين من الأدلة التفسير القائل بأن الخصائص غير النمطية للصخور تمثل توقيعًا كيميائيًا ناتجًا عن ذوبانها في أعماق الأرض أثناء العصر الأركي، عندما كان الوشاح قادرًا على إنتاج درجات حرارة عالية للغاية.

في السابق، فسر بعض الجيولوجيين صخور الوشاح ذات مستويات الأكسدة المنخفضة على أنها دليل على أن وشاح الأرض الأركي كان أقل أكسدة وأنه من خلال بعض الآليات أصبح أكثر أكسدة بمرور الوقت. تتضمن آليات الأكسدة المقترحة زيادة تدريجية في مستويات الأكسدة بسبب فقدان الغازات في الفضاء، وإعادة تدوير قاع البحر القديم عن طريق الاندساس، والمشاركة المستمرة لنواة الأرض في كيمياء الوشاح. ولكن حتى الآن، لم يتفق أنصار هذا الرأي على أي تفسير واحد.

وبدلاً من ذلك، تدعم النتائج الجديدة الرأي القائل بأن مستوى أكسدة وشاح الأرض كان ثابتًا إلى حد كبير لمليارات السنين، وأن الأكسدة المنخفضة التي شوهدت في بعض عينات الوشاح نشأت في ظل ظروف جيولوجية لم تعد الأرض قادرة على إنتاجها لأن وشاحها برد منذ ذلك الحين. لذا، بدلاً من بعض الآليات التي تجعل وشاح الأرض أكثر تتأكسد على مدى مليارات السنين، وتزعم الدراسة الجديدة أن درجات الحرارة المرتفعة في العصر الأركي جعلت أجزاء من الوشاح أقل ولأن غلاف الأرض قد برد منذ العصر الأركي، فإنه لم يعد قادراً على إنتاج صخور ذات مستويات أكسدة منخفضة للغاية. ويقول كوتريل إن عملية تبريد غلاف الأرض توفر تفسيراً أبسط كثيراً: فالأرض ببساطة لم تعد تصنع الصخور كما كانت تفعل في الماضي.

تسعى كوتريل وزملاؤها الآن إلى فهم أفضل للعمليات الجيوكيميائية التي شكلت صخور الوشاح الأركي من سلسلة جاكيل وسلسلة جنوب غرب الهند من خلال محاكاة الضغوط ودرجات الحرارة المرتفعة للغاية الموجودة في الأركي في المختبر.

مرجع: “ذوبان عميق وساخن وقديم تم تسجيله بواسطة انخفاض شديد في معدل الأكسجين في البريدوتيت” بقلم سوزان ك. بيرنر وإليزابيث كوتريل وفريد ​​أ. ديفيس وجيسيكا م. وارن، 24 يوليو 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07603-ث

بالإضافة إلى بيرنر وكوتريل، شارك في تأليف الدراسة فريد ديفيس من جامعة مينيسوتا دولوث وجيسيكا وارن من جامعة ديلاوير.

تم دعم البحث من قبل مؤسسة سميثسونيان والمؤسسة الوطنية للعلوم.