È risaputo che la vita sulla Terra e la geologia del pianeta sono intrecciate, ma un nuovo studio fornisce nuove prove di quanto sia profonda, letteralmente, quella connessione. I geoscienziati del Caltech e dell'UC Berkeley hanno identificato una firma chimica nelle rocce ignee che registra l'inizio dell'ossigenazione degli oceani profondi della Terra, un segnale che è riuscito a sopravvivere alla fornace del mantello. Questa ossigenazione è di grande interesse, come ha inaugurato l'era moderna di alti livelli di ossigeno atmosferico e oceanico, e si crede abbia permesso la diversificazione della vita in mare.

Le loro scoperte, che sono stati pubblicati in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze l'11 aprile supportano una teoria leader sulla geochimica dei magmi ad arco insulare e offrono un raro esempio di processi biologici sulla superficie del pianeta che interessano la Terra interna.

Gli archi insulari si formano quando una placca tettonica oceanica scivola sotto un'altra in un processo chiamato subduzione. La placca subduttiva discende e rilascia fluidi ricchi di acqua nel mantello sovrastante, facendolo sciogliere e produrre magmi che alla fine salgono sulla superficie della terra. Questo processo costruisce vulcani ad arco insulare come quelli che si trovano oggi nelle isole giapponesi e altrove nell'Anello di Fuoco del Pacifico. Infine, attraverso la tettonica a placche, archi insulari si scontrano con e sono incorporati nei continenti, preservandoli nel record di roccia nel tempo geologico.

Il magmatico più abbondante, o igneo, le rocce sono basalti, rocce di colore scuro ea grana fine che si trovano comunemente nelle colate laviche. La maggior parte dei basalti sulla terra oggi non si forma sugli archi insulari, ma piuttosto sulle dorsali oceaniche in profondità sott'acqua. Una ben nota differenza tra i due è che i basalti dell'arco insulare sono più ossidati di quelli che si trovano sulle dorsali oceaniche.

Un'ipotesi principale ma dibattuta per questa differenza è che la crosta oceanica viene ossidata dall'ossigeno e dal solfato nell'oceano profondo prima di essere subdotta nel mantello, fornire materiale ossidato alla sorgente del mantello degli archi insulari al di sopra della zona di subduzione.

Ma non si pensa che la Terra abbia sempre avuto un'atmosfera ossigenata e un oceano profondo. Piuttosto, gli scienziati credono, l'emergere dell'ossigeno, e con esso la capacità del pianeta di sostenere la vita aerobica, avvenne in due fasi. Il primo evento, avvenuta tra circa 2,3 e 2,4 miliardi di anni fa, ha portato a un valore superiore a 100, aumento di 000 volte dell'O2 atmosferico nell'atmosfera, a circa l'1 per cento dei livelli moderni.

Sebbene fosse drammaticamente più alto di quanto non fosse stato in precedenza, la concentrazione atmosferica di O2 in quel momento era ancora troppo bassa per ossigenare l'oceano profondo, che si pensa sia rimasto anossico fino a circa 400-800 milioni di anni fa. In quel periodo, si pensa che le concentrazioni atmosferiche di O2 siano aumentate dal 10 al 50 percento dei livelli moderni. È stato proposto che quel secondo salto abbia permesso all'ossigeno di circolare nelle profondità dell'oceano.

"Se il motivo per cui i moderni archi insulari sono abbastanza ossidati è dovuto alla presenza di ossigeno e solfato disciolti nelle profondità dell'oceano, quindi imposta un'interessante previsione potenziale, " dice Daniel Stolper (Ph.D. Caltech '14), uno degli autori del documento e un assistente professore di Earth and Planetary Science presso l'UC Berkeley. "Sappiamo approssimativamente quando gli oceani profondi si sono ossigenati e quindi, se questa idea è giusta, si potrebbe vedere un cambiamento nel modo in cui le rocce dell'arco antico dell'isola erano ossidate prima rispetto a dopo questa ossigenazione".

Per cercare il segnale di questo evento di ossigenazione nelle rocce ignee ad arco insulare, Stolper ha collaborato con l'assistente professore di geologia del Caltech Claire Bucholz, che studia le rocce magmatiche ad arco antico e moderno. Stolper e Bucholz hanno esaminato le registrazioni pubblicate di antichi archi insulari e compilato misurazioni geochimiche che hanno rivelato lo stato di ossidazione delle rocce ad arco eruttate da decine di milioni a miliardi di anni fa. La loro idea era semplice:se il materiale ossidato dalla superficie viene subdotto e ossida le regioni del mantello che originano le rocce dell'arco insulare, quindi le antiche rocce ad arco insulare dovrebbero essere meno ossidate (e quindi più "ridotte") rispetto alle loro controparti moderne.

"Non è più così comune, ma gli scienziati erano soliti quantificare di routine lo stato di ossidazione del ferro nei loro campioni di roccia, " Dice Bucholz. "Quindi c'era una grande quantità di dati che aspettavano solo di essere riesaminati".

La loro analisi ha rivelato una firma distinta:un aumento rilevabile del ferro ossidato nei campioni di roccia sfusa tra 800 e 400 milioni di anni fa, lo stesso intervallo di tempo in cui studi indipendenti hanno proposto l'ossigenazione dell'oceano profondo. Per essere esauriente, i ricercatori hanno anche esplorato altre possibili spiegazioni per il segnale. Per esempio, si presume comunemente che lo stato di ossidazione del ferro nelle rocce sfuse possa essere compromesso da processi metamorfici - il riscaldamento e la compattazione delle rocce - o da processi che le alterano in prossimità della superficie terrestre. Bucholz e Stolper hanno costruito una serie di test per determinare se tali processi avessero influenzato il record. Quasi certamente si è verificata qualche alterazione, Bucholz dice, ma i cambiamenti sono coerenti ovunque siano stati prelevati i campioni. "La quantità di ferro ossidato nei campioni potrebbe essere stata spostata dopo il raffreddamento e la solidificazione, ma sembra essere stato spostato in modo simile su tutti i campioni, " lei dice.

Stolper e Bucholz hanno inoltre compilato un altro proxy anch'esso pensato per riflettere lo stato di ossidazione della fonte del mantello di magma ad arco. rassicurante, questo record indipendente ha prodotto risultati simili al record dello stato di ossidazione del ferro. Basato su questo, i ricercatori propongono che l'ossigenazione dell'oceano profondo abbia avuto un impatto non solo sulla superficie terrestre e sugli oceani, ma abbia anche cambiato la geochimica di una grande classe di rocce ignee.

Questo lavoro integra la precedente ricerca di Bucholz che esamina i cambiamenti nelle firme di ossidazione dei minerali nelle rocce ignee associate al primo evento di ossigenazione 2,3 miliardi di anni fa. Ha raccolto di tipo sedimentario, o tipo S, graniti, che si formano durante la sepoltura e il riscaldamento dei sedimenti durante la collisione di due masse continentali, ad esempio, nell'Himalaya, dove il subcontinente indiano si scontra con l'Asia.

"I graniti rappresentano sedimenti fusi che si sono depositati sulla superficie della Terra. Volevo testare l'idea che i sedimenti potessero ancora registrare il primo aumento di ossigeno sulla Terra, nonostante sia stato riscaldato e fuso per creare granito, "dice. "E in effetti, lo fa."

Entrambi gli studi parlano della forte connessione tra la geologia della Terra e la vita che fiorisce su di essa, lei dice. "L'evoluzione del pianeta e della vita su di esso sono intrecciate. Non possiamo capire l'una senza capire l'altra, "dice Bucholz.

Il PNAS lo studio è intitolato "L'aumento dal neoproterozoico al primo fanerozoico nello stato redox dell'arco insulare dovuto all'ossigenazione dell'oceano profondo e all'aumento dei livelli di solfato marino".