اکسیژن زمین از کجا آمده است؟ دانشمندان پاسخ می‌دهند

مطالعه اخیر دانشمندان نشان می‌دهد که منشا پیدایش اکسیژن زمین، از یک منبع پیش‌بینی نشده و غیرمنتظره تکتونیکی عمیق به‌وجود آمده است.

عنصر حیات‌بخش اکسیژن موجود در زمین که آن‌را به سیاره‌ای قابل سکونت تبدیل کرده، 21 درصد از جو سیاره ما را تشکیل می‌دهد. با این حال، در گذشته دور و در دوران نخست‌زیستی که 2.5 تا 2.8 میلیارد سال پیش به‌وقوع پیوسته بوده، زمین تقریبا خالی از اکسیژن بود. بنابراین این سوال مطرح می‌شود که اکسیژن زمین از کجا آمده است؟

زمین در عصر آرکئن

عصر آرکئن (نخست‌زیستی)، یک‌سوم تاریخ زمین از 2.5 میلیارد تا 4 میلیارد سال پیش را به‌خود اختصاص می‌دهد. در آن دوران، زمین بیگانه یک دنیای غوطه‌ور در آب بود و عمدتا از اقیانوس‌های سبز، در میان انبوهی از مه متان تشکیل شده بود و کاملا فاقد حیات چندسلولی بود. یکی دیگر از جنبه‌های بیگانه سیاره ما در آن زمان، ماهیت فعالیت‌های تکتونیکی آن بود.

در دوران مدرن زمین، فعالیت تکتوتیکی غالب، به‌عنوان «تکتونیک صفحه‌ای» شناخته می‌شود، جایی‌که پوسته اقیانوسی که بیرونی‌ترین لایه زمین است، به زیر گوشته زمین (ناحیه بین پوسته و هسته) در نقاط تلاقی که ‌به «مناطق فرورانش» معروف است، فرو می‌رود.

با این حال، بحث‌های متعددی در مورد اینکه آیا فعالیت‌های تکتونیکی امروزی در عصر آرکئن نیز عملکرد مشابهی دارند یا خیر، شکل گرفته است. یکی از ویژگی‌های نواحی فرورانش مدرن، ارتباط آنها با ماگماهای اکسید شده است. این ماگماها زمانی تشکیل می‌شوند که رسوبات اکسید شده و آب‌های اعماق سرد و متراکم نزدیک به کف اقیانوس، به گوشته زمین نفود می‌کنند. این فرآیند منجر به تولید ماگما با درصد بالایی از اکسیژن و آب می‌شود.

هدف از این تحقیق، راستی‌آزمایی این فرضیه است که آیا فقدان مواد اکسید شده و رسوبات در آب‌های کف اقیانوس‌ها طی دوران آرکئن می‌تواند از تشکیل ماگماهای اکسید شده جلوگیری کرده باشد یا خیر؟ شناسایی این ماگماها در سنگ‌های ماگمایی دوران نخست‌زیستی می‌تواند شواهدی را مبنی بر فرورانش و تکتونیک صفحه‌ای در 2.7 میلیارد سال پیش ارائه دهد.

آزمایش تعیین منشا اکسیژن زمین

دانشمندان نمونه‌هایی از سنگ‌های گرانیتوئیدی را با قدمت 2750 تا 2670 میلیون سال از سراسر شهر‌های Abitibi-Wawa در استان Superior کانادا جمع‌آوری کردند. این منطقه بزرگ‌ترین قاره آرکئن را در خود جای داده که امتداد آن از وینیپگ در مانیتوبا، تا شرق کبک به بیش از 2000 کیلومتر می‌رسد.

دانشمندان از طریق این تحقیق توانستند سطح اکسیداسیون ماگماهای تولید شده در دوران نخست‌زیستی را بررسی کنند. اندازه‌گیری حالت اکسیداسیون این سنگ‌های ماگمایی که از طریق سرد شدن و تبلور ماگما یا گدازه ایجاد شده‌اند، در نوع خود چالش‌برانگیز است. رویدادهای پس از تبلور شامل تغییر شکل، دفن شدن یا گرم شدن در مقاطع بعدی ممکن است باعث ایجاد تغییراتی در سنگ‌ها شده باشند.

بنابراین، محققان تصمیم گرفتند آپاتیت معدنی موجود در بلورهای زیرکن این سنگ‌ها را مورد بررسی قرار دهند. کریستال‌های زیرکن می‌توانند در برابر دما و فشار شدید رویدادهای پس از تبلور مقاومت کنند. آن‌ها حاوی سرنخ‌هایی در مورد محیطی که در آن شکل گرفته‌اند، هستند و می‌توان سن دقیق سنگ‌ها را نیز برآورد کرد.

بلورهای آپاتیت کوچک، کم‌تر از 30 میکرون عرض دارند و ابعادی برابر با یک سلول پوست انسان دارند که در بلورهای زیرکن به‌دام می‌افتند. آنها حاوی گوگرد هستند و با اندازه‌گیری میزان گوگرد موجود در آپاتیت، می‌توان تعیین کرد که آیا آپاتیت از طریق ماگماهای اکسید شده رشد کرده است یا خیر.

در آزمایشگاه ملی آرگون واقع در ایالت ایلینوی آمریکا، فوگاسیته اکسیژن یک آرکئن بکر که اساسا مقدار اکسیژن آزاد موجود در آن‌را نشان می‌دهد، با استفاده از یک تکنیک تخصصی به‌نام «طیف‌سنجی ساختار لبه نزدیک به اشعه ایکس» در سنکروترون منبع فوتون پیشرفته، با موفقیت اندازه‌گیری شد.

تشکیل اکسیژن زمین از آب؟

یافته‌ها هم‌چنین نشان می‌دهند که میزان گوگرد موجود در ماگما، که در ابتدا حدود صفر بوده، طی حدود 2705 میلیون سال به 2000 قسمت در میلیون افزایش یافته که حاکی از غنی شدن بیش‌تر ماگماها از گوگرد است.

علاوه بر این، فراوانی +S6 در آپاتیت که یک نوع یون گوگرد است، نشان می‌دهد که گوگرد از یک منبع اکسید شده است که با داده‌های کریستال‌های زیرکن میزبان مطابقت دارد. این یافته‌ها هم‌چنین حاکی از آن هستند که ماگماهای اکسید شده در دوران نئوآرکئن، طی 2.7 میلیارد سال پیش شکل گرفته‌اند.

داده‌ها نشان می‌دهند که عدم وجود اکسیژن محلول در ذخایر اقیانوس طی دوران آرکئن، از تشکیل ماگماهای غنی از گوگرد و اکسید شده در مناطق فرورانش جلوگیری نمی‌کند. در حقیقت اکسیژن موجود در این ماگماها باید از منبع دیگری آمده باشند و در نهایت با فوران‌های آتشفشانی در جو، آزاد شده‌اند.

هم‌چنین شکل‌گیری این ماگماهای اکسی شده با رویدادهای عمده کانی‌سازی طلا در استان Superior کانادا و Yilgarn Craton واقع در استرالیای غربی در ارتباط است که نشان‌دهنده رابطه میان این منابع غنی از اکسیژن و تشکیل ذخایر سنگ معدنی در سطح جهانی است.

پیامدهای این ماگماهای اکسید شده فراتر از درک ژئودینامیک اولیه زمین است. پیش از این، بعید به‌نظر می‌رسید که ماگماهای آرکئن، در حالی‌که آب اقیانوس و سنگ‌ها یا رسوبات کف اقیانوس وجود نداشتند، بتوانند اکسید شوند.

علی‌رغم اینکه مکانیزم دقیق آن مشخص نیست، پیدایش این ماگماها نشان می‌دهند که فرآیند فرورانش، یعنی جایی‌که آب اقیانوس از صدها کیلومتر به درون سیاره ما کشیده می‌شوند، باعث آزادسازی اکسیژن می‌شود. سپس این فرآیند گوشه پوشاننده را اکسید می‌کند.

هم‌چنین طبق این مطالعات، فرورانش آرکئن می‌تواند یک عامل حیاتی و پیش‌بینی نشده در اکسیژن‌‌رسانی زمین تلقی شوند. آثار اولیه اکسیژن و هم‌چنین رویداد بزرگ اکسیداسیون که نشان‌دهنده افزایش سطح اکسیژن اتمسفر به میزان 2.32 تا 2.45 درصد بوده، در 2.7 میلیارد سال پیش اتفاق افتاده است.

تا جایی که می‌دانیم، زمین تنها مکان موجود در منظومه شمسی گذشته یا حال محسوب می‌شود که در آن فعالیت‌های تکتونیکی و فرورانش فعال در جریان هستند. این مطالعه هم‌چنین می‌تواند کمبود اکسیژن و امکان حیات در دیگر سیاره‌های سنگی را نیز در آینده روشن کند.