Studie legt nahe, dass antike Mikroorganismen zur Entstehung massiver Vulkanereignisse beitrugen – ScienceDaily


Visuell auffällige Schichten aus gebranntem Orange, Gelb, Silber, Braun und Blauschwarz sind charakteristisch für gebänderte Eisenformationen, Sedimentgesteine, die laut einer neuen Studie der Rice University möglicherweise einige der größten Vulkanausbrüche in der Erdgeschichte ausgelöst haben.

Das Gestein enthält Eisenoxide, die vor langer Zeit auf den Meeresgrund gesunken sind und dichte Schichten gebildet haben, die sich schließlich in Stein verwandelt haben. Die Studie wurde diese Woche veröffentlicht in Naturgeowissenschaften legt nahe, dass die eisenreichen Schichten uralte Veränderungen an der Erdoberfläche – wie die Entstehung von photosynthetischem Leben – mit planetaren Prozessen wie Vulkanismus und Plattentektonik in Verbindung bringen könnten.

Zusätzlich zur Verknüpfung planetarer Prozesse, die allgemein als unzusammenhängend galten, könnte die Studie das Verständnis der Wissenschaftler über die Frühgeschichte der Erde neu definieren und Einblicke in Prozesse liefern, die bewohnbare Exoplaneten weit entfernt von unserem Sonnensystem hervorbringen könnten.

„Diese Gesteine ​​erzählen – im wahrsten Sinne des Wortes – die Geschichte einer sich verändernden Planetenumgebung“, sagte Duncan Keller, der Hauptautor der Studie und Postdoktorand am Rice Department of Earth, Environmental and Planetary Sciences. „Sie verkörpern eine Veränderung in der Atmosphären- und Ozeanchemie.“

Gebänderte Eisenformationen sind chemische Sedimente, die direkt aus altem Meerwasser ausgefällt werden, das reich an gelöstem Eisen ist. Es wird angenommen, dass Stoffwechselvorgänge von Mikroorganismen, einschließlich der Photosynthese, die Ausfällung der Mineralien erleichtert haben, die sich im Laufe der Zeit zusammen mit Hornstein (mikrokristallines Siliziumdioxid) Schicht für Schicht bildeten. Die größten Vorkommen entstanden als Sauerstoff, der sich vor etwa 2,5 Milliarden Jahren in der Erdatmosphäre ansammelte.

„Diese Gesteine ​​entstanden in den alten Ozeanen, und wir wissen, dass diese Ozeane später durch plattentektonische Prozesse seitlich verschlossen wurden“, erklärte Keller.

Obwohl der Mantel fest ist, fließt er wie eine Flüssigkeit in etwa der Geschwindigkeit, mit der Fingernägel wachsen. Tektonische Platten – kontinentgroße Abschnitte der Kruste und des obersten Mantels – sind ständig in Bewegung, hauptsächlich aufgrund thermischer Konvektionsströme im Mantel. Die tektonischen Prozesse der Erde steuern die Lebenszyklen der Ozeane.

„Genau wie der Pazifische Ozean heute geschlossen wird – er subduziert unter Japan und unter Südamerika – wurden alte Ozeanbecken tektonisch zerstört“, sagte er. „Diese Gesteine ​​mussten entweder auf Kontinente geschoben und konserviert werden – und wir sehen einige konserviert, daher kommen die, die wir heute betrachten – oder in den Mantel versenkt.“

Aufgrund ihres hohen Eisengehalts sind gebänderte Eisenformationen dichter als der Erdmantel, weshalb sich Keller fragte, ob subduzierte Teile der Formationen ganz nach unten sanken und sich in der untersten Region des Erdmantels nahe der Oberseite des Erdkerns niederließen. Dort hätten sie unter enormer Temperatur und hohem Druck tiefgreifende Veränderungen erfahren, da ihre Mineralien unterschiedliche Strukturen annahmen.

„Es gibt einige sehr interessante Arbeiten zu den Eigenschaften von Eisenoxiden unter diesen Bedingungen“, sagte Keller. „Sie können eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit erreichen. Einige von ihnen übertragen Wärme genauso leicht wie Metalle. Daher ist es möglich, dass sich diese Gesteine, sobald sie im unteren Erdmantel angekommen sind, in extrem leitfähige Klumpen wie heiße Platten verwandeln.“

Keller und seine Mitarbeiter gehen davon aus, dass Regionen, die mit subduzierten Eisenformationen angereichert sind, die Bildung von Mantelplumes unterstützen könnten, d. „Seismologische Daten zeigen uns unter Hawaii einen heißen Kanal aus aufsteigendem Erdmantel“, sagte Keller. „Stellen Sie sich eine heiße Stelle auf Ihrem Herdbrenner vor. Wenn das Wasser in Ihrem Topf kocht, sehen Sie in diesem Bereich mehr Blasen über einer aufsteigenden Wassersäule. Mantelwolken sind eine Art riesige Version davon.“

„Wir haben uns das Ablagerungsalter von gebänderten Eisenformationen und das Alter großer basaltischer Eruptionsereignisse, die als große magmatische Provinzen bezeichnet werden, angesehen und festgestellt, dass es einen Zusammenhang gibt“, sagte Keller. „Vielen der magmatischen Ereignisse – die so massiv waren, dass die 10 oder 15 größten ausgereicht haben könnten, um den gesamten Planeten wieder zum Vorschein zu bringen – gingen in Abständen von etwa 241 Millionen Jahren, plus oder minus 15 Millionen, bandförmige Eisenablagerungen voraus. Es besteht ein starker Zusammenhang mit einem Mechanismus, der Sinn ergibt.“

Die Studie zeigte, dass es eine plausible Zeitspanne gab, in der gebänderte Eisenformationen zunächst tief in den unteren Erdmantel gezogen wurden und dann den Wärmefluss beeinflussten, um eine Wolke in Richtung der Erdoberfläche zu treiben, die Tausende von Kilometern darüber liegt.

Bei seinem Versuch, die Reise der gebänderten Eisenformationen zu verfolgen, überschritt Keller disziplinäre Grenzen und stieß auf unerwartete Erkenntnisse.

„Wenn das, was in den frühen Ozeanen passiert, nachdem Mikroorganismen die Oberflächenumgebung chemisch verändert haben, letztendlich 250 Millionen Jahre später irgendwo anders auf der Erde einen enormen Lavaausfluss hervorruft, bedeutet das, dass diese Prozesse miteinander verbunden sind und miteinander ‚sprechen‘“, sagte Keller. „Es bedeutet auch, dass verwandte Prozesse möglicherweise Längenskalen haben, die weitaus größer sind als erwartet. Um dies ableiten zu können, mussten wir auf Daten aus vielen verschiedenen Bereichen wie Mineralogie, Geochemie, Geophysik und Sedimentologie zurückgreifen.“

Keller hofft, dass die Studie weitere Forschungen anregen wird. „Ich hoffe, dass dies die Menschen in den verschiedenen Bereichen, die es berührt, motiviert“, sagte er. „Ich denke, es wäre wirklich cool, wenn die Menschen dadurch auf neue Weise miteinander darüber sprechen würden, wie verschiedene Teile des Erdsystems miteinander verbunden sind.“

Keller ist Teil des CLEVER Planets: Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets-Programms, einer interdisziplinären, multiinstitutionellen Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Rajdeep Dasgupta, Rices W. Maurice Ewing-Professor für Erdsystemwissenschaften am Department of Earth, Umwelt- und Planetenwissenschaften.

„Dies ist eine äußerst interdisziplinäre Zusammenarbeit, die untersucht, wie sich flüchtige Elemente, die für die Biologie wichtig sind – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel – auf Planeten verhalten, wie Planeten diese Elemente erwerben und welche Rolle sie möglicherweise dabei spielen.“ Planeten bewohnbar machen“, sagte Keller.

„Wir verwenden die Erde als bestes Beispiel, das wir haben, aber wir versuchen herauszufinden, was die Anwesenheit oder Abwesenheit eines oder einiger dieser Elemente für Planeten im Allgemeinen bedeuten könnte“, fügte er hinzu.

Cin-Ty Lee, Rices Harry-Carothers-Wiess-Professorin für Geologie, Erd-, Umwelt- und Planetenwissenschaften, und Dasgupta sind Co-Autoren der Studie. Weitere Co-Autoren sind Santiago Tassara, Assistenzprofessor an der Bernardo O’Higgins-Universität in Chile, und Leslie Robbins, Assistenzprofessor an der University of Regina in Kanada, die beide Postdoktoranden an der Yale University und Yale-Professor für Erde und Erde waren Planetary Sciences Jay Ague, Kellers Doktorvater.

Die NASA (80NSSC18K0828) und der Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (RGPIN-2021-02523) unterstützten die Forschung.

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