Het is algemeen bekend dat het leven op aarde en de geologie van de planeet met elkaar verweven zijn, maar een nieuwe studie levert nieuw bewijs voor hoe diep - letterlijk - die verbinding gaat. Geowetenschappers van Caltech en UC Berkeley hebben een chemische signatuur geïdentificeerd in stollingsgesteenten die het begin van oxygenatie van de diepe oceanen van de aarde registreren - een signaal dat erin slaagde de oven van de mantel te overleven. Deze oxygenatie is van groot belang, omdat het het moderne tijdperk van hoge atmosferische en oceanische zuurstofniveaus inluidde, en wordt verondersteld de diversificatie van het leven in de zee te hebben toegestaan.

Hun bevindingen, die zijn gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Science op 11 april ondersteunen een toonaangevende theorie over de geochemie van eilandboogmagma's en bieden een zeldzaam voorbeeld van biologische processen op het oppervlak van de planeet die de binnenaarde beïnvloeden.

Eilandbogen worden gevormd wanneer een oceanische tektonische plaat onder een andere schuift in een proces dat subductie wordt genoemd. De subductieplaat daalt en laat waterrijke vloeistoffen vrij in de bovenliggende mantel, waardoor het smelt en magma's produceren die uiteindelijk naar het aardoppervlak opstijgen. Dit proces bouwt eilandboogvulkanen zoals die tegenwoordig worden gevonden op de Japanse eilanden en elders in de Pacifische Ring van Vuur. Eventueel, door platentektoniek, eilandbogen botsen met en worden opgenomen in continenten, het bewaren van hen in het rotsverslag over geologische tijd.

De meest voorkomende magmatische, of stollings, rotsen zijn basalt - donkergekleurde en fijnkorrelige rotsen die vaak worden aangetroffen in lavastromen. De meeste basaltsoorten op aarde worden tegenwoordig niet gevormd bij eilandbogen, maar eerder op mid-oceanische ruggen diep onder water. Een bekend verschil tussen de twee is dat basalt van de eilandboog meer geoxideerd is dan die op de mid-oceanische ruggen.

Een leidende maar bediscussieerde hypothese voor dit verschil is dat oceanische korst wordt geoxideerd door zuurstof en sulfaat in de diepe oceaan voordat het in de mantel wordt ondergedompeld, het leveren van geoxideerd materiaal aan de mantelbron van eilandbogen boven de subductiezone.

Maar er wordt niet gedacht dat de aarde altijd een zuurstofrijke atmosfeer en diepe oceaan heeft gehad. Liever, wetenschappers geloven, de opkomst van zuurstof - en daarmee het vermogen van de planeet om aëroob leven in stand te houden - vond plaats in twee stappen. Het eerste evenement, die tussen ongeveer 2,3 en 2,4 miljard jaar geleden plaatsvond, resulteerde in meer dan 100, 000-voudige toename van atmosferische O2 in de atmosfeer, tot ongeveer 1 procent van het moderne niveau.

Hoewel het aanzienlijk hoger was dan voorheen, de atmosferische O2-concentratie was op dat moment nog te laag om de diepe oceaan van zuurstof te voorzien, waarvan wordt gedacht dat het anoxisch is gebleven tot ongeveer 400 tot 800 miljoen jaar geleden. Rond die tijd, Aangenomen wordt dat de atmosferische O2-concentraties zijn gestegen tot 10 tot 50 procent van de moderne niveaus. Die tweede sprong is voorgesteld om zuurstof in de diepe oceaan te laten circuleren.

"Als de reden waarom moderne eilandbogen redelijk geoxideerd zijn, te wijten is aan de aanwezigheid van opgeloste zuurstof en sulfaat in de diepe oceaan, dan stelt het een interessante potentiële voorspelling op, " zegt Daniel Stolper (Caltech Ph.D. '14), een van de auteurs van het artikel en een assistent-professor Earth and Planetary Science aan UC Berkeley. "We weten ongeveer wanneer de diepe oceanen zuurstofrijk werden en dus, als dit idee klopt, je zou een verandering kunnen zien in hoe geoxideerde oude eilandbooggesteenten vóór versus na deze oxygenatie waren."

Om te zoeken naar het signaal van deze zuurstofvoorziening in stollingsgesteenten op eilanden, Stolper werkte samen met Caltech-assistent-professor geologie Claire Bucholz, die moderne en oude boogmagmatische rotsen bestudeert. Stolper en Bucholz doorzochten gepubliceerde gegevens over oude eilandbogen en verzamelden geochemische metingen die de oxidatietoestand van booggesteenten aan het licht brachten die tientallen miljoenen tot miljarden jaren geleden uitbarsten. Hun idee was simpel:als geoxideerd materiaal van het oppervlak wordt gesubduceerd en de mantelgebieden oxideert die eilandbooggesteenten veroorzaken, dan zouden oude eilandboogrotsen minder geoxideerd (en dus meer "gereduceerd") moeten zijn dan hun moderne tegenhangers.

"Het is niet meer zo gewoon, maar wetenschappers kwantificeerden routinematig de oxidatietoestand van ijzer in hun gesteentemonsters, "zegt Bucholz. "Dus er lag een schat aan gegevens te wachten om opnieuw te worden onderzocht."

Hun analyse onthulde een duidelijke signatuur:een detecteerbare toename van geoxideerd ijzer in bulkgesteentemonsters tussen 800 en 400 miljoen jaar geleden, hetzelfde tijdsinterval dat onafhankelijke studies de oxygenatie van de diepe oceaan voorstelden, vond plaats. Om grondig te zijn, de onderzoekers onderzochten ook andere mogelijke verklaringen voor het signaal. Bijvoorbeeld, algemeen wordt aangenomen dat de oxidatietoestand van ijzer in bulkgesteenten kan worden aangetast door metamorfe processen - de verwarming en verdichting van rotsen - of door processen die ze op of nabij het aardoppervlak veranderen. Bucholz en Stolper construeerden een verscheidenheid aan tests om te bepalen of dergelijke processen het record hadden beïnvloed. Er is vrijwel zeker enige verandering opgetreden, Bucholz zegt, maar de veranderingen zijn consistent overal waar monsters zijn genomen. "De hoeveelheid geoxideerd ijzer in de monsters kan zijn verschoven na afkoeling en stolling, maar het lijkt op een vergelijkbare manier te zijn verschoven over alle monsters, " ze zegt.

Stolper en Bucholz hebben bovendien een andere proxy samengesteld die ook de oxidatietoestand van de mantelbron van boogmagma's weerspiegelt. geruststellend, dit onafhankelijke record leverde vergelijkbare resultaten op als het record van de ijzeroxidatietoestand. Op basis hiervan, de onderzoekers stellen voor dat de oxygenatie van de diepe oceaan niet alleen invloed had op het aardoppervlak en de oceanen, maar ook de geochemie van een belangrijke klasse van stollingsgesteenten veranderde.

Dit werk vormt een aanvulling op eerder onderzoek van Bucholz dat veranderingen in de oxidatiekenmerken van mineralen in stollingsgesteenten onderzoekt die verband houden met de eerste oxygenatiegebeurtenis 2,3 miljard jaar geleden. Ze verzamelde sedimentaire, of S-type, graniet, die worden gevormd tijdens het begraven en verwarmen van sedimenten tijdens de botsing van twee landmassa's, bijvoorbeeld, in de Himalaya, waar het Indiase subcontinent in botsing komt met Azië.

"De granieten vertegenwoordigen gesmolten sedimenten die op het aardoppervlak werden afgezet. Ik wilde het idee testen dat sedimenten nog steeds de eerste stijging van zuurstof op aarde zouden kunnen registreren, ondanks dat het is opgewarmd en gesmolten om graniet te creëren, "zegt ze. "En inderdaad, het doet."

Beide studies spreken over het sterke verband tussen de geologie van de aarde en het leven dat erop bloeit, ze zegt. "De evolutie van de planeet en het leven erop zijn met elkaar verweven. We kunnen het ene niet begrijpen zonder het andere te begrijpen, ', zegt Bucholz.

De PNAS studie is getiteld "Neoproterozoïsche tot vroege Phanerozoïsche stijging van de redox-toestand van de eilandboog als gevolg van zuurstofvoorziening in de diepe oceaan en verhoogde sulfaatgehalten in de zee."