مصدر غير متوقع.. من أين أتى الأكسجين إلى الأرض؟

الخامسة للأنباء – علوم وتكنولوجيا: 

يتكون 21% من الغلاف الجوي للأرض من هذا الأكسجين الواهب للحياة. وهذه الكمية تجعل كوكبنا صالحا للعيش.

ولكن في الماضي السحيق – منذ 2.8 إلى 2.5 مليار سنة – كان هذا الأكسجين غائبا تقريبا.

إذن، كيف أصبح الغلاف الجوي للأرض مؤكسجا؟

كشف بحث، منشور في مجلة Nature Geoscience، احتمالا جديدا محيرا: أن بعض الأكسجين المبكر على الأرض جاء على الأقل من مصدر تكتوني عن طريق حركة تدمّر قشرة الأرض.

الدهر السحيق (أو الدهر العتيق archaean)

يمثل الدهر السحيق ثلث تاريخ كوكبنا، من 2.5 مليار سنة مضت إلى أربعة مليارات سنة مضت.

وكانت الأرض آنذاك عبارة عن عالم مائي، مغطى بالمحيطات الخضراء، يكتنفها ضباب الميثان وتفتقر تماما إلى الحياة المتعددة الخلايا. والجانب الآخر الغريب في هذا العالم هو طبيعة نشاطه التكتوني.

وعلى الأرض الحديثة، يُطلق على النشاط التكتوني السائد اسم الصفائح التكتونية، حيث تغرق القشرة المحيطية – الطبقة الخارجية من الأرض تحت المحيطات – في وشاح الأرض أو اللب الأرضي (المنطقة الواقعة بين قشرة الأرض ونواتها) عند نقاط التقاء تسمى مناطق الاندساس subduction zones.

ومع ذلك، هناك جدل كبير حول ما إذا كانت الصفائح التكتونية قد كانت مرة أخرى في الدهر السحيق.

وتتمثل إحدى ميزات مناطق الاندساس الحديثة في ارتباطها بالصهارة المؤكسدة. وتتشكل هذه الصهارة عندما يتم إدخال رواسب مؤكسدة ومياه القاع الباردة والكثيفة بالقرب من قاع المحيط، في وشاح الأرض. وينتج هذا الصهارة التي تحتوي على نسبة عالية من الأكسجين والماء.

وتهدف الدراسة الحديثة إلى اختبار ما إذا كان عدم وجود مواد مؤكسدة في مياه القاع في الدهر السحيق والرواسب يمكن أن يمنع تكوين الصهارة المؤكسدة.

ويمكن أن يوفر تحديد مثل هذه الصهارة في الصخور البركانية الجديدة دليلا على أن الاندساس والصفائح التكتونية حدثت قبل 2.7 مليار سنة.

التجربة

جمع العلماء عينات من صخور غرانيتية عمرها 2750 إلى 2670 مليون سنة من جميع أنحاء مقاطعة “أبيتيبي واوا” في المقاطعة العليا – أكبر قارة من العهد السحيق، وتمتد على مسافة 2000 كيلومتر من وينيبيغ، مانيتوبا، إلى أقصى شرق كيبيك. وسمح لهم ذلك بالتحقيق في مستوى أكسدة الصهارة المتولدة عبر العصر الحديث.

ويعد قياس حالة الأكسدة في هذه الصخور البركانية – التي تشكلت من خلال تبرّد وتبلور الصهارة أو الحمم البركانية – أمرا صعبا. ولذلك، قرر الفريق النظر إلى معدن الأباتيت الموجود في بلورات الزركون في هذه الصخور.

ويمكن لبلورات الزركون أن تتحمل درجات الحرارة الشديدة والضغوط التي تحدث تحول ما بعد التبلور. وتحتفظ بأدلة حول البيئات التي تشكلت فيها في الأصل، وتقدم أعمارا دقيقة للصخور نفسها.

وبلورات الأباتيت الصغيرة التي يقل عرضها عن 30 ميكروناً – أي حجم خلية جلد الإنسان – محاصرة في بلورات الزركون. وتحتوي على الكبريت. ومن خلال قياس كمية الكبريت في الأباتيت، يمكن تحديد ما إذا كان الأباتيت نما من رحم الصهارة المؤكسدة.

وتمكن الفريق من قياس كثافة الأكسجين في الصهارة الأصلية – التي تمثل أساسا كمية الأكسجين الحر فيها – باستخدام تقنية متخصصة تسمى التحليل الطيفي لهيكل الحواف (S-XANES) في مصدر الفوتون المتقدم. في مختبر أرجون الوطني في إلينوي.

إنتاج الأكسجين من الماء؟

وجد العلماء أن محتوى كبريت الصهارة، الذي كان في البداية نحو الصفر، زاد إلى 2000 جزء في المليون في غضون 2705 ملايين سنة. ويشير هذا إلى أن الصهارة أصبحت غنية بالكبريت.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن هيمنة S6 +، وهو نوع من أيون الكبريت، في الأباتيت، يشير إلى أن الكبريت كان من مصدر مؤكسد، ومطابقا للبيانات المأخوذة من بلورات الزركون المضيفة.

وتشير هذه النتائج الجديدة إلى أن الصهارة المؤكسدة تشكلت في العصر الحديث قبل 2.7 مليار سنة.

وتظهر البيانات أن نقص الأكسجين المذاب في خزانات المحيط في الدهر السحيق لم يمنع تكوّن الصهارة المؤكسدة الغنية بالكبريت في مناطق الاندساس.

ويجب أن يكون الأكسجين الموجود في هذه الصهارة قد أتى من مصدر آخر، وتم إطلاقه في النهاية في الغلاف الجوي أثناء الانفجارات البركانية.

ووجد العلماء أن حدوث هذه الصهارة المؤكسدة يرتبط بأحداث تمعدن الذهب الكبرى في المقاطعة العليا وYilgarn Craton (أستراليا الغربية)، ما يدل على وجود صلة بين هذه المصادر الغنية بالأكسجين وتكوين رواسب خام عالمية المستوى.

وتتجاوز الآثار المترتبة على هذه الصهارة المؤكسدة فهم الديناميكا الجيولوجية للأرض في وقت مبكر. وفي السابق، كان يُعتقد أن من غير المحتمل أن تتأكسد صهارة الدهر السحيق، عندما لا تتأكسد مياه المحيط وصخور قاع المحيط أو الرواسب.

وفي حين أن الآلية الدقيقة غير واضحة، فإن حدوث هذه الصهارة يشير إلى أن عملية الاندساس، حيث يتم نقل مياه المحيطات لمئات الكيلومترات داخل كوكبنا، تولد أكسجينا حرا. يؤدي هذا بعد ذلك إلى أكسدة الوشاح العلوي.

وتُظهر الدراسة أن الاندساس في الدهر السحيق كان من الممكن أن يكون عاملا حيويا غير متوقع في أكسجة الأرض، ونفثات الأكسجين المبكرة قبل 2.7 مليار سنة وأيضا حدث الأكسدة العظيم، الذي سجل زيادة في الأكسجين في الغلاف الجوي بنسبة 2% في 2.45 إلى 2.32 قبل مليار سنة.

ومن المعروف أن الأرض هي المكان الوحيد في النظام الشمسي – الماضي أو الحاضر – الذي يمتلك الصفائح التكتونية والاندساس النشط. ويشير هذا إلى أن هذه الدراسة يمكن أن تفسر في النهاية، الحياة على الكواكب الصخرية الأخرى في المستقبل.