よくある説明の誤り – 研究者が地球の大陸の起源に関する新しい手がかりを発見

新しい実験は、乾燥した土地を生み出す特性の一般的な説明について疑問を投げかけています.

地球を太陽系の他の惑星と比較して生命にとってより住みやすい場所にする重要な要因ですが、大陸の独特な起源と特徴、および惑星の地殻の巨大な塊は、大部分が謎のままです.

スミソニアン国立自然史博物館の研究地質学者であり岩石の学芸員であるエリザベス・コットレルと、同博物館のピーター・バック・フェローおよび国立科学財団フェローであり、現在はコーネル大学の助教授であるミーガン・ホリッククロスによる最近の研究は、私たちの知識を進歩させました。海洋地殻と比較して、大陸地殻の鉄含有量が低く、酸化還元レベルが高いことに関連する広く支持されている理論を​​テストし、反証することによって、地球の地殻の研究を行っています。

大陸地殻の鉄の組成が悪いことが、地球の表面の大部分が海面より上にあり、乾燥した土地となっており、今日の陸上生命を可能にしている主な理由です。

最近ジャーナルに掲載された研究 科学、実験室での実験を使用して、地球の大陸地殻に典型的な鉄を枯渇させる酸化化学が、鉱物カルセドニーの結晶化に由来しない可能性が高いことを示しています。 一般的な解釈 2018年に提案。

新しい大陸地殻の構成要素は、大陸プレートの下に海洋プレートが沈み込む沈み込み帯で見られる大陸弧火山として知られているもので、地球の奥深くから噴出します。 大陸地殻の鉄の枯渇および酸化状態に関するガーネットの説明では、これらの大陸火山の下のマグマでのガーネットの結晶化により、地球のプレートから酸化されていない鉄 (科学者の間で知られているように、還元鉄または鉄鉄) が除去され、同時。 マグマの溶けた鉄がさらに酸化した状態です。

この研究のために行われた実験の顕微鏡写真。 画像には、ガラス (茶色)、大きな瑪瑙 (ピンク)、およびその他の小さな鉱物の結晶が含まれています。 視野の幅は410μmで、砂糖の結晶くらいの大きさです。 クレジット: J. MacPherson および E. Cottrell、スミソニアン

海洋地殻に比べて地球の大陸地殻の鉄含有量が減少した主な結果は、大陸の密度が低く浮力が高くなり、大陸プレートが海洋プレートから惑星のマントルの上に上昇することです。 密度と浮力のこの不一致は、海洋地殻が水中にあるのに大陸が乾燥した土地を持っている主な理由であり、大陸プレートが沈み込み帯で海洋プレートに出会うと常に上に現れる理由です.

マグマの大陸弧における鉄の枯渇と酸化についてのガーネットの説明は説得力があったが、コットレルはその一面が彼女に合わないと述べた。

「瑪瑙を安定させるには高い圧力が必要ですが、これらの低鉄マグマは地殻がそれほど厚くない場所にあるため、圧力はそれほど高くありません」と彼女は言いました.

2018 年、Cottrell と彼女の同僚は、これらの弧状火山の深部でのガーネットの結晶化が、理解されている大陸地殻の形成プロセスに実際に必要であったかどうかをテストする方法を見つけることに着手しました。 これを達成するために、Cottrell と Holicros は、実験室で地球の地殻の極度の熱と圧力を再現する方法を見つけなければならず、次に、存在する鉄の量を測定するだけでなく、その鉄の酸化を区別するのに十分な感度の高い技術を開発する必要がありました。

大陸弧火山の下に見られる巨大な圧力と熱を再現するために、チームは博物館の高圧研究所とコーネル大学で、いわゆるピストン シリンダー プレスを使用しました。 油圧ピストン シリンダーのピストンはミニ冷蔵庫ほどの大きさで、ほとんどが信じられないほど厚くて強いスチールとタングステン カーバイドでできています。 大きな油圧ピストンによって加えられる力は、サイズが約 1 立方ミリメートルの小さな岩石サンプルに非常に高い圧力をもたらします。 アセンブリは、岩石サンプルを囲む電気絶縁体と断熱材、および円筒形の炉で構成されています。 ピストンシリンダープレスと加熱セットの組み合わせにより、火山の下で見られる非常に高い圧力レベルと温度に達する実験が可能になります。

スミソニアン協会の国立自然史博物館の研究地質学者であり、岩石の学芸員でもあるエリザベス コットレルは、博物館のラボに実験をアップロードしています。 クレジット: ジェニファー・レンテリア、スミソニアン

Cottrell と Holicros は、13 の異なる実験で、地球の地殻の奥深くにあるマグマ溜まり内の条件をシミュレートするように設計された圧力と温度の下で、ピストン シリンダー プレス内で溶融岩石のガーネット サンプルを成長させました。 実験で使用された圧力は 1.5 から 3 ギガパスカルの範囲で、およそ 15,000 から 30,000 地球の圧力、つまりソーダ缶内の圧力の 8,000 倍です。 温度範囲は 950 ～ 1230 度[{” attribute=””>Celsius, which is hot enough to melt rock.

Next, the team collected garnets from Smithsonian’s National Rock Collection and from other researchers around the world. Crucially, this group of garnets had already been analyzed so their concentrations of oxidized and unoxidized iron were known.

Finally, the study authors took the materials from their experiments and those gathered from collections to the Advanced Photon Source at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory in Illinois. There the team used high-energy X-ray beams to conduct X-ray absorption spectroscopy, a technique that can tell scientists about the structure and composition of materials based on how they absorb X-rays. In this case, the researchers were looking into the concentrations of oxidized and unoxidized iron.

The samples with known ratios of oxidized and unoxidized iron provided a way to check and calibrate the team’s X-ray absorption spectroscopy measurements and facilitated a comparison with the materials from their experiments.

The results of these tests revealed that the garnets had not incorporated enough unoxidized iron from the rock samples to account for the levels of iron depletion and oxidation present in the magmas that are the building blocks of Earth’s continental crust.

“These results make the garnet crystallization model an extremely unlikely explanation for why magmas from continental arc volcanoes are oxidized and iron-depleted,” Cottrell said. “It’s more likely that conditions in Earth’s mantle below continental crust are setting these oxidized conditions.”

Like so many results in science, the findings lead to more questions: “What is doing the oxidizing or iron depleting?” Cottrell asked. “If it’s not garnet crystallization in the crust and it’s something about how the magmas arrive from the mantle, then what is happening in the mantle? How did their compositions get modified?”

Cottrell said that these questions are hard to answer but that now the leading theory is that oxidized sulfur could be oxidizing the iron, something a current Peter Buck Fellow is investigating under her mentorship at the museum.

Reference: “Garnet crystallization does not drive oxidation at arcs” by Megan Holycross and Elizabeth Cottrell, 4 May 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.ade3418

This study is an example of the kind of research that museum scientists will tackle under the museum’s new Our Unique Planet initiative, a public–private partnership, which supports research into some of the most enduring and significant questions about what makes Earth special. Other research will investigate the source of Earth’s liquid oceans and how minerals may have served as templates for life.

The study was funded by the Smithsonian, the National Science Foundation, the Department of Energy, and the Lyda Hill Foundation.