Les pétrologues de l'Université Rice qui ont recréé chaud, les conditions de haute pression à 60 miles sous la surface de la Terre ont trouvé un nouvel indice sur un événement crucial dans le passé profond de la planète.

Leur étude décrit comment le carbone fossilisé - les restes des premières créatures unicellulaires de la Terre - aurait pu être subsumé et enfermé profondément à l'intérieur de la Terre à partir d'environ 2,4 milliards d'années - une époque où l'oxygène atmosphérique augmentait considérablement. L'article paraît en ligne cette semaine dans le journal Géosciences de la nature .

"C'est un concept intéressant, mais pour que la vie complexe évolue, la première forme de vie devait être profondément enfouie dans le manteau de la planète, " a déclaré Rajdeep Dasgupta, professeur de sciences de la Terre à Rice. "Le mécanisme de cet enterrement se compose de deux parties. Premièrement, vous avez besoin d'une forme de tectonique des plaques, un mécanisme pour ramener les restes de carbone des premières formes de vie sur Terre. Seconde, vous avez besoin de la bonne géochimie pour que le carbone organique puisse être transporté profondément à l'intérieur de la Terre et ainsi retiré de l'environnement de surface pendant une longue période."

Le problème est ce qui a causé le "grand événement d'oxydation, " une forte augmentation de l'oxygène atmosphérique qui est bien documentée dans d'innombrables roches anciennes. L'événement est si bien connu des géologues qu'ils l'appellent souvent simplement le "GOE". il n'y a pas de consensus scientifique sur ce qui a causé le GOE. Par exemple, les scientifiques connaissent la plus ancienne vie connue de la Terre, cyanobactéries unicellulaires, a attiré le dioxyde de carbone de l'atmosphère et a libéré de l'oxygène. Mais l'apparition du début de la vie a été repoussée de plus en plus loin dans le passé avec les récentes découvertes de fossiles, et les scientifiques savent maintenant que les cyanobactéries étaient répandues au moins 500 millions d'années avant le GOE.

"Les cyanobactéries ont peut-être joué un rôle, mais le GOE était si spectaculaire - la concentration en oxygène a augmenté jusqu'à 10, 000 fois - que les cyanobactéries à elles seules ne pouvaient pas l'expliquer, " a déclaré la co-auteure principale Megan Duncan, qui a mené les recherches pour son doctorat. thèse à Rice. "Il doit également y avoir un mécanisme pour éliminer une quantité importante de carbone réduit de la biosphère, et ainsi déplacer la concentration relative d'oxygène dans le système, " elle a dit.

L'élimination du carbone sans éliminer l'oxygène nécessite des circonstances particulières car les deux éléments sont susceptibles de se lier l'un à l'autre. Ils forment l'un des composants clés de l'atmosphère, le dioxyde de carbone, ainsi que tous les types de roches carbonatées.

Dasgupta et Duncan ont découvert que la composition chimique de la « fonte de silicate » - la subduction de la roche crustale qui fond et remonte à la surface lors des éruptions volcaniques - joue un rôle crucial pour déterminer si le carbone organique fossilisé, ou graphite, s'enfonce dans le manteau ou remonte à la surface par le volcanisme.

Duncan, maintenant chercheur à la Carnegie Institution à Washington, D.C., a déclaré que l'étude est la première à examiner la capacité de charge de graphite d'un type de fonte connue sous le nom de rhyolite, qui est généralement produit au plus profond du manteau et transporte des quantités importantes de carbone vers les volcans. Elle a déclaré que la capacité de transport de graphite de la roche rhyolitique est cruciale, car si le graphite est enclin à remonter à la surface via l'extraction de la fonte rhyolitique, il n'aurait pas été enterré en quantités suffisantes pour représenter le GOE.

"La composition en silicate joue un rôle important, ", a-t-elle déclaré. "Les scientifiques ont déjà examiné les capacités de transport du carbone dans des compositions beaucoup plus riches en magnésium et pauvres en silicium. Mais les compositions de ces masses fondues rhyolitiques sont riches en silicium et en aluminium et contiennent très peu de calcium, magnésium et fer. C'est important parce que le calcium et le magnésium sont des cations, et ils modifient la quantité de carbone que vous pouvez dissoudre."

Dasgupta et Duncan ont découvert que les fontes rhyolitiques pouvaient dissoudre très peu de graphite, même quand il fait très chaud.

"C'était l'une de nos motivations, " dit Dasgupta, professeur de sciences de la Terre. « Si les zones de subduction dans le passé étaient très chaudes et produisaient une quantité substantielle de fonte, pourraient-ils complètement déstabiliser le carbone organique et le restituer à la surface ?

"Ce que nous avons montré, c'est que même à très, températures très élevées, peu de ce carbone graphitique se dissout dans la masse fondue, " dit-il. " Donc, même si la température est élevée et que vous produisez beaucoup de fonte, ce carbone organique n'est pas très soluble dans cette masse fondue, et le carbone est enfoui dans le manteau en conséquence.

"Ce qui est bien, c'est qu'avec le début et le rythme attendu de l'enfouissement de la croûte dans le manteau profond commençant juste avant le GOE, et avec nos données expérimentales sur l'efficacité de l'enfouissement profond du carbone réduit, nous pourrions modéliser l'augmentation attendue de l'oxygène atmosphérique à travers le GOE, " a déclaré Dasgupta.

La recherche appuie les conclusions d'un article de 2016 rédigé par un collègue pétrologue de Rice Cin-Ty Lee et ses collègues qui suggéraient que la tectonique des plaques, la formation des continents et l'apparition de la vie précoce ont été des facteurs clés dans le développement d'une atmosphère riche en oxygène sur Terre.

Duncan, qui se concentre de plus en plus sur les systèmes exoplanétaires, a déclaré que la recherche pourrait fournir des indices importants sur ce que les scientifiques devraient rechercher lors de l'évaluation des exoplanètes qui pourraient soutenir la vie.