Il est bien connu que la vie sur Terre et la géologie de la planète sont étroitement liées, mais une nouvelle étude fournit de nouvelles preuves de la profondeur, littéralement, de ce lien. Des géoscientifiques de Caltech et de l'UC Berkeley ont identifié une signature chimique dans les roches ignées enregistrant le début de l'oxygénation des océans profonds de la Terre, un signal qui a réussi à survivre à la fournaise du manteau. Cette oxygénation est d'un grand intérêt, comme il a inauguré l'ère moderne des niveaux élevés d'oxygène atmosphérique et océanique, et aurait permis la diversification de la vie marine.

Leurs découvertes, qui ont été publiés dans Actes de l'Académie nationale des sciences le 11 avril soutiennent une théorie de pointe sur la géochimie des magmas d'arc insulaire et offrent un exemple rare de processus biologiques à la surface de la planète affectant l'intérieur de la Terre.

Les arcs insulaires se forment lorsqu'une plaque tectonique océanique glisse sous une autre dans un processus appelé subduction. La plaque de subduction descend et libère des fluides riches en eau dans le manteau sus-jacent, la faisant fondre et produire des magmas qui montent finalement à la surface de la terre. Ce processus construit des volcans d'arc insulaire comme ceux que l'on trouve aujourd'hui dans les îles japonaises et ailleurs dans la ceinture de feu du Pacifique. Finalement, par la tectonique des plaques, les arcs insulaires se heurtent et s'incorporent aux continents, en les préservant dans les archives rocheuses au cours des temps géologiques.

Le magmatique le plus abondant, ou igné, les roches sont des basaltes, des roches de couleur sombre et à grain fin que l'on trouve couramment dans les coulées de lave. La plupart des basaltes sur la terre aujourd'hui ne se forment pas au niveau des arcs insulaires, mais plutôt au niveau des dorsales médio-océaniques en profondeur sous l'eau. Une différence bien connue entre les deux est que les basaltes des arcs insulaires sont plus oxydés que ceux trouvés sur les dorsales médio-océaniques.

Une hypothèse dominante mais débattue pour cette différence est que la croûte océanique est oxydée par l'oxygène et le sulfate dans l'océan profond avant d'être subductée dans le manteau, livrant du matériau oxydé au manteau source d'arcs insulaires au-dessus de la zone de subduction.

Mais on ne pense pas que la Terre ait toujours eu une atmosphère oxygénée et un océan profond. Plutôt, les scientifiques croient, l'émergence de l'oxygène - et avec elle la capacité de la planète à maintenir la vie aérobie - s'est produite en deux étapes. Le premier événement, qui a eu lieu il y a environ 2,3 à 2,4 milliards d'années, a donné lieu à une valeur supérieure à 100, multiplication par 000 de l'O2 atmosphérique dans l'atmosphère, à environ 1 pour cent des niveaux modernes.

Bien qu'il soit considérablement plus élevé qu'auparavant, la concentration atmosphérique en O2 à cette époque était encore trop faible pour oxygéner l'océan profond, qui serait resté anoxique jusqu'à il y a environ 400 à 800 millions d'années. Vers cette époque, On pense que les concentrations atmosphériques d'O2 ont augmenté de 10 à 50 pour cent des niveaux modernes. Ce deuxième saut a été proposé pour avoir permis à l'oxygène de circuler dans l'océan profond.

"Si la raison pour laquelle les arcs insulaires modernes sont assez oxydés est due à la présence d'oxygène dissous et de sulfate dans l'océan profond, puis il met en place une prédiction potentielle intéressante, " dit Daniel Stolper (Ph.D. Caltech '14), l'un des auteurs de l'article et professeur adjoint de sciences de la Terre et des planètes à l'UC Berkeley. "Nous savons à peu près quand les océans profonds se sont oxygénés et donc, si cette idée est juste, on pourrait voir un changement dans la façon dont les anciennes roches des arcs insulaires oxydées étaient avant par rapport à après cette oxygénation. »

Pour rechercher le signal de cet événement d'oxygénation dans les roches ignées de l'arc insulaire, Stolper s'est associé à Claire Bucholz, professeure adjointe de géologie à Caltech, qui étudie les roches magmatiques de l'arc moderne et ancienne. Stolper et Bucholz ont passé au peigne fin les archives publiées d'arcs insulaires anciens et ont compilé des mesures géochimiques qui ont révélé l'état d'oxydation des roches d'arc qui ont éclaté il y a des dizaines de millions à des milliards d'années. Leur idée était simple :si la matière oxydée de la surface est subductée et oxyde les régions du manteau qui fournissent les roches de l'arc insulaire, alors les roches anciennes des arcs insulaires devraient être moins oxydées (et donc plus « réduites ») que leurs homologues modernes.

"Ce n'est plus aussi courant, mais les scientifiques avaient l'habitude de quantifier régulièrement l'état d'oxydation du fer dans leurs échantillons de roche, " Bucholz dit. " Il y avait donc une multitude de données qui attendaient d'être réexaminées. "

Leur analyse a révélé une signature distincte :une augmentation détectable du fer oxydé dans des échantillons de roche en vrac il y a entre 800 et 400 millions d'années, le même intervalle de temps que des études indépendantes ont proposé l'oxygénation de l'océan profond s'est produite. Pour être minutieux, les chercheurs ont également exploré d'autres explications possibles pour le signal. Par exemple, il est communément admis que l'état d'oxydation du fer dans les roches en vrac peut être compromis par des processus métamorphiques - le chauffage et le compactage des roches - ou par des processus qui les modifient à la surface de la terre ou près de celle-ci. Bucholz et Stolper ont construit une variété de tests pour déterminer si de tels processus avaient affecté le dossier. Une altération s'est presque certainement produite, Bucholz dit, mais les changements sont cohérents partout où des échantillons ont été prélevés. "La quantité de fer oxydé dans les échantillons peut avoir été décalée après refroidissement et solidification, mais il semble avoir été déplacé de la même manière dans tous les échantillons, " elle dit.

Stolper et Bucholz ont en outre compilé un autre indicateur qui reflète également l'état d'oxydation de la source du manteau des magmas d'arc. Rassurant, cet enregistrement indépendant a donné des résultats similaires à l'enregistrement de l'état d'oxydation du fer. Basé sur ceci, les chercheurs proposent que l'oxygénation de l'océan profond a eu un impact non seulement sur la surface de la terre et les océans, mais a également modifié la géochimie d'une classe majeure de roches ignées.

Ce travail complète les recherches antérieures de Bucholz qui examinent les changements dans les signatures d'oxydation des minéraux dans les roches ignées associées au premier événement d'oxygénation il y a 2,3 milliards d'années. Elle a collecté de type sédimentaire, ou type S, granits, qui se forment lors de l'enfouissement et du réchauffement des sédiments lors de la collision de deux masses continentales, par exemple, dans l'Himalaya, où le sous-continent indien entre en collision avec l'Asie.

"Les granites représentent des sédiments fondus qui se sont déposés à la surface de la Terre. Je voulais tester l'idée que les sédiments pourraient encore enregistrer la première montée d'oxygène sur Terre, bien qu'ayant été réchauffé et fondu pour créer du granit, " dit-elle. " Et en effet, Cela fait."

Les deux études parlent du lien étroit entre la géologie de la Terre et la vie qui s'y épanouit, elle dit. "L'évolution de la planète et de la vie sur elle sont étroitement liées. Nous ne pouvons pas comprendre l'un sans comprendre l'autre, " dit Bucholz.

Les PNAS L'étude s'intitule « augmentation néoprotérozoïque à phanérozoïque précoce de l'état redox de l'arc insulaire en raison de l'oxygénation des océans profonds et de l'augmentation des niveaux de sulfates marins ».