아폴로 8호 조종사 빌 앤더스는 1968년 12월 24일 크리스마스 이브에 달 주위를 도는 궤도에서 지구의 이 상징적인 사진을 찍었습니다. 태양계에서 독특한 지구의 대륙이 바다 위로 떠오르고 있습니다. 크레딧: NASA
새로운 실험은 마른 땅을 만드는 속성에 대한 일반적인 설명에 대한 질문을 제기합니다.
태양계의 다른 행성에 비해 지구를 생명체에게 더 살기 좋은 곳으로 만드는 데 결정적인 요인이기는 하지만, 대륙의 고유한 기원과 특성, 행성 지각의 거대한 덩어리는 대체로 미스터리로 남아 있습니다.
스미소니언 국립 자연사 박물관(Smithsonian National Museum of Natural History)의 연구 지질학자이자 암석 큐레이터인 엘리자베스 코트렐(Elizabeth Cottrell)과 박물관의 피터 벅 펠로우(Peter Buck Fellow) 및 국립 과학 재단 펠로우(National Science Foundation Fellow)이자 현재 코넬 대학교(Cornell University) 조교수인 메건 홀릭로스(Megan Hollickross)의 최근 연구는 우리의 지식을 발전시켰습니다. 해양 지각에 비해 대륙 지각의 철 함량이 낮고 산화 환원 수준이 높다는 널리 알려진 이론을 테스트하고 반증함으로써 지각.
대륙 지각의 빈약한 철 성분은 지구 표면의 광대한 부분이 해수면 위에 마른 땅으로 서 있어 오늘날 지상 생명체가 살 수 있는 주된 이유입니다.
최근 저널에 발표된 연구 과학실험실 실험을 사용하여 지구의 대륙 지각의 전형적인 철분 고갈 산화 화학이 광물 칼세도니의 결정화에서 나온 것이 아닐 가능성이 있음을 보여줍니다. 일반적인 해석 2018년 제안.
새로운 대륙 지각의 구성 요소는 대륙 아크 화산으로 알려진 지구 내부 깊은 곳에서 분출하며, 이 화산은 해양판이 대륙판 아래로 가라앉는 섭입대에서 발견됩니다. 대륙 지각에서 고갈되고 산화된 철의 상태에 대한 석류석의 설명에서, 이 대륙 화산 아래의 마그마에서 석류석의 결정화는 지구의 판에서 산화되지 않은 철(과학자 사이에서 알려진 환원철 또는 철)을 제거하여 철을 고갈시킵니다. 같은 시간. 마그마 녹은 철은 더 산화됩니다.
이 연구를 위해 수행된 실험의 현미경 사진. 이미지에는 유리(갈색), 큰 마노(분홍색) 및 기타 작은 광물 결정이 포함되어 있습니다. 시야는 폭이 410μm로 설탕 결정 정도의 크기입니다. 출처: J. MacPherson 및 E. Cottrell, Smithsonian
해양 지각에 비해 지구의 대륙 지각에서 철 함량 감소의 주요 결과는 대륙의 밀도를 낮추고 부력을 높여 대륙판이 해양 지각에서 행성 맨틀 위로 떠오르게 한다는 것입니다. 밀도와 부력의 이러한 불일치는 대륙이 육지인 반면 해양 지각은 수중에 있고 대륙판이 섭입대에서 해양판을 만날 때 항상 맨 위에 나타나는 주된 이유입니다.
마그마 대륙 아크의 철 고갈과 산화에 대한 Garnet의 설명은 설득력이 있었지만 Cottrell은 그것의 한 측면이 그녀에게 맞지 않는다고 말했습니다.
“마노를 안정적으로 만들려면 높은 압력이 필요하며 지각이 두껍지 않은 곳에서 철분이 적은 마그마를 발견하므로 압력이 그다지 높지 않습니다.”라고 그녀는 말했습니다.
2018년 Cottrell과 그녀의 동료들은 이 아크 화산 아래 깊은 곳에서 석류석의 결정화가 이해한 바와 같이 대륙 지각의 형성 과정에 실제로 필요한지 여부를 테스트하는 방법을 찾기 시작했습니다. 이를 달성하기 위해 Cottrell과 Holicros는 실험실에서 지각의 극심한 열과 압력을 재현하는 방법을 찾은 다음 존재하는 철의 양을 측정할 뿐만 아니라 해당 철의 산화를 구별할 수 있을 만큼 민감한 기술을 개발해야 했습니다.
대륙 아크 화산 아래에서 발견되는 엄청난 압력과 열을 재현하기 위해 팀은 박물관의 고압 실험실과 코넬에서 소위 피스톤 실린더 프레스를 사용했습니다. 유압 피스톤 실린더의 피스톤은 미니 냉장고 크기 정도이며 대부분 매우 두껍고 강한 강철과 텅스텐 카바이드로 만들어집니다. 큰 유압 피스톤이 가하는 힘은 약 입방 밀리미터 크기의 작은 암석 샘플에 매우 높은 압력을 가합니다. 어셈블리는 암석 샘플을 둘러싼 전기 및 열 절연체와 원통형 용광로로 구성됩니다. 피스톤-실린더 프레스와 가열 어셈블리의 조합은 화산 아래에서 발견되는 매우 높은 압력 수준과 온도에 도달할 수 있는 실험을 가능하게 합니다.
Smithsonian Institution 국립 자연사 박물관의 연구 지질학자이자 암석 큐레이터인 Elizabeth Cottrell은 자신의 박물관 연구실에 실험을 업로드합니다. 출처: 제니퍼 렌테리아, 스미소니언
13개의 서로 다른 실험에서 Cottrell과 Holicros는 지각 깊숙이 있는 마그마 챔버 내부의 조건을 시뮬레이션하도록 설계된 압력과 온도에서 피스톤 실린더 프레스 내부에서 녹은 암석의 석류석 샘플을 성장시켰습니다. 실험에 사용된 압력 범위는 1.5~3기가파스칼(대략 15,000~30,000 지구 압력 또는 탄산음료 캔 내부 압력의 8,000배)입니다. 온도 범위는 950~1230도[{” 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.