Kontinenti su deo onoga što Zemlju čini jedinstvenom pogodnom za život među planetama Sunčevog sistema, ali se iznenađujuće malo razume šta je dovelo do ovih ogromnih delova kore planete i njihovih posebnih svojstava.
Novo istraživanje Elizabet Cottrell, istraživačkog geologa i kustosa stena u Nacionalnom muzeju prirodne istorije Smitsonijan, i vodeće autorke studije Megan Holikros, koja je ranije bila saradnica Pitera Baka i člana Nacionalne naučne fondacije u muzeju, a sada docenta na Univerzitetu Kornel, produbljuje razumevanje Zemljine kore testiranjem i na kraju eliminisanjem jedne popularne hipoteze o tome zašto je kontinentalna kora manje gvožđa i više oksidovana u poređenju sa okeanskom korom. Sastav kontinentalne kore siromašan gvožđem je glavni razlog zašto ogromni delovi Zemljine površine stoje iznad nivoa mora kao suvo zemljište, što danas čini mogućim zemaljski život.
Studija, objavljena danas (4. maja) u časopisu Science, koristi laboratorijske eksperimente kako bi pokazala da oksidovana hemija osiromašena gvožđem tipična za Zemljinu kontinentalnu koru verovatno nije nastala kristalizacijom mineralnog granata, kao popularno objašnjenje predloženo 2018.
Građevinski blokovi nove kontinentalne kore izlaze iz dubina Zemlje na takozvanim kontinentalnim lučnim vulkanima, koji se nalaze u zonama subdukcije gde okeanska ploča uranja ispod kontinentalne ploče. U objašnjenju granata za stanje osiromašenog gvožđem i oksidacije kontinentalne kore, kristalizacija granata u magmi ispod ovih vulkana kontinentalnog luka uklanja neoksidovano (redukovano ili gvožđe, kako je poznato među naučnicima) gvožđe sa zemaljskih ploča, istovremeno iscrpljujući rastopljenu magmu gvožđa i ostavljajući je više oksidovanom.
Jedna od ključnih posledica niskog sadržaja gvožđa u Zemljinoj kontinentalnoj kori u odnosu na okeansku koru je da čini kontinente manje gustim i plutajućim, što dovodi do toga da se kontinentalne ploče nalaze više na vrhu plašta planete od okeanskih ploča. Ova razlika u gustini i plovnosti je glavni razlog što kontinenti imaju suvo zemljište dok su okeanske kore pod vodom, kao i zašto kontinentalne ploče uvek izlaze na vrh kada se sretnu sa okeanskim pločama u zonama subdukcije.
Objašnjenje granata za iscrpljivanje i oksidaciju gvožđa u magmi kontinentalnog luka bilo je ubedljivo, ali Kotrel je rekla da joj jedan aspekt toga ne odgovara.
„Potrebni su vam visoki pritisci da bi granat bio stabilan, a ovu magmu sa niskim sadržajem gvožđa nalazite na mestima gde kora nije toliko debela, pa pritisak nije previsok“, rekla je ona.
U 2018, Cottrell i njene kolege su krenule u pronalaženje načina da testiraju da li je kristalizacija granata duboko ispod ovih lučnih vulkana zaista neophodna za proces stvaranja kontinentalne kore kako se razume. Da bi ovo postigli, Cottrell i Holicross su morali da pronađu načine da ponove intenzivnu toplotu i pritisak Zemljine kore u laboratoriji, a zatim da razviju tehnike koje su dovoljno osetljive da izmere ne samo koliko je gvožđa prisutno, već i da razlikuju da li je to gvožđe oksidovano. .
Da bi ponovo stvorio ogroman pritisak i toplotu koji se nalaze ispod vulkana kontinentalnog luka, tim je koristio ono što se naziva klipno-cilindričnom presom u muzejskoj laboratoriji visokog pritiska i u Kornelu. Hidraulična presa sa klipnim cilindrom je veličine mini frižidera i uglavnom je napravljena od neverovatno debelog i snažnog čelika i volframovog karbida. Sila koju primenjuje veliki hidraulični ram dovodi do veoma visokog pritiska na sićušne uzorke stena, veličine oko kubnog milimetra. Sklop se sastoji od električnih i toplotnih izolatora koji okružuju uzorak stene, kao i cilindrične peći. Kombinacija klipne cilindrične prese i grejnog sklopa omogućava eksperimente koji mogu da postignu veoma visoke pritiske i temperature koje se nalaze ispod vulkana.
U 13 različitih eksperimenata, Cottrell i Holicross su uzgajali uzorke granata iz rastopljene stene unutar klipno-cilindrične prese pod pritiscima i temperaturama dizajniranim da simuliraju uslove unutar magma komora duboko u Zemljinoj kori. Pritisci korišćeni u eksperimentima kretali su se od 1,5 do 3 gigapaskala – što je otprilike 15.000 do 30.000 zemaljskih atmosfera pritiska ili 8.000 puta veći pritisak nego u limenci sode. Temperature su se kretale od 950°C do 1.230°C, što je dovoljno vruće da rastopi stenu.
Zatim je tim prikupio granite iz Smithsonianove Nacionalne kolekcije kamena i drugih istraživača širom sveta. Ono što je najvažnije, ova grupa granata je već bila analizirana pa su bile poznate njihove koncentracije oksidovanog i neoksidovanog gvožđa.
Konačno, autori studije su materijale iz svojih eksperimenata i one prikupljene iz kolekcija preuzeli u Napredni izvor fotona u Nacionalnoj laboratoriji Argonne pri Ministarstvu energetike SAD u Ilinoisu. Tamo je tim koristio visokoenergetske rendgenske zrake za sprovođenje rendgenske apsorpcione spektroskopije, tehnike koja može reći naučnicima o strukturi i sastavu materijala na osnovu toga kako apsorbuju rendgenske zrake. U ovom slučaju, istraživači su istraživali koncentracije oksidovanog i neoksidovanog gvožđa.
Uzorci sa poznatim odnosima oksidovanog i neoksidovanog gvožđa pružili su način za proveru i kalibraciju merenja rendgenske apsorpcione spektroskopije tima i olakšali poređenje sa materijalima iz njihovih eksperimenata.
Rezultati ovih testova su otkrili da granati nisu ugradili dovoljno neoksidisanog gvožđa iz uzoraka stena da bi objasnili nivoe iscrpljenosti gvožđa i oksidacije prisutnih u magmama koje su gradivni blokovi Zemljine kontinentalne kore.
„Ovi rezultati čine model kristalizacije granata krajnje malo verovatnim objašnjenjem zašto su magme iz vulkana kontinentalnog luka oksidovane i iscrpljene gvožđem“, rekao je Kotrel. „Verovatnije je da uslovi u Zemljinom omotaču ispod kontinentalne kore postavljaju ove oksidirane uslove.
Kao i mnogi rezultati u nauci, nalazi dovode do više pitanja: „Šta radi oksidacija ili trošenje gvožđa?“ upitao je Kotrel. „Ako nije kristalizacija granata u kori i nešto o tome kako magme stižu iz omotača, šta se onda dešava u omotaču? Kako je njihov sastav modifikovan?“
Kotrel je rekla da je na ova pitanja teško odgovoriti, ali da je sada vodeća teorija da bi oksidovani sumpor mogao da oksidira gvožđe, nešto što sadašnji saradnik Pitera Baka istražuje pod njenim mentorstvom u muzeju.
Ova studija je primer vrste istraživanja kojim će se muzejski naučnici baviti u okviru nove inicijative muzeja Our Unikue Planet, javno-privatnog partnerstva, koje podržava istraživanje nekih od najtrajnijih i najznačajnijih pitanja o tome šta Zemlju čini posebnom. Druga istraživanja će istražiti izvor Zemljinih tečnih okeana i kako su minerali mogli poslužiti kao šabloni za život.
