Αρχαίες συνδέσεις μεταξύ της χημείας των ωκεανών και των ηφαιστειακών πετρωμάτων
Αυτή η εικόνα δείχνει πώς μια ωκεάνια πλάκα υποβιβάζεται κάτω από την άλλη, δημιουργώντας συνθήκες που προκαλούν ανάδυση μάγματος που χτίζει νησιά. Από: California Institute of Technology.
Η μελέτη των τόξων των νησιών αποκαλύπτει αρχαίες συνδέσεις μεταξύ της χημείας των ωκεανών και των ηφαιστειακών πετρωμάτων.
Φέρνοντας μια νέα προσέγγιση σε ένα κλασικό πρόβλημα, οι ερευνητές αποκάλυψαν πώς οι αλλαγές στη χημεία των ωκεανών τα τελευταία 2 δισεκατομμύρια χρόνια έχουν αφήσει ένα αποτύπωμα σε ηφαιστειακά πετρώματα που σχηματίζονται σε νησιωτικά τόξα. Τα νησιωτικά τόξα, τα οποία προκύπτουν από την ηφαιστειακή δραστηριότητα κατά μήκος των ζωνών βύθισης, όπου η μία τεκτονική πλάκα βυθίζεται κάτω από την άλλη, διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στον σχηματισμό του ηπειρωτικού φλοιού.
Η μελέτη ρίχνει φως στο πώς αυτά τα τόξα έχουν αλληλεπιδράσει με τη χημεία του ωκεανού μέσω συνδέσεων σε βάθος χρόνου που μόλις τώρα αποκαλύπτονται. Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences στις 18 Οκτωβρίου.
Η μελέτη, που προέκυψε από μια συνεργασία μεταξύ του εργαστηρίου της Καθηγήτριας Γεωλογίας Claire Bucholz και του UC Berkeley, έδειξε ότι οι ισοτοπικές συνθέσεις στροντίου των νησιωτικών τόξων μάγματος ποικίλλουν παράλληλα με τη σύνθεση του στροντίου στο θαλασσινό νερό κατά τη διάρκεια του γεωλογικού χρόνου.
Συγκεκριμένα, η μελέτη προτείνει ένα μοντέλο για αυτή τη συνδιακύμανση που περιλαμβάνει μεταφορά στροντίου θαλασσινού νερού σε νησιωτικά τόξα μέσω υδροθερμικής αλλοίωσης του πυθμένα του ωκεανού, το οποίο τελικά υποβάλλεται στις περιοχές πηγής μανδύα των νησιωτικών τόξων μάγματος και στη συνέχεια ενσωματώνεται στους βασάλτες νησιωτικού τόξου που προκύπτουν.
Ο Bucholz μελετά πώς αλληλεπιδρούν διαφορετικές δεξαμενές στη Γη, από την επιφάνεια μέχρι τον μανδύα και πώς αυτές οι αλληλεπιδράσεις έχουν αλλάξει με την πάροδο του χρόνου. Οι ζώνες καταβύθισης είναι ένα εξαιρετικό μέρος για να τεθούν τέτοιες ερωτήσεις επειδή αντιπροσωπεύουν μια διεπαφή μεταξύ μεγάλων δεξαμενών: του ωκεανού, του φλοιού και του μανδύα, και επειδή οι διαδικασίες βύθισης λειτουργούν στη Γη εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια.
Η πλάκα καταβύθισης αποτελείται από ωκεάνιο φλοιό, ο οποίος αποτυπώνεται με τη χημεία του θαλασσινού νερού μέσω της υδροθερμικής αλλοίωσης. Όταν η πλάκα βύθισης κατεβαίνει στον μανδύα, θερμαίνεται και απελευθερώνει υγρά πλούσια σε νερό και λιώνει που μεταφέρουν αυτή τη χημική υπογραφή η οποία προέρχεται από το θαλασσινό νερό στον υπερκείμενο μανδύα. Με τη σειρά του, αυτή η εισροή υγρών προκαλεί την τήξη του μανδύα, παράγοντας μάγματα που τελικά ανεβαίνουν και εκρήγνυνται στην επιφάνεια της Γης.
Αυτή η διαδικασία δημιουργεί ηφαίστεια νησιωτικών τόξων όπως αυτά που βρίσκονται στα Αλεούτια νησιά ή αλλού στο Δαχτυλίδι της Φωτιάς του Ειρηνικού. Τα μαγματικά πετρώματα που βρέθηκαν σε αυτά τα τόξα νησιών φέρουν το αρχικό αποτύπωμα του θαλασσινού νερού στη χημική τους σύνθεση και έτσι, μελετώντας τα, οι ερευνητές μπορούν να μάθουν για τη σύνδεσή τους με τον ωκεανό.
Όταν πρόκειται για τη σύγχρονη Γη, οι γεωχημικοί γενικά αποδέχονται ότι υπάρχει μια σύνδεση μεταξύ του θαλασσινού νερού και των βασαλτών του τόξου των νησιών. Για παράδειγμα, ένα πολύ γνωστό χαρακτηριστικό των σύγχρονων βασαλτών νησιωτικού τόξου είναι ο εμπλουτισμός τους σε ραδιογενές στρόντιο σε σχέση με βασάλτες που σχηματίζονται σε κορυφογραμμές του μέσου ωκεανού, οι οποίες διασπώνται αντί να υποχωρούν.
Η τυπική εξήγηση για αυτόν τον εμπλουτισμό είναι ότι το «επιπλέον» ραδιογενές στρόντιο παρέχεται από τον υποβυθιζόμενο ωκεάνιο φλοιό, ο οποίος ενσωμάτωσε ραδιογενές στρόντιο θαλασσινού νερού πριν υποβιβαστεί.
Η χρήση ραδιογονικών ισοτόπων (αυτών που παράγονται μέσω ραδιενεργής διάσπασης) για τη μελέτη μάγματος τόξου έχει μια πλούσια ιστορία που πρωτοστάτησε από τον συν-συγγραφέα Donald DePaolo, ο οποίος έλαβε το διδακτορικό του στο Caltech το 1978 και τώρα είναι στη σχολή στο UC Berkeley.
Κατά τη διάρκεια της θητείας του στο Caltech, ο DePaolo ανέπτυξε τη μεθοδολογία για να κάνει τις πρώτες μετρήσεις ισοτόπων νεοδυμίου σε επίγεια πετρώματα και διερεύνησε τις παραλλαγές τους σε μάγματα νησιωτικού τόξου σε συνδυασμό με αυτό των ισοτόπων του στροντίου.
Αυτή η εργασία ήταν θεμελιώδης για την ανάπτυξη ραδιογονικών ισοτοπικών μελετών πετρωμάτων και έκτοτε αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο των γεωχημικών μελετών. Η νέα μελέτη, με επικεφαλής την τρέχουσα μεταπτυχιακή φοιτήτρια του Caltech Amanda Bednarick, βασίζεται σε αυτό το θεμέλιο και συνδέει ερευνητές που έχουν εργαστεί στο Caltech για τέσσερις δεκαετίες, συμπεριλαμβανομένου του συν-συγγραφέα Daniel Stolper (Ph.D. '14).
Η νέα εργασία απαιτούσε σχολαστική σάρωση των δεδομένων της προηγούμενης βιβλιογραφίας των ισοτόπων του στροντίου σε πετρώματα νησιωτικών τόξων. Αν και αυτά τα δεδομένα υπάρχουν εδώ και δεκαετίες, κανείς δεν είχε αναλάβει το έργο της συλλογής και ανάλυσής τους, επειδή οι αρχικές αναλογίες στροντίου στα μαγματικά πετρώματα αλλάζουν εύκολα και συχνά επισκιάζονται. Ωστόσο, με προσεκτική αξιολόγηση των υπαρχόντων συνόλων δεδομένων για την επιλογή μόνο των πιο αξιόπιστων μετρήσεων, ο Bednarick κατάφερε να τεκμηριώσει ένα σαφές σήμα.
«Η βιβλιογραφική ανασκόπηση και συλλογή που ανέλαβε η Amanda ήταν χρονοβόρα», λέει ο Bucholz. «Ωστόσο, μόνο μέσα από αυτές τις προσπάθειες προκύπτουν τα υψηλότερης ποιότητας σύνολα δεδομένων και μπορούμε να πούμε κάτι σημαντικό για το γεωλογικό παρελθόν».
«Κατανοούμε τις συνδέσεις μεταξύ του στροντίου του θαλασσινού νερού και των ηφαιστειακών πετρωμάτων με νησιωτικό τόξο μόνο με γενικό τρόπο, αλλά οι συσχετισμοί που βρέθηκαν με την προσεκτική αξιολόγηση των δεδομένων είναι αναμφισβήτητοι», προσθέτει ο DePaolo.
Ο Bednarick έδειξε ότι οι ισοτοπικές αναλογίες στροντίου στους βασάλτες των νησιών συσχετίζονται καλά με αυτές του θαλασσινού νερού στο γεωλογικό παρελθόν, οι οποίες ποικίλλουν λόγω των αλλαγών στην ποσότητα στροντίου που εισάγεται στους ωκεανούς από τις ηπείρους (ραδιογόνος) έναντι του μανδύα (μη ραδιογόνος). Το πιο εντυπωσιακό είναι ότι μια σημαντική αύξηση στις αναλογίες ισοτόπων στροντίου στα νησιωτικά τόξα συμπίπτει με μια γνωστή μετατόπιση στη χημεία των ωκεανών κατά την ύστερη νεοπρωτοζωική εποχή, περίπου 600 εκατομμύρια χρόνια πριν.
Για να κατανοήσουν αυτή τη σχέση, ο Bednarick και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν ένα μοντέλο που ενσωματώνει τη γνωστή καταγραφή της χημείας του θαλασσινού νερού και της εισροής στροντίου σε μάγματα νησιωτικού τόξου. Αυτά τα μοντέλα υποδεικνύουν ότι οι αναλογίες ισοτόπων του στροντίου στους βασάλτες νησιωτικού τόξου μπορούν να εξηγηθούν αποκλειστικά από αλλαγές στη χημεία του θαλασσινού νερού, το οποίο με τη σειρά του αντανακλά ευρύτερες γεωλογικές και κλιματικές αλλαγές.
«Αυτή η μελέτη υπογραμμίζει πώς οι αλλαγές στην επιφάνεια της Γης, ιδιαίτερα στη χημεία των ωκεανών, καταγράφονται στο βάθος της Γης μέσω των ηφαιστειακών πετρωμάτων που σχηματίζονται σε ζώνες βύθισης. Είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πόσο διασυνδεδεμένα είναι τα συστήματα της Γης, ακόμη και για δισεκατομμύρια χρόνια», εξηγεί ο Bednarick.
Η κατανόηση των αρχαίων γεωχημικών διεργασιών που διέπουν τον σχηματισμό νησιωτικού τόξου είναι κρίσιμη για την ανακατασκευή της ιστορίας της τεκτονικής και των ωκεανών της Γης. Η μελέτη υποδηλώνει ότι τα μοτίβα που παρατηρούνται σήμερα έχουν βαθιές ρίζες και ότι οι υπογραφές ισοτόπων στροντίου των αρχαίων νησιωτικών τόξων μπορούν να παρέχουν πολύτιμες ενδείξεις για τη μακροπρόθεσμη εξέλιξη του πλανήτη.
Στη συνέχεια, ο Bednarick στοχεύει να εξετάσει αλληλουχίες πετρωμάτων που ονομάζονται οφιόλιθοι, που αντιπροσωπεύουν θραύσματα υδροθερμικά αλλοιωμένου ωκεάνιου φλοιού που διατηρούνται τώρα σε ηπείρους, για να κατανοήσει περαιτέρω τη χημεία του θαλασσινού νερού πριν από περισσότερα από 1 δισεκατομμύριο χρόνια.
Γεωδίφης με πληροφορίες από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας
περισσότερα,
Amanda L. Bednarick et al, Temporal covariation of island arc Sr isotopes and seawater chemistry τα τελευταία 2 δισεκατομμύρια χρόνια, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2401832121
Proceedings of the National Academy of Sciences