Penjelasan Umum Salah – Para peneliti menemukan petunjuk baru tentang asal usul benua di Bumi

Eksperimen baru menimbulkan pertanyaan tentang penjelasan umum untuk sifat-sifat yang menimbulkan lahan kering.

Meskipun faktor penting dalam membuat Bumi menjadi tempat yang lebih ramah untuk kehidupan dibandingkan dengan planet lain di tata surya, asal-usul dan karakteristik unik dari benua, dan bongkahan besar kerak planet, sebagian besar tetap menjadi misteri.

Sebuah studi baru-baru ini oleh Elizabeth Cottrell, ahli geologi penelitian dan kurator batuan di Smithsonian National Museum of Natural History, dan Megan Hollickross, Peter Buck Fellow dan National Science Foundation Fellow di museum dan sekarang menjadi asisten profesor di Cornell University, telah meningkatkan pengetahuan kita. kerak bumi dengan menguji dan menyangkal teori yang dipegang secara luas terkait dengan kandungan besi yang lebih rendah dan tingkat redoks yang lebih tinggi dari kerak benua dibandingkan dengan kerak samudera.

Komposisi besi yang buruk di kerak benua adalah alasan utama mengapa sebagian besar permukaan bumi berdiri di atas permukaan laut sebagai tanah kering, memungkinkan kehidupan di darat saat ini.

Studi tersebut baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Ilmumenggunakan eksperimen laboratorium untuk menunjukkan bahwa kimia oksidatif penipisan besi khas kerak benua bumi kemungkinan besar tidak berasal dari kristalisasi mineral kalsedon, interpretasi umum diusulkan pada tahun 2018.

Blok bangunan kerak benua baru meletus dari dalam Bumi dalam apa yang dikenal sebagai gunung berapi busur benua, yang ditemukan di zona subduksi di mana lempeng samudera tenggelam di bawah lempeng benua. Dalam penjelasan garnet tentang keadaan besi yang terkuras dan teroksidasi di kerak benua, kristalisasi garnet di magma di bawah gunung berapi benua ini menghilangkan besi yang tidak teroksidasi (tereduksi atau besi, seperti yang dikenal di kalangan ilmuwan) dari lempeng bumi, menghabiskan besi di waktu yang sama. Besi cair magma membuatnya lebih teroksidasi.

Mikrograf dari percobaan yang dilakukan untuk penelitian ini. Gambar tersebut berisi kaca (coklat), batu akik besar (merah muda), dan kristal mineral kecil lainnya. Bidang pandang selebar 410 μm, seukuran kristal gula. Kredit: J. MacPherson dan E. Cottrell, Smithsonian

Konsekuensi utama dari penurunan kandungan besi di kerak benua relatif terhadap kerak samudera adalah bahwa hal itu membuat benua kurang padat dan lebih ringan, menyebabkan lempeng benua naik di atas mantel planet dari lempeng samudera. Perbedaan kepadatan dan daya apung ini adalah alasan utama mengapa benua memiliki daratan kering sementara kerak samudera berada di bawah air, dan mengapa lempeng benua selalu muncul di atas saat bertemu lempeng samudera di zona subduksi.

Penjelasan Garnet untuk penipisan besi dan oksidasi di busur benua magma meyakinkan, tetapi Cottrell mengatakan satu aspek dari itu tidak cocok untuknya.

“Anda membutuhkan tekanan tinggi untuk membuat batu akik stabil, dan Anda menemukan magma besi rendah ini di tempat-tempat di mana keraknya tidak setebal itu, sehingga tekanannya tidak terlalu tinggi,” katanya.

Pada tahun 2018, Cottrell dan rekan-rekannya mencari cara untuk menguji apakah kristalisasi garnet di kedalaman di bawah gunung berapi memang diperlukan untuk proses pembentukan kerak benua seperti yang dipahami. Untuk mencapai hal ini, Cottrell dan Holicros harus menemukan cara untuk mereplikasi panas dan tekanan ekstrem kerak bumi di laboratorium, kemudian mengembangkan teknik yang cukup sensitif untuk tidak hanya mengukur berapa banyak besi yang ada, tetapi untuk membedakan antara oksidasi besi tersebut.

Untuk menciptakan kembali tekanan dan panas yang sangat besar yang ditemukan di bawah gunung berapi busur benua, tim menggunakan apa yang disebut penekan silinder piston di laboratorium bertekanan tinggi museum dan di Cornell. Piston silinder piston hidrolik kira-kira seukuran lemari es mini dan sebagian besar terbuat dari baja yang sangat tebal dan kuat serta karbida tungsten. Gaya yang diterapkan oleh piston hidrolik besar menghasilkan tekanan yang sangat tinggi pada sampel batuan kecil, berukuran sekitar satu milimeter kubik. Rakitan terdiri dari isolator listrik dan termal yang mengelilingi sampel batuan, serta tungku silinder. Kombinasi tekanan piston-silinder dan perangkat pemanas memungkinkan eksperimen yang dapat mencapai tingkat tekanan dan suhu sangat tinggi yang ditemukan di bawah gunung berapi.

Elizabeth Cottrell, ahli geologi penelitian dan kurator batuan di Museum Nasional Sejarah Alam Smithsonian Institution, mengunggah eksperimen ke lab museumnya. Kredit: Jennifer Renteria, Smithsonian

Dalam 13 percobaan yang berbeda, Cottrell dan Holicros menumbuhkan sampel garnet dari batuan cair di dalam mesin silinder piston di bawah tekanan dan suhu yang dirancang untuk mensimulasikan kondisi di dalam ruang magma jauh di dalam kerak bumi. Tekanan yang digunakan dalam percobaan berkisar antara 1,5 hingga 3 gigapascal—kira-kira 15.000 hingga 30.000 tekanan Bumi, atau 8.000 kali lebih besar daripada tekanan di dalam kaleng soda. Suhu berkisar antara 950 hingga 1230 derajat[{” 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.