В этой работе самое интересное спрятано дважды. В породе лежит кристалл циркона, а внутри него — ещё более мелкий апатит. Исследователи добрались до серы в этом включении и по её химическому состоянию стали выяснять, что происходило с древней магмой. Среди изученных образцов есть породы возрастом около 3,4 млрд лет.[4]
Команда Хуго Морейры из Портсмутского университета опубликовала результаты 14 октября в Nature Geoscience.[4] Авторы связывают найденный след с переносом окисленного вещества с поверхности в мантию.[4] Чтобы понять эту историю, нужно сначала разобраться, почему геологи не стали просто анализировать всю породу.
Циркон сработал как защитная оболочка
Апатит умеет сохранять серу в разных состояниях окисления. Их соотношение помогает оценить, в какой химической среде рос минерал. Но за миллиарды лет эта запись может измениться. Поэтому команда изучала прежде всего апатит, заключённый в устойчивом цирконе: внешнему воздействию до него добраться труднее.[4]
Проверка показала, насколько это существенно. Апатиты из основной массы пород возрастом 3,4 млрд лет дали возраст около 3 млрд лет. Разница составляет примерно 400 млн лет: незакрытые зёрна успели измениться уже после образования породы.[4] Если принять их состав за исходный, получится рассказ о другом этапе её жизни.
У одного древнего включения исследователи отдельно рассмотрели трещину. Сера в ней оказалась более окисленной, чем в неповреждённой части апатита.[4] Так на одном крошечном участке удалось увидеть и сохранившуюся запись, и место, где её изменили поздние процессы.
Что именно измеряли
Образцы исследовали на синхротроне ESRF в Гренобле. Узкий рентгеновский пучок позволил измерить спектры поглощения серы внутри микроскопических включений и различить её состояния окисления. Метод называется μ-XANES; по этим данным и экспериментальной калибровке авторы оценили окислительные условия древних магм.[4][5]
Новая серия включает 337 измерений в 39 включениях апатита. Для сравнения команда получила ещё 213 измерений в 65 зёрнах из основной массы пород. К временному ряду добавили сведения о 14 включениях из прежней работы; в итоге основная кривая опирается на 53 включения.[4] Это не сотни независимых пород: один и тот же маленький объект измеряли многократно.
Материал для сравнения происходит из Австралии, Финляндии, Южной Африки, Бразилии и Шотландии. Самые молодые породы в этой подборке имеют возраст 425 млн лет.[4] Для геолога они сравнительно недавние, хотя до появления людей оставалась почти вся эта дистанция.
Измеряемую характеристику называют кислородной фугитивностью. В данном случае она описывает, насколько среда благоприятна для окислительных реакций. Это не процент кислорода в породе и не объём газа, который можно из неё выпустить.[4][5] Включения не содержат пробу древнего воздуха: они сохранили химические последствия условий, в которых образовались.
Как след с поверхности мог попасть в глубину
По реконструкции авторов, источники изученных магм уже около 3,4 млрд лет назад были сильнее окислены, чем обычная верхняя мантия того времени. В дальнейшем показатель рос, а примерно к 2,1 млрд лет назад достиг значений, сопоставимых с современными областями мантии под вулканическими дугами.[4][5]
Морейра и его коллеги предлагают такой путь: на поверхности кислород или другие окислители вступали в реакции с породами. Образовавшиеся окисленные соединения серы вместе с поверхностным веществом попадали в глубину. Там они меняли среду, из которой впоследствии возникали магмы.[4][5]
Сегодня такой перенос связан с субдукцией: одна литосферная плита уходит под другую, унося вещество в глубину. Однако авторы специально предупреждают, что их древние образцы не обязательно указывают на субдукцию современного типа. Ранние способы обмена между корой и мантией могли отличаться.[4]
Но если кислород уже был, почему воздух оставался почти бескислородным? Он мог расходоваться в реакциях с веществом планеты, не успевая накопиться. В работе переход к постоянному накоплению кислорода в атмосфере отнесён к периоду около 2,3–2,2 млрд лет назад.[4][5] Более ранний химический след в минералах не делает тогдашнюю атмосферу пригодной для нашего дыхания.
Почему это ещё не полная летопись
Полной последовательности образцов у геологов пока нет. Между 2,1 и 0,4 млрд лет назад в их временном ряду лежит большой пробел.[4] На графике этот промежуток соединяет расчётная кривая. Она показывает предполагаемую тенденцию, однако минералов, которые подтвердили бы каждый её участок, в выборке нет.
Расчёт зависит и от экспериментальной калибровки. Авторы проверяли, как на выводы могут влиять температура, давление и процессы изменения магмы. Основная интерпретация выдержала эти проверки, хотя все поправки по отдельности для каждого образца применить не удалось.[4]
А что можно сказать о первых живых организмах? По этим минералам нельзя установить, кто именно производил кислород и когда появился. Авторы обсуждают и небиологические источники окисления.[4] В пояснении ESRF Морейра отдельно подчёркивает: речь об условиях и процессах, позволявших жизни развиваться, а не об определении её начала.[5]
Теперь исследователи хотят увеличить подробность временного ряда и выяснить, менялась ли связь поверхности с недрами постепенно или скачками. Они также рассматривают цирконы, пережившие разрушение своих исходных пород.[5] Сами породы могли исчезнуть, а маленькое включение внутри уцелевшего кристалла всё ещё хранит часть их истории.