सामान्य व्याख्या गलत – शोधकर्ताओं ने पृथ्वी के महाद्वीपों की उत्पत्ति के संबंध में नए सुराग खोजे

अपोलो 8 के पायलट बिल एंडर्स ने 24 दिसंबर, 1968 को क्रिसमस की पूर्व संध्या पर चंद्रमा के चारों ओर कक्षा से पृथ्वी की इस प्रतिष्ठित तस्वीर को खींचा था। पृथ्वी के महाद्वीप – सौर मंडल में अद्वितीय – दिखाई दे रहे हैं, जो समुद्र से ऊपर उठ रहे हैं। साभार: नासा

नए प्रयोग शुष्क भूमि को जन्म देने वाले गुणों के सामान्य स्पष्टीकरण के बारे में प्रश्न उठाते हैं।

हालांकि सौर मंडल में अन्य ग्रहों की तुलना में पृथ्वी को जीवन के लिए अधिक मेहमाननवाज जगह बनाने में एक महत्वपूर्ण कारक, महाद्वीपों की अनूठी उत्पत्ति और विशेषताएं, और ग्रह की पपड़ी के बड़े हिस्से, काफी हद तक एक रहस्य बने हुए हैं।

स्मिथसोनियन नेशनल म्यूज़ियम ऑफ़ नेचुरल हिस्ट्री में एलिजाबेथ कॉटरेल, अनुसंधान भूविज्ञानी और चट्टानों के क्यूरेटर, और संग्रहालय में मेगन हॉलिकक्रॉस, पीटर बक फेलो और नेशनल साइंस फाउंडेशन फेलो और अब कॉर्नेल विश्वविद्यालय में एक सहायक प्रोफेसर द्वारा किए गए एक अध्ययन ने हमारे ज्ञान को उन्नत किया है। समुद्री क्रस्ट की तुलना में निम्न लौह सामग्री और महाद्वीपीय क्रस्ट के उच्च रेडॉक्स स्तर से संबंधित एक व्यापक रूप से आयोजित सिद्धांत का परीक्षण और खंडन करके पृथ्वी की पपड़ी।

महाद्वीपीय क्रस्ट में लोहे की खराब संरचना एक प्रमुख कारण है कि पृथ्वी की सतह के विशाल हिस्से शुष्क भूमि के रूप में समुद्र तल से ऊपर खड़े हैं, जिससे आज स्थलीय जीवन संभव है।

अध्ययन हाल ही में जर्नल में प्रकाशित हुआ है विज्ञानयह दिखाने के लिए प्रयोगशाला प्रयोगों का उपयोग करता है कि पृथ्वी की महाद्वीपीय पपड़ी के विशिष्ट लौह-घटाने वाले ऑक्सीडेटिव रसायन विज्ञान की संभावना खनिज कैल्सेडनी के क्रिस्टलीकरण से नहीं आई है, सामान्य व्याख्या 2018 में प्रस्तावित

महाद्वीपीय आर्क ज्वालामुखी के रूप में जाने जाने वाले महाद्वीपीय आर्क ज्वालामुखी के रूप में जाने जाने वाले पृथ्वी के भीतर गहरे से नए महाद्वीपीय परत के निर्माण खंड, जो सबडक्शन जोन में पाए जाते हैं जहां महाद्वीपीय प्लेट के नीचे एक समुद्री प्लेट डूब जाती है। महाद्वीपीय पपड़ी में लोहे की क्षीण और ऑक्सीकृत स्थिति के बारे में गार्नेट की व्याख्या में, इन महाद्वीपीय ज्वालामुखियों के नीचे मैग्मा में गार्नेट का क्रिस्टलीकरण पृथ्वी की प्लेटों से गैर-ऑक्सीडित लोहे (कम या फेरिक, जैसा कि वैज्ञानिकों के बीच जाना जाता है) को हटाता है, लोहे को कम करता है। उसी समय। मैग्मा पिघला हुआ लोहा इसे और अधिक ऑक्सीकृत करता है।

इस अध्ययन के लिए किए गए एक प्रयोग से माइक्रोग्राफ। छवि में ग्लास (भूरा), बड़ा अगेट (गुलाबी), और अन्य छोटे खनिज क्रिस्टल होते हैं। चीनी क्रिस्टल के आकार के बारे में देखने का क्षेत्र 410 माइक्रोन चौड़ा है। श्रेय: जे. मैकफ़र्सन और ई. कॉटरेल, स्मिथसोनियन

समुद्री पपड़ी के सापेक्ष पृथ्वी की महाद्वीपीय परत में लोहे की मात्रा में कमी का एक प्रमुख परिणाम यह है कि यह महाद्वीपों को कम घना और अधिक उत्प्लावक बनाता है, जिससे महाद्वीपीय प्लेटें महासागरीय प्लेटों से ग्रह के आवरण से ऊपर उठती हैं। घनत्व और उछाल में यह विसंगति एक प्रमुख कारण है कि क्यों महाद्वीपों में शुष्क भूमि होती है जबकि समुद्री क्रस्ट पानी के नीचे होते हैं, और क्यों महाद्वीपीय प्लेटें हमेशा शीर्ष पर दिखाई देती हैं जब वे सबडक्शन क्षेत्रों में महासागरीय प्लेटों से मिलती हैं।

मैग्मा कॉन्टिनेंटल आर्क में लोहे की कमी और ऑक्सीकरण के लिए गार्नेट की व्याख्या कायल थी, लेकिन कॉटरेल ने कहा कि इसका एक पहलू उसे फिट नहीं था।

“आपको एगेट को स्थिर बनाने के लिए उच्च दबाव की आवश्यकता होती है, और आप इन लो-आयरन मैग्मास को उन जगहों पर पाते हैं जहाँ पपड़ी उतनी मोटी नहीं होती है, इसलिए दबाव बहुत अधिक नहीं होता है,” उसने कहा।

2018 में, कॉटरेल और उनके सहयोगियों ने यह परीक्षण करने का एक तरीका खोजा कि क्या इन चाप ज्वालामुखियों के नीचे गहराई पर गार्नेट का क्रिस्टलीकरण वास्तव में महाद्वीपीय क्रस्ट के गठन की प्रक्रिया के लिए आवश्यक था जैसा कि समझा गया था। इसे प्राप्त करने के लिए, Cottrell और Holicros को प्रयोगशाला में पृथ्वी की पपड़ी की अत्यधिक गर्मी और दबाव को दोहराने के तरीके खोजने थे, फिर ऐसी संवेदनशील तकनीकें विकसित करनी थीं जो न केवल यह माप सकें कि कितना लोहा मौजूद है, बल्कि उस लोहे के ऑक्सीकरण के बीच अंतर करने के लिए भी।

महाद्वीपीय चाप ज्वालामुखियों के नीचे पाए जाने वाले भारी दबाव और गर्मी को फिर से बनाने के लिए, टीम ने संग्रहालय की उच्च दबाव वाली प्रयोगशाला और कॉर्नेल में तथाकथित पिस्टन सिलेंडर प्रेस का इस्तेमाल किया। एक हाइड्रोलिक पिस्टन सिलेंडर का पिस्टन एक मिनी-फ्रिज के आकार का होता है और यह ज्यादातर अविश्वसनीय रूप से मोटे और मजबूत स्टील और टंगस्टन कार्बाइड से बना होता है। एक बड़े हाइड्रोलिक पिस्टन द्वारा लगाए गए बल के परिणामस्वरूप छोटे चट्टान के नमूनों पर बहुत अधिक दबाव होता है, आकार में एक घन मिलीमीटर के बारे में। असेंबली में रॉक सैंपल के आसपास के इलेक्ट्रिकल और थर्मल इंसुलेटर के साथ-साथ एक बेलनाकार भट्टी भी होती है। पिस्टन-सिलेंडर प्रेस और हीटिंग सेट का संयोजन उन प्रयोगों की अनुमति देता है जो ज्वालामुखियों के नीचे पाए जाने वाले बहुत उच्च दबाव के स्तर और तापमान तक पहुँच सकते हैं।

एलिजाबेथ कॉटरेल, अनुसंधान भूविज्ञानी और स्मिथसोनियन इंस्टीट्यूशन के प्राकृतिक इतिहास के राष्ट्रीय संग्रहालय में चट्टानों के क्यूरेटर, अपने संग्रहालय प्रयोगशाला में एक प्रयोग अपलोड करते हैं। क्रेडिट: जेनिफर रेंटेरिया, स्मिथसोनियन

13 अलग-अलग प्रयोगों में, Cottrell और Holicros ने दबाव और तापमान के तहत एक पिस्टन सिलेंडर प्रेस के अंदर पिघली हुई चट्टान के गार्नेट के नमूनों को पृथ्वी की पपड़ी में गहरे मैग्मा कक्षों के अंदर स्थितियों का अनुकरण करने के लिए डिज़ाइन किया। प्रयोगों में उपयोग किए गए दबाव 1.5 से 3 गिगापास्कल तक थे – लगभग 15,000 से 30,000 पृथ्वी दबाव, या सोडा कैन के अंदर के दबाव से 8,000 गुना अधिक। तापमान 950 से 1230 डिग्री तक था[{” 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.