Проаналізувавши вміст і ізотопні співвідношення ртуті в сланцях з давньої платформи Пілбара в Західній Австралії, геохіміки дійшли висновку про існування зв'язку між вулканізмом і ранніми сплесками концентрації кисню в океанах Землі в архейському еоні. Вивітрювання базальтів, що утворилися до інтервалу оксигенації, відзначеного близько 2,45 мільярда років тому, призвело до надходження в океан значної кількості фосфору та інших поживних речовин. Їх приплив сприяв зростанню біологічної продуктивності, результатом чого стало підвищення рівня кисню. Про дослідження повідомляє стаття в журналі.
Первинна атмосфера сформувалася в ході дегазації надр молодої Землі при вулканічних виверженнях і носила відновлювальний характер. До її складу входили водяні пари, вуглекислота, метан, аміак, сірководень, так звані «кислі дими» (сполуки HF, HCl та інші, що утворюють при розчиненні у воді галогенові кислоти). Кисень почав надходити спочатку в океан, а потім і в земну атмосферу в результаті діяльності ранніх організмів - оксигенних фотосинтетиків, першими з яких вважаються ціанобактерії.
Дослідження осадових порід, що містять сліди стародавнього життя у формі зсуву співвідношення ізотопів вуглецю 13C і 12C, які по-різному фіксуються фотосинтетиками, і у вигляді строматолітів (викопних залишків ціанобактеріальних спільнот), показують, що організми, які продукують кисень, з'явилися на Землі, мабуть, дуже рано. Перші достовірні ознаки їх існування виявлені у формації Дрессер в межах кратона Пілбара (Західна Австралія). Їх вік оцінюється в 3,48 мільярда років. Відомі і більш стародавні знахідки у формаціях Ісуа (Гренландія) віком приблизно 3,7 мільярда років, Нуввуагіттук у Квебеку (Канада), датовані часом між 4,3 і 3,7 мільярда років, а також на півночі Лабрадора (Канада) віком близько 3,95 мільярда років, але їх інтерпретація поки носить можливий характер.
Серйозного впливу на стан земної атмосфери найперші кисневі фотосинтетики не чинили. Стійко-окислювальною атмосфера стала, мабуть, на початку протерозою, протягом проміжку часу від 2,45 до 2 мільярдів років тому, коли концентрація кисню встановилася на рівні точки Пастера (близько одного відсотка від сучасного вмісту). При такій концентрації факультативні анаероби - організми, здатні жити як в безкислородному, так і в кисневому середовищі - переходять від ферментації (бродіння) до енергетично більш вигідного дихання. Цей етап в еволюції атмосфери отримав назву «Великої кисневої події». Однак в даний час вченим ясно, що насправді це був тривалий процес, в ході якого вміст кисню відрізнялося непостійством, і його зрушення до точки Пастера далеко не відразу набув глобального характеру.
Провідна роль у цьому процесі належала, очевидно, геологічним явищам, і в першу чергу варіаціям інтенсивності вулканічної активності. Біологічні сплески і пов'язані з ними події оксигенації (викиди кисню) проявлялися як відгук на зміни геохімії, викликані діяльністю вулканів і подальшою долею вулканічних продуктів в океані і на суші.
Дослідники з Великобританії і США на чолі з Яною Мейкснеровою (Jana Meixnerov^) з Вашингтоського університету в Сіетлі проаналізували, як у геохімічному складі відображаються зміни в режимі вулканізму та ерозії вулканогенних порід. Для цього вони вивчили коливання співвідношення стабільних ізотопів ртуті в піритвмісних чорних сланцях віком близько 2,5 мільярда років з формації Маунт-Макрей з південної околиці західно-австралійського кратону Пілбара. Дослідження зазнали 44 зразки, відібраних у сланцевому масиві на глибинах стратиграфічного розрізу від 125 до 190 метрів. Потім вчені співвіднесли отримані результати з даними про зростання оксигенації 2,45 мільярда років тому, відомими за показниками вмісту загального органічного вуглецю (TOC), сірки, фосфору, алюмінію, заліза і молібдену.
Атомарна ртуть надходить в океан і в атмосферу при вулканічних виверженнях. У воді вона нерозчинна, але в атмосфері під дією сонячного ультрафіолету атоми ртуті іонізуються і набувають високої реакційної здатності. Потрапляючи у складі опадів на поверхню, вони адсорбуються органічними молекулами або сульфідними мінералами і потрапляють в осадові відкладення. В архейському еоні, практично за відсутності озонового шару, час існування газоподібної ртуті в атмосфері був, мабуть, досить коротким.
Стабільні ізотопи ртуті в природі можуть піддаватися як мас-залежному (MDF, mass-dependent fractionation), так і мас-незалежному (MIF, mass-independent fractionation) фракціонуванню. Характер останнього визначається чітністю або непарністю масового числа ізотопу. У той час як MDF-процес асоційований з більшістю абіотичних і біотичних варіантів ртутного геохімічного циклу, мас-незалежне фракціонування вимагає різних умов. MIF парних ізотопів ртуті (В'200Hg і В'204Hg) протікає при фотохімічних перетвореннях на тропопаузі або стратосфері, а непарних (В'199Hg і 201Hg) - в нижній атмосфері і в поверхневих водах. Тому з його допомогою можна розрізнити стародавні прояви підводного і субаерального вулканізму, а також дізнатися, чи затримувався ультрафіолет озоновим шаром, тобто отримати уявлення про кисневу обстановку.
Вчені виявили два піку вмісту ртуті в зразках, відібраних на глибинах 173,5 і 137,31 метра. Тривалість тимчасового інтервалу між утворенням осадових шарів, що містять ці максимуми, становить близько 4,9 мільйона років. Для нижнього, більш стародавнього шару характерні позитивні ізотопні мітки В'199Hg і 201Hg, що відповідають накопиченню вулканогенної ртуті, яка піддається впливу УФ-променів поблизу земної поверхні. Ця частина масиву збіднена редокс-індикаторами (мікроелементами, чутливими до зміни окислювально-відновлювального потенціалу), такими як молібден. Крім того, вона демонструє низький вміст фосфору і менший, ніж у верхньому викиді, показник рівня загального органічного вуглецю. Очевидно, значної оксигенації в цей час не відбувалося, а вулканічна активність була високою.
У верхньому шарі Мейкснерова з колегами відзначили негативні значення співвідношень фракціонування для непарних ізотопів 199Hg і 201Hg, а сигнатура В'200Hg відрізнялася невеликою позитивною аномалією. При цьому в осадовій породі підвищено вміст молібдену, сірки, фосфору та вуглецю органічного походження. Дослідники припустили, що в цей пізніший період стався сплеск біологічної продуктивності, що супроводжувався зростанням концентрації кисню, а основним джерелом ртуті в опадах в цей час було окислювальне вивітрювання.
Ерозія повинна була торкнутися нещодавно сформовані вулканогенні базальтові масиви, з яких в океан потрапляли поживні речовини, в першу чергу фосфор. Вони стимулювали активність фотосинтезуючих організмів. Вулканічна діяльність в Маунт-Макрей в цю епоху, мабуть, припинилася. Тимчасовий проміжок у 4,9 мільйона років між подіями, відзначеними підвищеною сигнатурою ртуті, узгоджується із середнім терміном існування великих вулканічних провінцій - від одного до п'яти мільйонів років.
Ізотопний аналіз дає можливість уявити, як в археї ініціювалися сплески біологічної активності, що призводили до утворення «кисневих кишень» в атмосфері Землі. Вулкани напрацьовували твердий матеріал, що містить необхідні для життя мікроелементи. У наступні, більш спокійні епохи він вимивався в океан, де служив джерелом продуктивності стародавньої біосфери. Автори дослідження вважають, що цей механізм зіграв провідну роль не тільки в періоди локальних підвищень концентрації кисню, але і в становленні стійко-окислювальних умов в глобальному масштабі на початку протерозою.
Раніше вчені розповіли про те, що ізотопний аналіз ксенона в породах віком три мільярди років може допомогти у визначенні складу архейської атмосфери, встановили, що в ранньому археї поверхня Землі була покрита глобальним океаном, і з'ясували, що кожен з класів ціанобактерій самостійно винайшов кисневе дихання.