ร้อยละยี่สิบเอ็ดของชั้นบรรยากาศโลก ประกอบด้วยองค์ประกอบที่ช่วยให้โลกเป็นดาวเคราะห์ที่น่าอยู่ แต่ในอดีตลึกลงไป ย้อนกลับไปในมหายุคนีโออาร์เคียน (Neoarchean) 2.8 – 2.5 พันล้านปีก่อน โลกใบเดียวกันนี้เกือบจะไม่มีสิ่งนี้…แล้วชั้นบรรยากาศของโลกได้รับออกซิเจนได้อย่างไร?
งานวิจัยซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature Geoscience ได้เพิ่มความเป็นไปได้ใหม่ที่น่าเชื่อถือ นั่นคืออย่างน้อยออกซิเจนในยุคแรกเริ่มของโลก ส่วนหนึ่งมาจากแหล่งเปลือกโลกผ่านการเคลื่อนตัวและการทำลายเปลือกโลก
บรมยุคอาร์เคียน (Archean)
ยุคอาร์เคียนเป็นยุคสมัยที่แสนยาวนาน หนึ่งในสามของประวัติศาสตร์โลกของเราอยู่ในยุคอาร์เคียน ตั้งแต่ 2.5 พันล้านปีก่อนถึง 4 พันล้านปีก่อน
ดาวเคราะห์ที่เป็นโลกแห่งน้ำ เต็มไปด้วยมหาสมุทรสีเขียวและปกคลุมด้วยหมอกมีเทน เป็นยุคที่ยังขาดสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์โดยสิ้นเชิง ในเวลานั้นโลกยังเต็มไปด้วยการเคลื่อนตัวของเปลือกโลก
ในโลกสมัยใหม่ การเคลื่อนตัวของเปลือกโลกเราจะเรียกว่า “การเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลก” โดยที่เปลือกโลกซึ่งเป็นชั้นนอกสุดของโลกจะจมลงสู่เนื้อโลก (พื้นที่ระหว่างเปลือกโลกกับแกนกลาง) ที่จุดบรรจบกันจะเรียกว่าโซนมุดตัว
คุณลักษณะหนึ่งของโซนมุดตัวสมัยใหม่คือ การเชื่อมโยงกับแมกมาออกซิไดซ์ …แมกมาเหล่านี้จะก่อตัวขึ้นเมื่อตะกอนออกซิไดซ์และน้ำด้านล่าง ซึ่งก็คือน้ำเย็นและหนาแน่นใกล้พื้นมหาสมุทร ถูกนำเข้าสู่ชั้นเนื้อโลก สิ่งนี้ทำให้เกิดแมกมาที่มีออกซิเจนและน้ำในปริมาณสูง
การทดลอง
นักวิจัยเก็บตัวอย่างหินแกรนิตอายุ 2,750 – 2,670 ล้านปี จากทั่วภูมิภาคย่อย Abitibi-Wawa ของ Superior Province ซึ่งเป็นทวีปอาร์เคียน สิ่งนี้ทำให้สามารถตรวจสอบระดับการเกิดออกซิเดชัน ของแมกมาที่เกิดขึ้นในยุคมหายุคนีโออาร์เคียนได้
การวัดสถานะออกซิเดชันของหินหนืดเหล่านี้ ซึ่งเกิดขึ้นจากการเย็นตัวและการตกผลึกของแมกมาหรือลาวา ถือเป็นสิ่งที่ท้าทาย เหตุการณ์หลังการตกผลึกอาจเปลี่ยนแปลงหินเหล่านี้ผ่านการเปลี่ยนรูป การฝังหรือความร้อนในภายหลัง
ดังนั้นเราจึงตัดสินใจที่จะดูแร่อะพาไทต์ (Apatite) ที่มีอยู่ในผลึกเพทาย (Zircon) ในหินเหล่านี้ ผลึกเพทายสามารถทนต่ออุณหภูมิและแรงกดดันที่รุนแรงจากเหตุการณ์หลังการตกผลึกได้ สิ่งนี้ช่วยเก็บเงื่อนงำเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่มันก่อตัวขึ้นและระบุอายุที่แม่นยำสำหรับหินเอง
ผลึกของอะพาไทต์ขนาดเล็กที่มีความกว้างน้อยกว่า 30 ไมครอน ซึ่งเป็นขนาดของเซลล์ผิวหนังของมนุษย์ จะถูกขังอยู่ในผลึกเพทาย พวกมันมีกำมะถันอยู่ และจากการวัดปริมาณของกำมะถันในอะพาไทต์ เราสามารถระบุได้ว่าอะพาไทต์เติบโตจากแมกมาที่ถูกออกซิไดซ์หรือไม่
จากนั้นเราจะสามารถวัดปริมาณออกซิเจนในแมกมาดั้งเดิมได้สำเร็จ โดยใช้เทคนิคพิเศษที่เรียกว่า X-ray Absorption Near Edge Structure Spectroscopy ( S-XANES ) ที่เครื่องซิงโครตรอนแหล่งกำเนิดโฟตอนขั้นสูง ที่ Argonne National Laboratory ในรัฐอิลลินอยส์
ในการค้นพบใหม่นี้ บ่งชี้ว่าแมกมาที่ถูกออกซิไดซ์ก่อตัวขึ้นในมหายุคนีโออาร์เคียน เมื่อ 2.7 พันล้านปีก่อน ข้อมูลนี้แสดงให้เห็นว่า การขาดออกซิเจนที่ละลายในมหาสมุทรของยุคอาร์เคียน ไม่ได้ป้องกันการก่อตัวของแมกมาออกซิไดซ์ที่อุดมด้วยกำมะถันในเขตมุดตัว ด้วยเหตุนี้ ออกซิเจนในแมกมาเหล่านี้ต้องมาจากแหล่งอื่น และท้ายที่สุดก็ถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศระหว่างการปะทุของภูเขาไฟ
ความหมายของแมกมาที่ถูกออกซิไดซ์เหล่านี้ เกินกว่าความเข้าใจของธรณีพลศาสตร์ของโลกในยุคแรกเริ่ม ก่อนหน้านี้คิดว่าไม่น่าเป็นไปได้ที่แมกมาอาร์เคียนจะถูกออกซิไดซ์ เมื่อน้ำในมหาสมุทรและชั้นหินหรือตะกอนในมหาสมุทรไม่ได้ถูกออกซิไดซ์
การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าการมุดตัวของอาร์เคียน อาจเป็นปัจจัยที่สำคัญและคาดไม่ถึงในการเติมออกซิเจนของโลก ซึ่งเป็นการฟุ้งกระจายของออกซิเจนในช่วงต้นเมื่อ 2.7 พันล้านปีก่อน และเหตุการณ์ออกซิเดชันครั้งใหญ่ด้วย ซึ่งทำให้ออกซิเจนในชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้น 2 เปอร์เซ็นต์
เท่าที่เราทราบโลกเป็นสถานที่แห่งเดียวในระบบสุริยะ ทั้งในอดีตและปัจจุบันที่มีการเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลก และการมุดตัวแบบแอคทีฟ สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่า การศึกษานี้สามารถอธิบายการขาดออกซิเจนและสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์หินดวงอื่นในอนาคตได้เช่นกัน
