Четверть азота попала в биосферу из горных пород
Атмосфера оказалась не единственным для живых организмов на Земле источником азота, как считалось ранее. Проанализировав баланс азота вблизи поверхности Земли, американские геологи пришли к выводу, что до четверти всего азота в природные экосистемы попадает из горных пород земной коры в результате химической и физической эрозии. Уточнение геохимического цикла азота может довольно сильно повлиять, в частности, на оценку объема поглощающегося растениями углекислого газа и прогнозирование климатических изменений на планете, пишут ученые в Science.
Традиционно считалось, что атмосфера — единственный для биосферы источник азота на Земле. Ученые утверждали, что именно атмосферный азот попадает в экосистемы через почву или поглощается растениями, участвуя после этого в различных метаболических процессах. При этом, поскольку азот помогает растениям поглощать из воздуха углекислый газ, геохимический цикл азота оказывается тесно связан с циклом углерода и может оказывать сильное влияние, например, на скорость климатических изменений на планете. Тем не менее, однозначные пути геохимического транспорта азота как на коротких временных масштабах — длительностью от нескольких лет до нескольких веков, — так и на более продолжительных — в сотни и тысячи лет — до конца не изучен и постоянно уточняется.
Группа американских геологов под руководством Бенджамина Хултона (Benjamin Z. Houlton) из Калифорнийского университета в Дейвисе оценила суммарный баланс массы азота на планете с учетом последних экспериментальных данных, чтобы оценить правильность современных моделей и определить, действительно ли атмосфера — единственный для биосферы источник азота. Для этого ученые учли все известные пути транспорта азота между атмосферой, сушей, океаном, земной корой и мантией, включая те оценки, которые были сделаны для осаждения соединений азота в виде твердых минералов из океанской воды для довольно долгих временных интервалов.
Оказалось, что при рассмотрении баланса масс азота с учетом всех известных количественных данных появляется несоответствие в потоке азота величиной от 14 до 34 мегатонн азота в год. Полностью замкнуть такой цикл удается, предположив транспорт азота из горных пород земной коры в почву и биосферу. Геологи объясняют возможность такого транспорта химической и физической эрозией, благодаря которой он попадает в почву и воздух, после чего становится участником метаболических циклов в живых организмах. По оценкам ученых, доля азота, который попадает в экосистемы из горных пород таким образом, составляет от 8 до 26 процентов (остальная доля приходится на атмосферный азот).
Чтобы проверить это предположение, геологи оценили возможный приток азота из горных пород в атмосферу по всему миру, исходя из данных о содержании азота в поверхностном слое земной коры и возможной подверженности тех или иных горных пород эрозии: как химической (например, в результате взаимодействия с дождевой водой), так и физической (в первую очередь, в результате геологических процессов).
Сделанные качественные оценки подтвердили, что предложенный геологами механизм перехода азота из горных пород в почву и его дальнейшее активное участие в химических процессах, протекающих в природных экосистемах, вполне вероятен.
Авторы исследования отмечают, что обнаруженный ими эффект может быть крайне важным, в частности, для исследования геохимического цикла углерода. Из-за того, что азот активно участвует в механизмах поглощения растениями углекислого газа из атмосферы, учет взаимного влияния углеродного и азотного цикла на Земле помогут уточнить современные геохимические модели и климатические прогнозы, связанные, в частности, с оценкой скорости глобального потепления на планете.
Поглощение углекислого газа тесно связано с путями переноса азота не только на поверхности суши, но и в океане. Например, недавно ученые показали, что значительную часть неорганического углерода, растворенного в темной части океана, поглощают бактерии из группы Nitrospinae, которые получают энергию, окисляя соединения азота.
Александр Дубов
По мнению геохимиков, это произошло около 2,7 миллиарда лет назад
Измерив изотопный состав титана в метеоритах из группы хондритов и в образцах основных и ультраосновных земных пород различного возраста, геохимики обнаружили отрицательный сдвиг в соотношении изотопов, происшедший в период между 3,5 и 2,7 миллиарда лет назад. Исследователи связали его с наступлением эпохи усиленного роста континентальной коры, вызвавшего обеднение верхней мантии литофильными элементами. Сравнив полученные результаты с изотопным составом титана в современных базальтах, происходящих из мантийных источников разной глубины, ученые предположили, что геодинамический механизм, связанный с тектоникой плит, на раннем этапе обеспечивал конвективный перенос вещества лишь в пределах верхней мантии. Нижняя мантия, сохраняющая состав, близкий к примитивному, включилась в глобальный тектонический режим лишь после 2,7 миллиарда лет назад, сообщает статья в журнале Nature. По результатам сейсмических исследований ученые различают в мантии Земли два основных слоя ― верхнюю и нижнюю мантии, разделенные переходной зоной на глубине от 410 до 660 километров. Эти границы возникают за счет перехода слагающих мантию минералов в более плотные высокобарические модификации. В настоящее время благодаря данным сейсмической томографии известно, что через переходную зону происходит перенос вещества: погружающиеся в процессе субдукции слэбы ― фрагменты океанических литосферных плит ― достигают глубин нижней мантии, а подъем вещества может происходить за счет суперплюмов, формирующихся на границе ядра. Однако вопрос о том, как происходил массоперенос на протяжении геологической истории, до сих пор остается слабо изученным. Так, неясно, в какой степени примитивная мантия, соответствующая по составу протопланетному веществу (за вычетом компонентов ядра), на разных глубинах затронута дифференциацией и обеднена литофильными элементами из-за образования коры. Пролить свет на эволюцию мантии могут изотопные исследования. Поскольку степень фракционирования изотопов того или иного литофильного элемента во многом зависит от геодинамических условий, его изотопные соотношения в породах разного происхождения отличаются. Например, с помощью анализа соотношений изотопов гафния и неодима ученые выяснили, что древнейшие участки континентальной коры в австралийском кратоне Пилбара образовались в основном из примитивной мантии. А изучение различий в изотопных сигнатурах инертных газов показало, что в современной мантии могут сохраняться неоднородности, относящиеся к периоду аккреции Земли из протопланетного вещества. Выяснить с помощью изотопных данных, как изменялся геодинамический режим на древней Земле, попытались Чжэнбинь Дэн (Zhengbin Deng) из Копенгагенского университета и его коллеги из Великобритании, Дании, Китая, США, Франции и Швейцарии. Для этого ученые с помощью усовершенствованных аналитических методов определили соотношения стабильных изотопов титана 49Ti/47Ti в 31 образце пород архейского и протерозойского возраста (от 3,8 до 2,0 миллиарда лет), в 21 образце современных базальтов океанических островов и в 24 образцах метеоритного вещества из хондритов разных типов. Вещество хондритов служит для моделирования состава примитивной мантии. Сопоставив полученные результаты с полученными ранее данными об изотопном составе титана в современных базальтах срединно-океанических хребтов и в древнейших континентальных породах, исследователи получили картину изменчивости соотношения 49Ti/47Ti. Выбор титана в качестве маркера геодинамических изменений не случаен. Этот литофильный элемент нерастворим в поверхностных средах и биологически нейтрален, поэтому его изотопный состав невосприимчив к процессам водной эрозии и метаболизма живых организмов. Кроме того, титан демонстрирует заметные различия в степени фракционирования в зависимости от того, насколько дифференцировано вещество в очаге плавления. Так, в кислых магматических резервуарах, образующихся в зонах субдукции или при внедрении в толщу коры мантийного расплава, в кристаллическую фазу поступает материал, обогащенный более тяжелым титаном-49, а в остатке плавления концентрируется титан-47. А вот при образовании очагов плавления ультраосновных пород мантии фракционирования практически не происходит. Начальной точкой в модели эволюции примитивной мантии послужило соотношение 49Ti/47Ti в хондритах. Средневзвешенное значение его отклонения от лабораторного эталона (δ49Ti) составило +0,053 ± 0,005 промилле. В древнейших ультраосновных вулканических породах положительная аномалия титана-49 лишь чуть-чуть выше: от +0,048 ± 0,005 промилле в 3,8-миллиардолетних гренландских метабазальтах до +0,044 ± 0,009 промилле в южноафриканских коматиитах возрастом 3,48 миллиарда лет. По мнению авторов исследования, их источники были близки по составу примитивной мантии и в очень малой степени деплетированы, то есть обеднены литофильными элементами. В период между 3,5 и 2,7 миллиарда лет назад в продуктах ультраосновного и основного вулканизма обнаружился заметный отрицательный сдвиг содержания титана-49: величина δ49Ti снизилась почти до современного уровня для максимально деплетированной мантии (+0,001 ± 0,004 промилле). Зато кислые породы ранних континентальных комплексов из формации Исуа (Гренландия), из района реки Акаста (Канада) и из кратона Каапвааль (Южная Африка) оказались обогащены титаном-49. Положительные аномалии в них распределились в пределах от +0,173 ± 0,030 до +0,570 ± 0,030 промилле. Чжэнбинь Дэн с коллегами предположили, что зарождавшийся в это время новый геодинамический режим, связанный с тектоникой плит, мог поддерживать перенос вещества и переработку древней коры, которая погружалась в локальных зонах субдукции, только в пределах верхней мантии. Расчеты показали, что для обеспечения изотопного сдвига более чем в 0,050 промилле нужно, чтобы в рециклинг коры было вовлечено менее 30 процентов всей массы примитивной мантии. Эта цифра согласуется с массой слоя, лежащего над сейсмической границей на глубине 660 километров. Возможно, связанный с ней фазовый переход препятствовал более глубокому проникновению тонущих слэбов. В результате этот слой становился все беднее литофильными элементами. Сходным высокодеплетированным составом обладают современные магмы, поступающие из верхней мантии в зоны спрединга в районах срединно-океанических хребтов ― так называемые нормальные базальты типа MORB (Mid-Ocean Ridge Basalts). После рубежа около 2,7 миллиарда лет назад ученые обнаружили некоторое повышение содержания изотопа 49Ti в вулканических породах и связали его с вовлечением нижней мантии, сохранившей примитивный состав, в процесс переноса вещества. Исследователи обратили внимание на содержание этого изотопа в современных базальтах другого типа ― OIB (Oceanic Island Basalts), ― которые образуются в зонах океанических островов над «горячими точками». Величина δ49Ti в них на 0,030–0,045 промилле выше, чем в нормальных базальтах типа MORB. По-видимому, в обогащение этих пород титаном-49 вносит свой вклад за счет глобальной конвекции глубокий резервуар вещества примитивной мантии, который сохраняется и в настоящее время, но истощает свой запас литофильных элементов. Ранее N + 1 рассказывал о том, что благодаря высокотемпературной древней мантии Земля в раннем архее могла быть практически полностью покрыта океаном. А еще мы сообщали, что ученые с помощью анализа цирконов уточнили модель образования древнего суперконтинента Нуна.
