С незапамятных времен уран был частью Земли и, благодаря своей долгоживущей радиоактивности, оказался идеальным для определения геологических процессов и определения эволюции Земли. Природный уран состоит из двух долгоживущих изотопов урана-238 и более легкого урана-235.
Новое исследование глобального цикла этих изотопов урана открывает дополнительные перспективы для дискуссии о том, как Земля изменилась за миллиарды лет, как показано в недавно опубликованном исследовании в журнале Nature.
С ранней истории Земли континентальная кора (толстая твердая внешняя оболочка Земли, на которой мы живем) накапливала массу из лежащей под ней горячей мантии. Однако большая часть новообразованной корки снова теряется. На срединно-океанических хребтах на дне океана, где плиты расходятся, новая океаническая кора постоянно образуется в виде базальтовых пород, когда горячая вулканическая лава выходит из мантии и затвердевает.
Океаническая кора удаляется от срединно-океанических хребтов и в конечном итоге переносится обратно в нижележащую мантию через «субдукцию» в океанических желобах.
Уран обогащен породами континентальной коры; однако на поверхности Земли различные среды со временем повлияли на ее подвижность. В бескислородной атмосфере, которая преобладала на ранней Земле, уран оставался неподвижным в горных породах, как четырехвалентный уран (IV). Только после образования атмосферного кислорода уран окислился до своего подвижного шестивалентного урана (VI).
Этот более подвижный уран может затем выделяться во время выветривания и разрушения горных пород и переноситься в океаны в водной форме. По мере того, как остывающая океаническая кора удаляется от срединно-океанических хребтов в океанах, морская вода в конечном итоге просачивается через трещины в ее породах, и в процессе уран включается в океаническую кору, подобно тому, как губка впитывает воду.
«Радиоактивная природа изотопов урана уже давно играет ключевую роль в реконструкции ранней истории Земли, но теперь мы видим, что у них есть и другая история, — объясняет Мортен Андерсен, геохимик из Департамента наук о Земле ETH Zurich.
Изотопы урана образуют особые сигнатуры
Для этой работы, проводившейся в Бристольском университете, в том числе Мортеном Андерсеном (ныне Earth Science, ETH Zurich) вместе с исследователями из Дарема (Великобритания), Вайоминга и Род-Айленда (США), использовался «отпечаток пальца» в соотношении два изотопа урана.
Конкретный «отпечаток пальца», полученный из соотношения изотопов урана, относится к процессам окисления урана на поверхности Земли.
В частности, исследователи обнаружили, что более высокое соотношение урана-238 и урана-235 включено в современную океаническую кору, по сравнению с сигнатурой изотопа урана, обнаруженной в метеоритах. Метеориты представляют собой «строительные блоки» Земли и, таким образом, дают исходный изотопный состав урана Земли в целом, а также ненарушенную мантию. Этот изотопный «отпечаток» изотопа урана измененной океанической коры позволяет проследить уран, который переместился с поверхности обратно в недра Земли в результате субдукции.
Чтобы изучить урановый цикл (и цикл горных пород), исследователи проанализировали базальты срединно-океанических хребтов (MORB), горячую вулканическую лаву, которая образуется из верхней и хорошо перемешанной части мантии.
Соотношение изотопов урана в MORB можно сравнить с соотношениями, обнаруженными в базальтах океанических островов в таких местах, как Гавайи и Канарские острова. Эти острова представляют собой так называемые «горячие точки» с лавой, образованной из горячих мантийных шлейфов, которые находятся глубоко под океанической корой. По сравнению с мантией MORB, островные базальты состоят из материала, перенесенного на поверхность из гораздо более глубоких, менее перемешанных мантийных источников.
Тяжелый уран с поверхности на глубину
Изотопные отношения урана-238 к урану-235 значительно выше для MORB, чем для базальтов океанических островов. Соотношения также выше, чем в метеоритах. Это говорит о том, что MORB содержат «отпечаток пальца» урана из океанической коры, вытянутый с поверхности в верхнюю часть мантии Земли посредством субдукции, согласно Андерсену.
Вследствие конвекции — медленных движений материала в верхней мантии — материал в конечном итоге перемешивался и переносился в район срединно-океанических хребтов и переносился обратно на поверхность в лавах, составляющих MORB.
Напротив, отношения урана-238 к урану-235 в островных базальтах соответствуют таковым в метеоритах, использованных в исследовании, и показали, что эти породы не могут иметь тот же мантийный источник, что и MORB.
Исследователи объясняют, что лава океанических островов происходит из более глубокого, менее смешанного, мантийного источника, и поэтому любой уран, добавленный с поверхности, происходит из гораздо более раннего времени в истории Земли, когда окружающая среда на поверхности сильно отличалась от сегодняшней.
Соавтор исследования Хейе Фреймут из Бристольского университета объясняет: «Хотя уран был включен в океаническую кору с момента первоначального повышения содержания кислорода в атмосфере примерно на 2 градуса.4 миллиарда лет назад в океанской коре не было большого количества урана-238, поскольку в океанах еще не было достаточных запасов кислорода."
Только во время второго заметного увеличения содержания кислорода в атмосфере 600 миллионов лет назад глубоководный океан полностью окислился, что позволило океанической коре получить "отпечаток пальца" высокого содержания урана-238. Итак, несмотря на то, что океаническая кора была перенесена в мантию Земли в течение длительного времени, соотношение изотопов урана в субдуцированной океанической коре впервые отличалось от мантии Земли только после полного окисления океанов.
«Важным результатом этого исследования является то, как изменение условий на поверхности Земли и увеличение содержания кислорода в атмосфере повлияли на состав глубин Земли. Наши результаты показывают, что из-за изменений, произошедших за последние 600 миллионов лет, уран был мобилизован с поверхности, перенесен в недра Земли и распределен внутри мантии », — говорит Андерсен.
Горячие споры о ранних днях Земли
Изучение урана и цикла земной коры открывает новые перспективы для дискуссии о том, как облик Земли изменился за миллиарды лет. «В настоящее время это одна из самых горячих тем для исследователей Земли», — отмечает Андерсен.
Особенно оживленные дискуссии идут о том, как изменилась концентрация кислорода в атмосфере; в конце концов, это связано со многими другими геологическими процессами выветривания, включая судьбу урана. Настоящее исследование в основном представляет собой фундаментальное исследование в относительно молодой исследовательской области. Выявленные сигнатуры изотопов урана в будущем могут быть использованы в коммерческих целях для обнаружения неизвестных залежей урана и помощи в понимании процессов мобильности урана. Первая фундаментальная научная работа, указывающая на способность урана-238 к вариации урана-235 на Земле, была опубликована в 2007 году.
Исследование Андерсена и его коллег — первое, в котором соотношение изотопов урана используется для изучения вулканической породы и применяется к процессу переработки в глубинах Земли.