Ученые из Приморского края и Карелии изучают древние породы
Костомукшского железнорудного месторождения. Уникальная установка,
созданная во Владивостоке, позволяет провести мультиизотопный анализ
серы, входящей в их состав. Полученные данные могут рассказать о том, в
какой среде формировалась наша планета в ранний период своей истории, и
уточнить условия существования первых живых организмов 2,7 миллиарда
лет назад.
В журнале «Доклады Российской академии наук» вышла научная статья,
посвященная происхождению серы в образцах из железнорудных
месторождений на западе Карелии возрастом около 2,7 миллиарда лет.
Ученые из Приморского края и Карелии доказали, что сера для минералов в
местных железистых формациях поступала из трех источников: из
атмосферы, морской воды и магмы вулканов. При этом часть серы была
переработана микробами, которые использовали ее для своего питания и
дыхания.
Эта работа – важная веха большого исследования, которое ведут российские
ученые в области геологии около двадцати лет. Ее результаты помогут
получить новые знания о ранних этапах зарождения и развития планеты и
жизни на Земле.
– То, что мы изучаем, касается одной из самых животрепещущих проблем в
науке – ранней истории Земли, в период от самого начала до 2,3 миллиарда
лет. Мы пытаемся восстановить, во-первых, какими были атмосфера и вода,
то есть внешние условия, которые существовали тогда на планете. И
уточнить данные о наличии жизни. Для этого мы используем стабильные
изотопы трех элементов – кислорода, углерода и серы, – рассказал доктор
геолого-минералогических наук Сергей Высоцкий.
В начале 2000-х годов в мировой науке была обнаружена аномалия:
оказалось, что в породах старше 2,3 млрд лет изотопы серы не подчиняются
существующему физическому закону масс-зависимости. Это связали с
ультрафиолетом, который в отсутствие озонового слоя интенсивно поступал
на Землю и влиял на геохимию.
В 2005 году исследователи из Владивостока не только стали искать образцы с
подобной аномалией на территории России, но и создали уникальную для
страны лазерную установку, которая позволяет проводить мультиизотопный
анализ химических элементов. Например, у серы четыре стабильных изотопа
(разновидности атомов одного химического элемента, отличающиеся числом
нейтронов в ядре). Два из них – 32 S и 34 S – хорошо изучены, но 33 S и 36 S
встречаются в природе в крайне малых количествах, и далеко не каждое
оборудование позволяет их отследить. Разработка приморских ученых
позволяет анализировать любые концентрации всех изотопов серы,
кислорода, углерода и водорода.
В 2021–2023 годах под руководством заведующего лаборатории генетической
минералогии и петрологии Дальневосточного геологического института ДВО
РАН (Приморский край) Сергея Высоцкого по гранту РНФ реализуется
научный проект. В рамках него ученые с помощью мультиизотопного анализа
исследуют образцы из месторождений на территории Карелии. Наряду с
исследователями из Приморья в проекте участвует научный сотрудник
Института геологии КарНЦ РАН Наталья Нестерова.
В июне этого года Сергей Высоцкий совместно с коллегами из Карельского
научного центра РАН совершил экспедицию в Костомукшский городской
округ для поиска новых образцов.
– Наш проект тематически соприкасается с исследованием карельских
ученых. В лаборатории геологии и геодинамики докембрия Института
геологии КарНЦ РАН определяют возраст пород на основе радиогенных
изотопов, а мы анализируем поведение стабильных изотопов. Это огромный
объем работы, который невозможен в рамках одного исследования.
Замечательно, что у нас есть возможность сотрудничать и дополнять друг
друга, – отметил ученый.
На геологической карте России Карелия известна древними породами,
благодаря своему расположению на Фенноскандинавском щите. Минералы из
железорудных месторождений Костомукши датируются возрастом от 2,7
млрд лет. В то время на планете активно действовали вулканы, и серы было в
избытке – как в раскаленной магме под водой, так и в атмосфере, которая с
осадками попадала в моря. Причем, в первом случае сера не оказывалась под
воздействием ультрафиолетового света, а значит изотопной аномалии –
атмосферной метки – не наблюдается. Во-втором, напротив, химические
соединения активно облучались, и атмосферная метка проявилась. Таким
образом, изучая сегодня изотопы серы, ученые могут понять, откуда она
взялась: из магмы или атмосферы и воды.
Изотопный анализ позволяет установить еще один важный фактор: участие
первых живых организмов в древнем рудообразовании. В процессе своей
жизнедеятельности бактерии перерабатывали соединения серы, что
приводило к образованию метаболического сероводорода, H 2 S, который затем
участвовал в образовании аутигенного – осадочного – пирита. Бактериальный
сероводород имел повышенную долю легкого изотопа серы в H 2 S по
сравнению с атмосферной, но одновременно сохранял атмосферную метку.
Так, на примере карельских месторождений с помощью мультиизотопного
анализа удалось установить биологический вклад в появление серы.
Результаты исследования ранее были опубликованы в международном
журнале Minerals.
По словам ученых, факт существования микроорганизмов в архее – самом
раннем этапе истории Земли – сегодня хорошо установлен. Однако, меньше
известно о сообществах бактерий, которые могли использовать соединения
серы для питания и дыхания в тех условиях.
Эти данные не только обогащают фундаментальную науку новыми
теоретическими знаниями об истории планеты, но в перспективе могут быть
применимы на практике. Сведения о гидротермальном происхождении
колчеданных месторождений, например, золота, можно использовать для
более эффективной разведки и поиска подобных залежей поблизости.
Изучение изотопов серы в архейский период тесно связано с еще одной,
захватывающей ученых во всем мире, проблемой – резким насыщением
атмосферы кислородом 2,3 млрд лет назад, так называемой кислородной
катастрофой. По мнению владивостокских специалистов, обнаружение
аномалии, связанной с изотопами кислорода, может помочь пониманию
важнейшего в истории Земли события.
Фото на обложке: руководитель лаборатории генетической минералогии и петрологии
ДВГИ ДВО РАН Сергей Высоцкий и научный сотрудник лаборатории
геологии и геодинамики докембрия Института геологии КарНЦ РАН Наталья
Нестерова (Фото: Олег Максимов / Институт геологии КарНЦ РАН)
КарНЦ РАН, Служба научных коммуникаций
Нет комментариев