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.
Заведующий лабораторией генетической минералогии и петрологии ДВГИ ДВО РАН 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 – 32S и 34S – хорошо изучены, но 33S и 36S 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. Его проект тематически соприкасается с проектом карельских ученых под руководством доктора геолого-минералогических наук Александра Слабунова.
– 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 Сергей Высоцкий.
Ученые в экспедиции
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, H2S, который затем участвовал в образовании аутигенного – осадочного – пирита. Бактериальный сероводород имел повышенную долю легкого изотопа серы в H2S 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: Олег Максимов, Мария Дмитриева
