Apmēram pirms 2,5–2 miljardiem gadu uz Zemes notika lielākā līdz šim zināmā ķīmiskā pārmaiņa planētas virsmā. Atmosfērā sāka uzkrāties skābeklis, un šis process vēlāk palīdzēja radīt apstākļus sarežģītu organismu, tostarp augu un dzīvnieku, attīstībai aptuveni pirms pusmiljarda gadu.

Skābekļa līmenim pirmoreiz būtiski pieaugot, milzīgs mikroorganismu materiāla daudzums tika aprakts zem jūras dibena. Šādi ieži ieslēdza oglekli un saglabāja neparastu izotopu pazīmi. Gadu desmitiem daudzi zinātnieki šo signālu interpretēja kā pierādījumu tam, ka Zemes oglekļa cikls globālā mērogā bija dramatiski izjaukts.

Šo skaidrojumu atbalstīja urbuma serdeņi — gari cieta ieža cilindri, kas iegūti no dziļiem pazemes slāņiem un senajiem jūras nogulumiem Karēlijā Krievijā un Francevillian baseinā Gabonā. Tomēr jauns Kalifornijas Tehnoloģiju institūta jeb Caltech pētnieku vadīts pētījums liek apšaubīt, vai Krievijas ieži patiešām fiksē planētas mēroga notikumu.

Neparastais signāls varētu būt radies vienā baseinā

“Viena no galvenajām debatēm ir par neparastu oglekļa izotopu signālu, ko bieži interpretē kā pierādījumu pasaules mēroga vides pārmaiņām,” teica Nivedita Thiagarajan, Caltech vecākā zinātniskā pētniece, kura strādā Džona Eilera laboratorijā. Eilers ir Roberta P. Šārpa ģeoloģijas un ģeoķīmijas profesors, kā arī Tedas un Gingeras Dženkinsas vadības katedras vadītājs Ģeoloģijas un planētu zinātņu nodaļā.

Pētnieki analizēja gāzes, kas ieslēgtas mikroskopiskās kabatiņās Zaonegas formācijas iežos Karēlijā — vienā no pasaulē senākajiem zināmajiem fosilās naftas laukiem. Viņu secinājums: oglekļa izotopu signālu šajā nozīmīgajā vietā var izskaidrot lokāli procesi, kas norisinājās vairāku simtu kvadrātkilometru plašā nogulumu baseinā, nevis visā pasaulē.

Thiagarajan ir pētījuma vadošā autore. Darbs publicēts žurnālā Geology, un tajā aprakstīta pārmaiņu secība, ko pētnieki rekonstruējuši Karēlijas iežos pēc pirmā lielā atmosfēras skābekļa pieauguma.

Oglekļa izotopi — smagākas vai vieglākas viena ķīmiskā elementa formas — sniedz informāciju par bioloģiskā materiāla izcelsmi, kas uzkrājies miljardiem gadu senā pagātnē. Mērot šo izotopu relatīvo daudzumu urbuma serdēs, pētnieki var veidot seno vides pārmaiņu hroniku, līdzīgi kā pēc koka gadskārtām iespējams lasīt tā augšanas vēsturi.

Neparastais oglekļa signāls, kas atrasts gan Zaonegas formācijā, gan Gabonas iežos, pazīstams kā Šungas–Francevillian notikums. Zinātnieki to bieži minējuši kā pierādījumu tam, ka aptuveni pirms diviem miljardiem gadu uz Zemes notikusi liela mēroga oglekļa cikla perturbācija.

“Savā ziņā Zeme tajā laikā, kad atmosfērā parādījās skābeklis, kļuva traka. Mēs cenšamies novērtēt Zemes oksigenācijas cēloņus un sekas,” skaidroja Aivo Leplands, Norvēģijas Ģeoloģijas dienesta pētnieks Tronheimā un viens no pētījuma līdzautoriem. “Šī informācija ir saglabāta iežos, tāpēc, lai izpētītu notikušo, ir jāanalizē ieži.”

Magma, ogļūdeņraži un mikrobi jūras dibenā

Lai Šungas–Francevillian notikumu izpētītu no cita skatpunkta, pētnieki analizēja Norvēģijas Ģeoloģijas dienestā glabātos urbuma serdeņus. Viņi pievērsās gāzēm, kas bija noslēgtas mikroskopiskos šķidruma ieslēgumos Zaonegas formācijas paraugos. Šie paraugi bija bagāti ar pirobitumenu.

Zaonegas formācija savulaik bija daļa no jūras nogulumu baseina. Pirobitumens ir nešķīstoša organiska oglekļa forma, kas rodas, apraktai jēlnaftai vai kerogēnam — dabasgāzes izejmateriālam — dziļi zem virsmas intensīvas karsēšanas ietekmē.

Projekts izveidojās pēc Leplanda ierašanās Caltech sabatiskā darba periodā. Viņš bija atvedis jaunu, vēl pilnībā neizskaidrotu izotopu mērījumu kolekciju par Zaonegas iežos ieslēgtajām gāzēm. Tikmēr Thiagarajan un Eilers nesen bija pabeiguši pētījumu par izotopu attiecībām dabasgāzēs, izveidojot plašāku sistēmu dabasgāzes veidošanās izpratnei.

Apvienojot abu pušu zināšanas un datus, pētnieki nonāca pie cita skaidrojuma senajiem izotopu signāliem. Viņu piedāvātais scenārijs paredz, ka Zaonegas formācijā cauri jūras nogulumu slāņiem, kas tolaik atradās zem aizvēsturiska okeāna, izlauzās magmas slānis. Magmas radītais karstums sakarsēja ar organiskām vielām bagātos nogulumus.

Karsēšanas rezultātā izveidojās ogļūdeņraži, tostarp metāns un propāns. Gāzes pārvietojās augšup caur nogulumiem un galu galā sasniedza mikroorganismus, kas dzīvoja netālu no jūras dibena un patērēja metānu. Šie mikroorganismi radīja biomasu ar viegla oglekļa izotopa pazīmi, kas, iespējams, izskaidro iežos saglabājušos neparasto signālu.

Šo scenāriju atbalsta arī temperatūras dati. Pētnieki konstatēja lielu termisko gradientu: temperatūra pie magmas intrūzijas sasniedza aptuveni 350 grādus pēc Celsija, bet senas asfalta noplūdes vietā jūras dibenā, aptuveni 300 metrus augstāk, tā bija samazinājusies līdz aptuveni 72 grādiem pēc Celsija.

Secinājumi maina priekšstatu par Šungas–Francevillian notikumu

“Šī ģeoloģisko un bioloģisko procesu ķēde var izskaidrot neparasto oglekļa izotopu signālu, kas reģistrēts Zaonegas formācijā,” sacīja Thiagarajan. “Bija interesanti redzēt, ka dažas no tām pašām pazīmēm, ko novērojam mūsdienu naftas un gāzes baseinos, ir saglabājušās arī 2 miljardus gadu vecos paraugos.”

Pētnieki uzsver, ka nevar pilnībā izslēgt citu procesu devumu. Tomēr rezultāti liecina, ka Zaonegas oglekļa izotopu anomāliju galvenokārt izraisīja notikumi lokālajā nogulumu baseinā, nevis globāls traucējums.

“Tā kā Zaonega ir Šungas–Francevillian notikuma atsauces vieta, mūsu atklājumi rada būtiskus jautājumus par to, vai tas būtu uzskatāms par pasaules mēroga notikumu,” sacīja Thiagarajan.

Nākamais solis būs noskaidrot, vai tāds pats skaidrojums var attiekties uz līdzīgo izotopu signālu Gabonā. Pētnieki plāno analizēt paraugus, kas iegūti GOE-DEEP projekta laikā. To līdzfinansē Starptautiskā kontinentālās zinātniskās urbšanas programma, un projekta mērķis ir pārbaudīt, vai Krievijā konstatētie lokālie ģeoloģiskie un bioloģiskie procesi ietekmējuši arī Gabonas iežu ierakstu.

2025. gada vasarā Leplands četrus mēnešus pavadīja Gabonā, koordinējot urbšanas kampaņu. Jaunie iegūtie serdeņi februārī nonāca Norvēģijas Ģeoloģijas dienestā. Vēlāk šogad tos paredzēts analizēt starptautiskai pētnieku komandai, kurā pārstāvētas 18 valstis.

“Tagad mēs patiešām varam visu salikt kopā, veicot līdzīga veida pētījumu ar Gabonas iežiem un salīdzinot abas vietas,” sacīja Leplands. “Tā zinātne virzās uz priekšu.”

Pētījuma Geology raksta nosaukums ir “Paleoproterozoic thermogenic hydrocarbon generation, Zaonega Formation, Russia”. Citi darba autori ir Florians Eihingers no Vācijas dabisko izotopu analīzes laboratorijas Hydroisotop GmbH un Entonijs Prave no Sentendrūsas Universitātes Skotijā.