DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-024-01360-4
تاريخ النشر: 2024-05-02
المؤلف: Wentao Huang وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الحفريات والطبقات الأحفورية
طرق
في هذه الدراسة، تم جمع عينات من موقعين جيولوجيين: التداخل الطبقي روستنبيرغ في مجمع بوشفيلد، جنوب أفريقيا، وجابرو باسو دا فابيان في البرازيل. تم الحصول على عينات روستنبيرغ كعينات يدوية غير موجهة من محجر، مما يضمن تحليل مادة جديدة، بينما كانت عينات باسو دا فابيان انقسامات غير موجهة من عينات أكبر تم استخدامها سابقًا في دراسات جيولوجية متنوعة، مما يسمح بوجود قيود عمرية متسقة. تم إجراء إعداد الصخور والتحليلات اللاحقة، بما في ذلك قياسات المغناطيسية الصخرية وقياسات القوة المغناطيسية القديمة، في جامعة روتشستر وتكنولوجيا ميشيغان، باستخدام معدات متقدمة مثل جهاز Geofyzika KLY-4C KappaBridge ومقياس المغناطيسية بتدرج متناوب من شركة Princeton Measurements Corporation.
لتحليلات القوة المغناطيسية القديمة، تم اختيار بلورات بلاجيكلاز مفردة بدقة لضمان النقاء والملاءمة للقياس، مع وضع معايير محددة لاختيار العينات. تضمنت تجارب القوة المغناطيسية القديمة Thellier-Coe تسخينًا دقيقًا للعينات باستخدام ليزر CO₂ المعاير وقياسات أجريت في بيئة محمية مغناطيسيًا. استخدمت الدراسة معايير صارمة لتصنيف العينات بناءً على خصائص مغناطيسيتها الطبيعية المتبقية (NRM) والمغناطيسية الحرارية المتبقية (TRM)، مما يضمن بيانات عالية الجودة للتحليل اللاحق. كما شملت المنهجية قياسات أنيسوتروبية TRM، وفقًا للبروتوكولات المعمول بها لتقييم الخصائص المغناطيسية للعينات تحت ظروف متغيرة.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تحليل ثماني عينات يدوية من البيروكسايت الحاوي على البلاجيكلاز من التداخل الطبقي روستنبيرغ 2054 ± 1.3 مليون سنة في مجمع بوشفيلد، جنوب أفريقيا، لخصائصها المغناطيسية. أظهرت منحنيات القابلية المغناطيسية مقابل درجة الحرارة أن التيتانو مغناطيسية الفقيرة بالتيتانيوم والمغناطيسية النقية هي الحوامل المغناطيسية الرئيسية. كشفت قياسات الهسترس المغناطيسي عن قوى قسرية منخفضة وقيم مربعة للعينات الكلية، مما يشير إلى وجود حبيبات ذات نطاق زائف ونطاق متعدد. بالمقابل، أظهرت حبيبات البلاجيكلاز الواضحة بصريًا خصائص تشير إلى حبيبات ذات نطاق مفرد، مدعومة بتحليل منحنى الانعكاس من الدرجة الأولى (FORC) ونتائج المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، التي حددت إبر أكسيد الحديد والتيتانيوم التي من المحتمل أن تحمل مغناطيسية حرارية أولية.
أدت قياسات القوة المغناطيسية القديمة باستخدام طريقة SCP Thellier-Coe إلى متوسط قوة مغناطيسية قديمة قدرها 69.0 ± 4.3 μT من 22 بلورة تم تحليلها، مصححة لمعدل التبريد والأنيسوتروبية، مما أدى إلى قوة مغناطيسية قديمة معدلة قدرها 49.1 ± 2.4 μT. وهذا يتوافق مع لحظة ثنائية القطب المغناطيسي القديمة قدرها 8.04 ± 0.40 × 10²² A m². بالإضافة إلى ذلك، كشفت تحليلات عينات الجابرو من حزام دوم فيليسيانو في البرازيل عن قيم قوة مغناطيسية قديمة أقل، بمتوسط 1.49 ± 0.10 μT بعد التصحيحات، مما أدى إلى لحظة ثنائية القطب المغناطيسي القديمة قدرها 0.25 ± 0.02 × 10²² A m². تسهم هذه النتائج في فهم الخصائص المغناطيسية والقوة المغناطيسية القديمة للتكوينات الجيولوجية القديمة.
مناقشة
في هذه المناقشة، يتم تحليل الخصائص المغناطيسية للبلاجيكلاز من البيروكسايت بوشفيلد وجابرو باسو دا فابيان، مما يكشف أنه بينما يظهر كلاهما سلوكًا مغناطيسيًا مثاليًا لنطاق مفرد، إلا أنهما ينتجان قوى حقل مختلفة بشكل كبير. تشير عينة بوشفيلد إلى كثافة حقل مغناطيسي متوسطة عالية تمتد إلى العصر الباليو بروتيروزوي، بينما تمثل عينة باسو دا فابيان أدنى قوة حقل متوسطة معروفة، حوالي 30 مرة أضعف. تشير هذه الفجوة إلى أن فترة الحقل المتوسطة الفائقة الانخفاض (UL-TAFI)، المحددة بأنها حقول عند أو أقل من 10% من المستويات الحالية، استمرت لمدة لا تقل عن 26 مليون سنة، مما قد يتزامن مع انخفاض طويل الأمد في قوة الحقل الجيومغناطيسي قبل بدء تكوين النواة الداخلية.
تقترح النتائج أيضًا ارتباطًا بين UL-TAFI وتطور الحيوانات الكبيرة في العصر الإديكاراني، حيث يتزامن توقيت UL-TAFI مع تنوع حيوانات إديكارا حوالي 575-565 مليون سنة. يدعو هذا الارتباط إلى إعادة تقييم العوامل البيئية، خاصةً الأكسجة الجوية والمحيطية، كعوامل حاسمة في الابتكار التطوري. تسلط المناقشة الضوء على أنه بينما يمكن أن تعيش الكائنات البسيطة في ظروف منخفضة الأكسجين، فإن المتطلبات الأيضية للحيوانات المعقدة والمتنقلة تتطلب مستويات أعلى من الأكسجين. تشير الأدلة إلى زيادة محتملة في الأكسجة خلال أواخر الإديكاراني، بالتزامن مع تنوع الحياة الكبيرة. كما يتم استكشاف آثار انخفاض قوة الحقل المغناطيسي على فقدان الهيدروجين والتغيرات الجوية، مما يشير إلى أن UL-TAFI قد سهلت ظروفًا مواتية لتطور الحياة الحيوانية المعقدة من خلال تعزيز هروب الهيدروجين وزيادة الأكسجة الجوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-024-01360-4
Publication Date: 2024-05-02
Author(s): Wentao Huang et al.
Primary Topic: Paleontology and Stratigraphy of Fossils
Methods
In this study, samples were collected from two geological locations: the Rustenberg Layered Intrusion in the Bushveld Complex, South Africa, and the Passo da Fabiana Gabbros in Brazil. The Rustenberg samples were obtained as unoriented hand samples from a quarry, ensuring the analysis of fresh material, while the Passo da Fabiana samples were unoriented splits from larger specimens previously used in various geological studies, allowing for consistent age constraints. The rock preparation and subsequent analyses, including rock magnetic and paleointensity measurements, were conducted at the University of Rochester and Michigan Tech, utilizing advanced equipment such as the Geofyzika KLY-4C KappaBridge and the Princeton Measurements Corporation Alternating Gradient Force Magnetometer.
For paleointensity analyses, single plagioclase crystals were meticulously selected to ensure purity and suitability for measurement, with specific criteria established for sample selection. The Thellier-Coe paleointensity experiments involved precise heating of samples using calibrated CO₂ lasers and measurements conducted in a magnetically shielded environment. The study employed rigorous criteria for categorizing samples based on their natural remanent magnetization (NRM) and thermoremanent magnetization (TRM) characteristics, ensuring high-quality data for subsequent analysis. The methodology also included TRM anisotropy measurements, following established protocols to assess the magnetic properties of the samples under varying conditions.
Results
In this study, eight plagioclase-bearing pyroxenite hand samples from the 2054 ± 1.3 Ma Rustenberg Layered Intrusion in the Bushveld Complex, South Africa, were analyzed for their magnetic properties. The magnetic susceptibility versus temperature curves indicated that Ti-poor titanomagnetite and pure magnetite are the primary magnetic carriers. Magnetic hysteresis measurements revealed low coercive forces and squareness values for bulk samples, suggesting the presence of pseudosingle domain and multidomain grains. In contrast, optically clear plagioclase grains exhibited characteristics indicative of single domain grains, supported by first order reversal curve (FORC) analysis and scanning electron microscopy (SEM) findings, which identified iron-titanium oxide needles that likely carry primary thermoremanent magnetization.
Paleointensity measurements using the SCP Thellier-Coe method yielded a mean paleointensity of 69.0 ± 4.3 μT from 22 analyzed crystals, corrected for cooling rate and anisotropy, resulting in an adjusted paleointensity of 49.1 ± 2.4 μT. This corresponds to a paleomagnetic dipole moment of 8.04 ± 0.40 × 10²² A m². Additionally, analyses of gabbro samples from the Dom Feliciano Belt in Brazil revealed lower paleointensity values, with an average of 1.49 ± 0.10 μT after corrections, leading to a paleomagnetic dipole moment of 0.25 ± 0.02 × 10²² A m². These findings contribute to the understanding of the magnetic properties and paleointensity of ancient geological formations.
Discussion
In this discussion, the magnetic properties of plagioclase from the Bushveld pyroxenite and Passo da Fabiana Gabbros are analyzed, revealing that while both exhibit ideal single domain magnetic behavior, they yield significantly different field strengths. The Bushveld sample indicates a high time-averaged magnetic field intensity extending into the Paleoproterozoic, whereas the Passo da Fabiana sample represents the lowest known time-averaged field strength, approximately 30 times weaker. This disparity suggests that the ultra-low time-averaged field interval (UL-TAFI), defined as fields at or below 10% of present-day levels, persisted for at least 26 million years, potentially correlating with a long-term decline in geomagnetic field strength preceding the onset of inner core nucleation.
The findings also propose a link between the UL-TAFI and the Ediacaran evolution of macroscopic animals, as the timing of the UL-TAFI aligns with the diversification of the Ediacara Fauna around 575-565 Ma. This correlation invites a reevaluation of environmental factors, particularly atmospheric and oceanic oxygenation, as critical drivers of evolutionary innovation. The discussion highlights that while simpler organisms can survive in low oxygen conditions, the metabolic demands of complex, mobile animals necessitate higher oxygen levels. Evidence suggests a potential increase in oxygenation during the late Ediacaran, coinciding with the diversification of macroscopic life. The implications of reduced magnetic field strength on hydrogen loss and atmospheric changes are also explored, indicating that the UL-TAFI may have facilitated conditions conducive to the evolution of complex animal life through enhanced hydrogen escape and increased atmospheric oxygenation.