Jumlah oksigen di atmosfer Bumi membuat Bumi menjadi planet yang layak huni.
Dua puluh satu persen atmosfer terdiri dari elemen pemberi kehidupan ini. Namun, di masa lampau - pada era Neoarkhaikum tepatnya 2,8 hingga 2,5 miliar tahun yang lalu - oksigen hampir tidak ada.
Jadi, bagaimana atmosfer Bumi menjadi memiliki oksigen?
Penelitian kami yang diterbitkan di Nature Geoscience, menunjukkan sebuah kemungkinan baru yang menarik: bahwa setidaknya sebagian oksigen awal Bumi berasal dari sumber tektonik melalui pergerakan dan penghancuran kerak Bumi.
Bumi zaman Arkean
Zaman Arkean mewakili sepertiga sejarah planet kita, dari 2,5 miliar tahun yang lalu hingga 4 miliar tahun yang lalu.
Bumi yang asing ini merupakan sebuah dunia air yang diselimuti lautan hijau, kabut metana, dan sama sekali tidak memiliki kehidupan multi sel. Aspek lain yang asing dari dunia ini adalah sifat aktivitas tektoniknya.
Di era Bumi saat ini, aktivitas tektonik yang dominan disebut lempeng tektonik, di mana kerak samudra - lapisan terluar Bumi di bawah lautan - tenggelam ke dalam mantel Bumi (area antara kerak Bumi dan intinya) pada titik-titik pertemuan yang disebut zona subduksi. Namun, ada perdebatan yang cukup besar mengenai apakah lempeng tektonik beroperasi pada era Arkean.
Salah satu ciri dari zona subduksi modern adalah keterkaitannya dengan magma yang teroksidasi.
Magma ini terbentuk ketika sedimen teroksidasi dan air dasar - air dingin dan padat di dekat dasar laut - dimasukkan ke dalam mantel bumi. Proses ini menghasilkan magma dengan kandungan oksigen dan air yang tinggi.
Penelitian kami bertujuan untuk menguji apakah ketiadaan bahan yang teroksidasi di perairan dan sedimen dasar era Arkean dapat mencegah pembentukan magma yang teroksidasi. Identifikasi magma semacam itu dalam batuan magmatik Neoarkean dapat memberikan bukti bahwa subduksi dan lempeng tektonik terjadi 2,7 miliar tahun yang lalu.
Eksperimen untuk mencari asal oksigen
Kami mengumpulkan sampel batuan granitoid berusia 2750 hingga 2670 juta tahun dari seluruh subprovinsi Abitibi-Wawa di Provinsi Superior - benua Arkean terbesar yang diawetkan yang membentang lebih dari 2.000 km dari Winnipeg, Manitoba ke timur jauh Quebec, Kanada. Hal ini memungkinkan kami untuk menyelidiki tingkat oksidasi magma yang dihasilkan di seluruh era Neoarkean.
Untuk mengukur kondisi oksidasi batuan magmatik ini yang terbentuk melalui pendinginan dan kristalisasi magma atau lava merupakan hal yang menantang. Peristiwa pasca-kristalisasi mungkin telah memodifikasi batuan ini melalui deformasi, penguburan, atau pemanasan di kemudian hari.
Jadi, kami memutuskan untuk melihat mineral apatite yang terdapat dalam kristal zirkon dalam batuan ini. Kristal zirkon dapat menahan suhu dan tekanan yang kuat dari peristiwa pasca-kristalisasi. Kristal-kristal ini menyimpan petunjuk tentang lingkungan tempat mereka terbentuk dan memberikan informasi usia yang tepat untuk batuan itu sendiri.
Kristal apatite kecil yang lebarnya kurang dari 30 mikron - seukuran sel kulit manusia - terperangkap di dalam kristal zirkon. Kristal-kristal tersebut mengandung belerang. Dengan mengukur jumlah sulfur dalam apatit, kita dapat menentukan apakah apatite tumbuh dari magma yang teroksidasi atau tidak.
Kami berhasil mengukur kapasitas oksigen dari magma Arkean asli - yang pada dasarnya adalah jumlah oksigen bebas di magma tersebut - dengan menggunakan teknik khusus yang disebut Spektroskopi Struktur Tepi Dekat Penyerapan Sinar-X S-XANES di Advanced Photon Source Synchrotron di Argonne National Laboratory di Illinois, Amerika Serikat.
Menciptakan oksigen dari air?
Kami menemukan bahwa kandungan sulfur dalam magma, yang awalnya berada di kisaran nol, meningkat menjadi 2.000 bagian juta menjadi sekitar 2705 juta per tahun. Hal ini mengindikasikan bahwa magma telah bertambah banyak mengandung sulfur. Selain itu, dominasi S6+ - sejenis ion sulfer - dalam apatite menunjukkan bahwa belerang berasal dari sumber yang teroksidasi, sesuai dengan data dari inang kristal zirkon.
Temuan-temuan baru ini mengindikasikan bahwa magma teroksidasi terbentuk pada era Neoarkean tepatnya 2,7 miliar tahun yang lalu. Data menunjukkan bahwa kurangnya oksigen terlarut di reservoir samudra Arkean tidak mencegah pembentukan magma teroksidasi yang kaya akan belerang di zona subduksi. Oksigen dalam magma ini pasti berasal dari sumber lain dan pada akhirnya dilepaskan ke atmosfer ketika gunung berapi meletus.
Kami menemukan bahwa terjadinya magma yang teroksidasi ini berkorelasi dengan peristiwa mineralisasi emas berskala besar di Provinsi Superior dan Yilgarn Craton (Australia Barat), yang menunjukkan adanya hubungan antara sumber-sumber yang kaya akan oksigen ini dengan pembentukan endapan bijih kelas dunia secara global.
Implikasi dari penemuan magma yang teroksidasi ini melampaui pemahaman geodinamika Bumi purba. Sebelumnya, merupakan sebuah hal yang tidak mungkin bahwa magma Arkean dapat teroksidasi sementara air laut dan batuan atau sedimen dasar laut tidak teroksidasi.
Meskipun mekanismenya yang pasti belum sepenuhnya jelas, kemunculan magma ini menunjukkan bahwa proses subduksi, di mana air laut dibawa ratusan kilometer ke dalam planet kita, menghasilkan oksigen bebas. Hal ini kemudian mengoksidasi mantel di atasnya.
Penelitian kami menunjukkan bahwa subduksi Arkean mungkin merupakan faktor yang penting dan tak terduga dalam oksigenasi Bumi, oksigen awal pada 2,7 miliar tahun yang lalu dan juga Peristiwa Oksidasi Besar yang menandai peningkatan oksigen di atmosfer bumi sebesar 2% pada 2,45 hingga 2,32 miliar tahun yang lalu.
Sejauh yang kita ketahui, Bumi adalah satu-satunya tempat di tata surya - baik di masa lalu maupun sekarang - yang memiliki lempeng tektonik dan subduksi aktif. Hal ini menunjukkan bahwa penelitian ini dapat menjelaskan sebagian dari kekurangan oksigen dan pada akhirnya, kehidupan di planet-planet berbatu lainnya di masa depan.
Demetrius Adyatma Pangestu dari Universitas Bina Nusantara menerjemahkan artikel ini dari bahasa Inggris.