В конце мая - начале июня 2023 г были проведены полевые работы в Карелии, в которых приняли участие ученые из Карельского и Кольского научных центров РАН, а так же  Дальневосточного геологического института ДВО РАН. Основной целью сотрудников ДВГИ в этой комплексной экспедиции был сбор образцов пород и руд, сохранивших свидетельства о процессах неоархейского рудообразования и существования жизни в это время. Главным инструментом в этих исследованиях в ДВГИ является анализ поведения  соотношения стабильных изотопов - кислорода, углерода и серы. Уникальная установка, созданная в лаборатории стабильных изотопов ДВГИ ДВО РАН, позволяет проводить мультиизотопный анализ серы, входящей в состав сульфидов архейских руд. Изотопные отношения серы (³³S/³²S, ³⁴S/³²S, и ³⁶S/³²S), заархивированные в породах вулканогенных и железистых формаций зеленокаменных поясов Карелии, дают возможность идентифицировать атмосферные, гидросферные и биологические процессы в общем круговороте серы в архее. Это позволяет реконструировать внешнюю среду на поверхность нашей планеты в ранний период своей истории, состав ее атмосферы и уточнить условия существования первых живых организмов 3 миллиарда лет назад.

В июне 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.

Было показано, что сера для сульфидных минералов Костомукшского железорудного месторождения 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 было обнаружено, что в породах возрастом древнее 2.4 млрд лет соотношения между изотопами серы не могут быть описаны в рамках базового закона масс-зависимого фракционирования (зависимость фракционирования изотопов от их массы), тогда как в породах возрастом моложе 2.4 млрд лет наблюдаемые изотопные соотношения подчиняются этому закону. Эту аномалию связали с процессами фотохимической диссоциации молекул SО₂ в атмосфере, которая происходит под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения при отсутствии кислорода в атмосфере. Для изучения обнаруженной аномалии в лаборатории стабильных изотопов ДВГИ была создана уникальная для страны установка, которая позволяет проводить мультиизотопный анализ серы и начались поиски образцов с подобной аномалией на территории России.

С 2021 года в Дальневосточном геологическом институте ДВО РАН реализуется научный проект по гранту РНФ под руководством заведующего лаборатории генетической минералогии и петрологии Сергея Высоцкого. В рамках него проводятся исследования пород и руд из месторождений на территории Карелии. Наряду с исследователями из ДВГИ в проекте участвуют научные сотрудники Института геологии КарНЦ РАН Наталья Нестерова  и Людмила Кулешевич.

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.

В Карелии, расположенной на Фенноскандинавском щите, на поверхности обнажаются древние породы широкого возрастного диапазона. Железорудные месторождения Костомукши образовались около 2,7 млрд лет назад. В то время на планете активно действовали вулканы, и серы было в избытке – как в раскаленной магме, так и виде аэрозолей в атмосфере. При отсутствии кислорода в атмосфере воздействие солнечного ультрафиолетового излучения на молекулы SО₂ приводит к образованию изотопно различных форм серы: восстановленной серы (элементарная сера S₈) и окисленной серы (сульфатная сера H₂SO₄) с положительными и отрицательными значениями Δ33S (изотопными метками). При образование сульфидных минералов сера сохраняла приобретенные в атмосфере изотопные метки. Таким образом, изучая сегодня изотопы серы в сульфидах, можно понять ее источник при рудообразовании - магматогенный или эндогенный.

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 рудообразование. Результаты исследования ранее были опубликованы в международном журнале Minerals.

Изотопные отношения серы, заархивированные в породах вулканогенных и железистых формаций зеленокаменных поясов Карелии, предоставляют новые аргументы в пользу развития представлений о существовании бактериальной активности в архейском океане и вовлечении серы в биогенный круговорот, а также свидетельствует об отсутствии свободного кислорода в архейской атмосфере Земли. По изотопным данным идентифицирована активная деятельность сульфат редуцирующих и диспропорционирующих элементарную серу бактерий в поверхностных средах архейских осадочных пород.