Undersøgelse finder gamle jordens fingeraftryk i unge vulkanske klipper

Jordens kappe er lavet af fast sten, der ikke desto mindre cirkulerer langsomt over millioner af år. Nogle geologer antager, at denne langsomme cirkulation ville have slettet alle geokemiske spor af Jordens tidlige historie for længe siden. Men en ny undersøgelse ledet af University of Maryland geologer har fundet nye beviser, der kan dateres mere end 4,5 milliarder år tilbage.

Forfatterne til forskningsartikel, offentliggjort 7. april i tidsskriftet Videnskab , studeret vulkanske klipper, der for nylig brød ud fra vulkaner i Hawaii og Samoa. Klipperne indeholder overraskende geokemiske anomalier - "fingeraftryk" af forhold, der eksisterede kort efter planeten dannedes.

Forskerne er endnu ikke sikre på, hvordan Jordens kappe bevarede disse anomalier. Men gruppens resultater tyder på, at nogle af disse klipper indeholder materiale, der overlevede gennem hele Jordens historie - og at planetens indre måske ikke er godt blandet.

"Vi fandt geokemiske signaturer, der må have været oprettet for næsten 4,5 milliarder år siden, "sagde Andrea Mundl, en postdoktor i geologi ved UMD og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen. "Det var især spændende at finde disse anomalier i så unge klipper. Vi ved endnu ikke, hvordan disse underskrifter overlevede så længe, men vi har nogle ideer. "

De unormale signaturer findes i forholdet mellem nøgleisotoper mellem to elementer:wolfram og helium.

I tilfælde af wolfram, som har mange isotoper, det vigtige forhold er wolfram-182 til wolfram-184. Den tungere isotop, wolfram-184, er stabil og har eksisteret siden planeten først blev dannet. Wolfram-182, på den anden side, resultater fra henfald af hafnium-182, hvilket er meget ustabilt. Alle naturligt forekommende hafnium-182 forfaldne inden for de første 50 millioner år af Jordens historie, efterlader wolfram-182 på sin plads.

Wolfram og hafnium opførte sig meget forskelligt i løbet af planetens første 50 millioner år. Wolfram har en tendens til at omgås metaller, så det meste vandrede til Jordens kerne, mens hafnium, som har en tendens til at forbinde sig med silikatmineraler, opholdt sig i Jordens kappe og skorpe. De fleste sten på Jorden har et lignende forhold mellem wolfram-182 og wolfram-184, og dette forhold fungerer som en global baseline. Geologer kan lære meget af sten med en usædvanligt høj eller lav mængde wolfram-182-hvilket angiver, hvor meget hafnium-182 der var til stede i klippen for længe siden.

"Næsten alle disse anomalier blev dannet inden for de første 50 millioner år efter solsystemets dannelse, "Mundl sagde." Højere end normale niveauer af wolfram-182 ses i meget gamle sten, der sandsynligvis indeholdt meget hafnium for længe siden. Men lavere niveauer af wolfram-182 er sjældne, og ligner det, vi kan forvente at se dybt under overfladen, i eller i nærheden af ​​planetens metalliske kerne. "

Helt sikkert, Mundl og hendes kolleger observerede en usædvanlig lav mængde wolfram-182 i nogle af klipperne fra Hawaii og Samoa. På egen hånd, wolframisotopforholdet er interessant, men ikke nok til at komme med overbevisende konklusioner. Men forskerne observerede også, at de samme sten indeholder et usædvanligt forhold mellem heliumisotoper.

Helium-3 er ekstremt sjælden på Jorden, og har en tendens til at dukke op i prøver af sten, der ikke er smeltet eller på anden måde genanvendt siden planeten først blev dannet. Helium-4, på den anden side, kan dannes fra det radioaktive henfald af uran og thorium. Et højere end normalt forhold mellem helium-3 og helium-4 indikerer typisk meget gamle klipper, der ikke er ændret væsentligt siden planeten dannedes.

"Variationer i den isotopiske sammensætning af helium har længe været kendt, men har aldrig været korreleret med andre geokemiske parametre, "sagde Richard Walker, professor og afdelingsformand for geologi ved UMD og medforfatter af papiret. "Klipper med høje helium-3 til helium-4-forhold er almindeligvis blevet spekuleret i at indeholde 'primitivt' kappemateriale, men hvor primitivt var ikke kendt. Vores wolframdata viser, at det faktisk er meget primitivt, med kilderegionen sandsynligvis dannet inden for de første 50 millioner år af solsystemets historie. "

Mundl, Walker og deres medforfattere foreslår et par forskellige scenarier, der kunne have frembragt de wolfram- og helium-anomalier, de observerede i vulkanske klipper fra Hawaii og Samoa. Måske trækker vulkanerne materiale fra Jordens kerne, hvor forholdene forventes at favorisere lavt wolfram-182 og højt helium-3.

Alternativt kan den stenede ydre overflade af jorden kan have dannet sig i pletter, med store magmahav imellem. Dele af disse magmahav kan have krystalliseret og sunket til grænsen mellem kappen og kernen, bevarelse af de gamle wolfram- og heliumsignaturer.

"Hvert af disse scenarier indeholder nogle inkonsekvenser, som vi endnu ikke kan forklare, "Men Mundl sagde." Men det er et spændende resultat, der helt sikkert vil generere masser af interessante nye forskningsspørgsmål. "