Spor af Jordens tidlige magmahav identificeret i grønlandske klipper

Ny forskning ledet af University of Cambridge har fundet sjældne beviser - bevaret i kemien af ​​gamle klipper fra Grønland - som fortæller om en tid, hvor Jorden næsten var fuldstændig smeltet.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , giver information om en vigtig periode i vores planets dannelse, da et dybt hav af glødende magma strakte sig over Jordens overflade og strakte sig hundreder af kilometer ind i dens indre.

Det er den gradvise afkøling og krystallisering af dette 'magmahav', der sætter kemien i Jordens indre – en afgørende fase i samlingen af ​​vores planets struktur og dannelsen af ​​vores tidlige atmosfære.

Forskere ved, at katastrofale påvirkninger under dannelsen af ​​Jorden og Månen ville have genereret nok energi til at smelte vores planets indre. Men vi ved ikke meget om denne fjerne og brændende fase af Jordens historie, fordi tektoniske processer har genbrugt næsten alle sten, der er ældre end 4 milliarder år.

Nu har forskere fundet de kemiske rester af magmahavet i 3,6 milliarder år gamle sten fra det sydvestlige Grønland.

Resultaterne understøtter den længe bevarede teori om, at Jorden engang næsten helt var smeltet og giver et vindue ind i en tid, hvor planeten begyndte at størkne og udvikle den kemi, der nu styrer dens indre struktur. Forskningen tyder på, at andre sten på Jordens overflade også kan bevare beviser for gamle magmahave.

"Der er få muligheder for at få geologiske begrænsninger på begivenhederne i de første milliard år af Jordens historie. Det er forbløffende, at vi overhovedet kan holde disse klipper i vores hænder - endsige få så mange detaljer om vores planets tidlige historie, " sagde hovedforfatter Dr. Helen Williams, fra Cambridges Department of Earth Sciences.

Undersøgelsen bringer retskemisk analyse sammen med termodynamisk modellering på jagt efter de grønlandske bjergarters oprindelige oprindelse, og hvordan de kom op til overfladen.

Ved første øjekast, klipperne, der udgør Grønlands Isua supracrustal bælte, ligner enhver moderne basalt, du finder på havbunden. Men dette udspring, som først blev beskrevet i 1960'erne, er den ældste eksponering af sten på Jorden. Det vides at indeholde de tidligste tegn på mikrobielt liv og pladetektonik.

Den nye forskning viser, at Isua-klipperne også bevarer sjældne beviser, som endda går forud for pladetektonikken - resterne af nogle af de krystaller, der blev efterladt, da det magmahav afkølede.

"Det var en kombination af nogle nye kemiske analyser, vi lavede og de tidligere offentliggjorte data, der viste os, at Isua-klipperne kunne indeholde spor af gammelt materiale. Hafnium- og neodymisotoperne var virkelig fristende, fordi disse isotopsystemer er meget svære at ændre - så vi var nødt til at se på deres kemi mere detaljeret, " sagde medforfatter Dr. Hanika Rizo, fra Carleton University.

Jern isotopisk systematik bekræftede over for Williams og teamet, at Isua-klipperne var afledt af dele af Jordens indre, der blev dannet som en konsekvens af magmahavets krystallisering.

Det meste af denne urklippe er blevet blandet sammen ved konvektion i kappen, men videnskabsmænd tror, ​​at nogle isolerede zoner dybt ved kappe-kerne-grænsen - gamle krystalkirkegårde - kan have forblevet uforstyrrede i milliarder af år.

Det er levnene fra disse krystalkirkegårde, som Williams og hendes kolleger observerede i Isua-klippekemien. "Disse prøver med jernfingeraftrykket har også en wolfram-anomali - en signatur af Jordens dannelse - som får os til at tro, at deres oprindelse kan spores tilbage til disse urkrystaller, " sagde Williams.

Men hvordan fandt disse signaler fra den dybe kappe vej op til overfladen? Deres isotopiske makeup viser, at de ikke bare blev smeltet op ved grænsen mellem kerne og kappe. Deres rejse var mere omstændelig, involverer flere stadier af krystallisation og omsmeltning - en slags destillationsproces. Blandingen af ​​gamle krystaller og magma ville først have migreret til den øvre kappe, hvor den blev kværnet op for at skabe en 'marmorkage' af sten fra forskellige dybder. Senere smeltning af denne hybrid af bjergarter er det, der producerede magmaen, der brødføde denne del af Grønland.

Holdets resultater tyder på, at moderne hotspot-vulkaner, som menes at være dannet for relativt nylig, kan faktisk være påvirket af gamle processer.

"De geokemiske signaler, vi rapporterer i de grønlandske klipper, har ligheder med klipper, der er udbrudt fra hotspot-vulkaner som Hawaii - noget, vi er interesseret i, er, om de måske også tapper ind i dybet og får adgang til områder af det indre, som normalt er uden for vores rækkevidde, "sagde Dr. Oliver Shorttle, som i fællesskab er baseret på Cambridges Department of Earth Sciences og Institute of Astronomy.

Holdets resultater kom ud af et projekt finansieret af Deep Volatiles, et NERC-finansieret 5-årigt forskningsprogram. De planlægger nu at fortsætte deres søgen efter at forstå magmahavet ved at udvide deres søgen efter spor i gamle klipper og eksperimentelt modellere isotopfraktionering i den nedre kappe.

"Vi har været i stand til at afsløre, hvad en del af vores planets indre gjorde for milliarder af år siden, men for at udfylde billedet yderligere må vi fortsætte med at søge efter flere kemiske spor i gamle klipper, " sagde medforfatter Dr. Simon Matthews fra Islands Universitet.

Forskere har ofte været tilbageholdende med at lede efter kemiske beviser for disse gamle begivenheder. "Beviserne ændres ofte med tiden. Men det faktum, at vi fandt, hvad vi gjorde, tyder på, at kemien fra andre gamle sten kan give yderligere indsigt i Jordens dannelse og udvikling - og det er enormt spændende, " sagde Williams.