Jordens ældste mineraler stammer fra pladetektonik til 3,6 milliarder år siden

Forskere ledet af Michael Ackerson, en forskningsgeolog ved Smithsonian's National Museum of Natural History, fremlægge nyt bevis på, at moderne pladetektonik, et definerende træk ved Jorden og dens unikke evne til at støtte liv, opstod for omkring 3,6 milliarder år siden.

Jorden er den eneste planet, der er kendt for at være vært for komplekst liv, og den evne er delvist baseret på en anden funktion, der gør planeten unik:pladetektonik. Ingen andre planetariske kroppe kendt af videnskaben har Jordens dynamiske skorpe, som er opdelt i kontinentale plader, der bevæger sig, brud og kolliderer med hinanden over æoner. Pladetektonik giver en forbindelse mellem den kemiske reaktor i Jordens indre og dens overflade, der har konstrueret den beboelige planet, mennesker nyder i dag, fra ilt i atmosfæren til koncentrationerne af klimaregulerende kuldioxid. Men hvornår og hvordan pladetektonikken kom i gang, er forblevet mystisk, begravet under milliarder af års geologisk tid.

Studiet, offentliggjort 14. maj i tidsskriftet Geokemiske perspektiver Breve , bruger zirkoner, de ældste mineraler nogensinde fundet på jorden, at kigge tilbage i planetens gamle fortid.

Den ældste af zirkoner i undersøgelsen, som kom fra Jack Hills i Western Australia, var omkring 4,3 milliarder år gamle - hvilket betyder, at disse næsten uforgængelige mineraler blev dannet, da Jorden selv var i sin barndom, kun cirka 200 millioner år gammel. Sammen med andre gamle zirkoner indsamlet fra Jack Hills, der spænder over Jordens tidligste historie for op til 3 milliarder år siden, disse mineraler giver det tætteste forskere har på en kontinuerlig kemisk registrering af den spirende verden.

"Vi rekonstruerer, hvordan Jorden ændrede sig fra en smeltet kugle af sten og metal til det, vi har i dag, "Sagde Ackerson." Ingen af ​​de andre planeter har kontinenter eller flydende oceaner eller liv. På en måde, vi forsøger at besvare spørgsmålet om, hvorfor Jorden er unik, og vi kan svare på det i et omfang med disse zirkoner. "

For at se milliarder af år ind i Jordens fortid, Ackerson og forskergruppen indsamlede 15 sten i grapefrugtstørrelse fra Jack Hills og reducerede dem til deres mindste bestanddele-mineraler-ved at slibe dem til sand med en maskine kaldet en jordegern. Heldigvis, zirkoner er meget tætte, hvilket gør dem relativt lette at adskille fra resten af ​​sandet ved hjælp af en teknik, der ligner guldpanning.

Teamet testede mere end 3, 500 zirkoner, hver bare et par menneskehår brede, ved at sprænge dem med en laser og derefter måle deres kemiske sammensætning med et massespektrometer. Disse tests afslørede alderen og den underliggende kemi for hvert zirkon. Af de tusinder testede, omkring 200 var egnet til undersøgelse på grund af hærgen i de milliarder af år, disse mineraler har levet siden deres oprettelse.

"At låse op for hemmelighederne indeholdt i disse mineraler er ingen let opgave, "Sagde Ackerson." Vi analyserede tusinder af disse krystaller for at komme med en håndfuld nyttige datapunkter, men hver prøve har potentiale til at fortælle os noget helt nyt og omforme, hvordan vi forstår oprindelsen af ​​vores planet. "

En zirkons alder kan bestemmes med en høj grad af præcision, fordi hver enkelt indeholder uran. Uran's berømte radioaktive natur og godt kvantificerede forfaldshastighed gør det muligt for forskere at ombygge, hvor længe mineralet har eksisteret.

Aluminiumindholdet i hver zirkon var også af interesse for forskergruppen. Test på moderne zirkoner viser, at zirkoner i høj aluminium kun kan produceres på et begrænset antal måder, som gør det muligt for forskere at bruge tilstedeværelsen af ​​aluminium til at udlede, hvad der kan have foregået, geologisk set, på det tidspunkt, hvor zirkonen blev dannet.

Efter at have analyseret resultaterne af de hundredvis af nyttige zirkoner blandt de testede tusinder, Ackerson og hans medforfattere tyder en markant stigning i aluminiumkoncentrationer for cirka 3,6 milliarder år siden.

"Dette kompositionskift markerer sandsynligvis begyndelsen på pladetektonik i moderne stil og kan potentielt signalere livets fremkomst på Jorden, "Ackerson sagde." Men vi bliver nødt til at lave meget mere forskning for at bestemme dette geologiske skifts forbindelser til livets oprindelse. "

Inferenslinjen, der forbinder zirkoner af højt aluminium til begyndelsen af ​​en dynamisk skorpe med pladetektonik, går således:En af de få måder, hvorpå zirkoner med høj aluminium dannes, er ved at smelte sten dybere under jordens overflade.

"Det er virkelig svært at få aluminium i zirkoner på grund af deres kemiske bindinger, "Ackerson sagde." Du skal have temmelig ekstreme geologiske forhold. "

Ackerson begrunder, at dette tegn på, at sten blev smeltet dybere under jordoverfladen, betød, at planetens skorpe blev tykkere og begyndte at afkøle, og at denne fortykkelse af jordskorpen var et tegn på, at overgangen til moderne platetektonik var i gang.

Tidligere forskning om den 4 milliarder år gamle Acasta Gneiss i det nordlige Canada tyder også på, at jordskorpen blev tykkere og fik sten til at smelte dybere inde på planeten.

"Resultaterne fra Acasta Gneiss giver os større tillid til vores fortolkning af Jack Hills zirkoner, "Sagde Ackerson." I dag er disse steder adskilt af tusinder af miles, men de fortæller os en temmelig konsekvent historie, hvilket er, at der for omkring 3,6 milliarder år siden skete noget globalt vigtigt. "

Dette arbejde er en del af museets nye initiativ kaldet Our Unique Planet, et offentligt-privat partnerskab, som understøtter forskning i nogle af de mest varige og væsentlige spørgsmål om, hvad der gør Jorden speciel. Anden forskning vil undersøge kilden til Jordens flydende oceaner, og hvordan mineraler kan have hjulpet med at skabe liv.

Ackerson sagde, at han håber at følge op på disse resultater ved at søge i de gamle Jack Hills -zirkoner efter spor af liv og ved at se på andre yderst gamle klippeformationer for at se, om de også viser tegn på, at jordskorpen tykner for omkring 3,6 milliarder år siden.