De geschiedenis van de aarde is geschreven in haar elementen, maar naarmate de tektonische platen in de loop van de tijd over en onder elkaar glijden, ze vertroebelen dat bewijs - en daarmee de geheimen waarom de aarde leven kan ondersteunen.

Een nieuwe studie onder leiding van UChicago-geochemici herschikt het beeld van de vroege aarde door het pad van het metallische element titanium door de aardkorst in de tijd te volgen. Het onderzoek, gepubliceerd op 22 september in Wetenschap , suggereert dat er al 3,5 miljard jaar geleden significante tektonische actie plaatsvond - ongeveer een half miljard jaar eerder dan nu wordt gedacht.

De korst was ooit gemaakt van uniform donkere, magnesium- en ijzerrijke mafische mineralen. Maar vandaag ziet de korst er heel anders uit tussen land en oceaan:de korst op het land is nu een lichter gekleurd felsisch, rijk aan silicium en aluminium. Het punt waarop deze twee uiteenliepen is belangrijk, omdat de samenstelling van mineralen de stroom van voedingsstoffen beïnvloedt die beschikbaar zijn voor het jonge leven dat worstelt om te overleven op aarde.

"Deze vraag is besproken sinds geologen voor het eerst begonnen na te denken over rotsen, " zei hoofdauteur Nicolas Dauphas, de Louis Block Professor en hoofd van het Origins Laboratory in de afdeling Geofysische Wetenschappen en het Enrico Fermi Institute. "Dit resultaat is een verrassing en zeker een omwenteling in die discussie."

Om de korst te reconstrueren die in de loop van de tijd verandert, geologen kijken vaak naar een bepaald soort gesteente dat schalie wordt genoemd, bestaat uit kleine stukjes ander gesteente en mineralen die door water in modderafzettingen worden gedragen en tot gesteente worden samengeperst. Het enige probleem is dat wetenschappers de aantallen moeten aanpassen om rekening te houden met verschillende snelheden van verwering en transport. "Er zijn veel dingen die je kunnen bederven, ' zei Dauphas.

Om dit probleem te voorkomen, Dauphas en zijn team keken in de loop van de tijd naar titanium in de schalies. Dit element lost niet op in water en wordt niet opgenomen door planten in nutriëntenkringlopen, dus ze dachten dat de gegevens minder vooroordelen zouden hebben om mee te kampen.

Ze verpletterden monsters van leisteenrotsen van verschillende leeftijden van over de hele wereld en controleerden in welke vorm het titanium verscheen. De verhoudingen van de aanwezige titaniumisotopen zouden moeten verschuiven als het gesteente verandert van mafisch naar felsisch. In plaats daarvan, ze zagen weinig verandering in drieënhalf miljard jaar, wat suggereert dat de overgang voor die tijd moet hebben plaatsgevonden.

Dit zou ook het begin van de platentektoniek markeren, omdat men denkt dat dat proces nodig is om felsisch gesteente te creëren.

"Met zo'n nulreactie, geen verandering zien, het is moeilijk om een ​​alternatieve verklaring voor te stellen, " zei Matouš Ptáček, een afgestudeerde UChicago-student die co-auteur was van de studie.

"Onze resultaten kunnen ook worden gebruikt om de gemiddelde samenstelling van de continentale korst door de tijd heen te volgen, waardoor we de toevoer van voedingsstoffen naar de oceanen kunnen onderzoeken die 3,5 miljard jaar geleden teruggaan, " zei Nicolas Greber, de eerste auteur van het artikel, toen een postdoctoraal onderzoeker aan UChicago en nu aan de Universiteit van Genève.

Fosfor leidt tot leven

De vraag over voedingsstoffen is belangrijk voor ons begrip van de omstandigheden rond een mysterieus maar cruciaal keerpunt dat de grote zuurstofvoorziening wordt genoemd. Dit is het moment waarop zuurstof begon op te duiken als een belangrijk bestanddeel van de atmosfeer van de aarde, een enorme verandering op de planeet teweegbrengen - en het mogelijk maken voor meercellige wezens om te evolueren.

De vloed van zuurstof kwam van een golf van fotosynthetische micro-organismen; en op hun beurt werd hun werk bevorderd door een golf van voedingsstoffen naar de oceanen, met name fosfor. "Fosfor is de belangrijkste beperkende voedingsstof in de moderne oceaan. Als je de oceaan bemest met fosfor, het leven zal bloeien, ' zei Dauphas.

De tijdlijn van titanium suggereert dat de belangrijkste oorzaak van de toename van fosfor de verandering in de samenstelling van mafisch gesteente in de loop van de tijd was. Toen de aarde afkoelde, het mafische gesteente dat uit vulkanen en ondergrondse smeltingen kwam, werd rijker aan fosfor.

"We weten al heel lang dat mafische rock in de loop van de tijd is veranderd, maar wat we niet wisten, was dat hun bijdrage aan de korst redelijk consistent is gebleven, ' zei Ptáček.