De eerste 1,5 miljard jaar van de evolutie van de aarde is onderhevig aan aanzienlijke onzekerheid vanwege het ontbreken van enige significante gesteenterecord vóór vier miljard jaar geleden en een zeer beperkt record tot ongeveer drie miljard jaar geleden. Rotsen van deze leeftijd zijn meestal ingrijpend gewijzigd, waardoor vergelijkingen met moderne rock behoorlijk moeilijk zijn. In nieuw onderzoek uitgevoerd bij LSU, wetenschappers hebben bewijs gevonden waaruit blijkt dat komatiieten, drie miljard jaar oud vulkanisch gesteente gevonden in de aardmantel, hadden een andere samenstelling dan de moderne. Hun ontdekking kan nieuwe informatie opleveren over de eerste miljard jaar van de ontwikkeling van de aarde en de vroege oorsprong van het leven. De resultaten van het werk van het team zijn gepubliceerd in de oktober 2017-editie van: Natuur Geowetenschappen .

Het basisonderzoek kwam van meer dan drie decennia LSU-wetenschappers die de Barberton Mountains in Zuid-Afrika bestudeerden en in kaart brachten. Het onderzoeksteam, waaronder LSU-hoogleraren geologie Gary Byerly en Huiming Bao, geologie promovendus Keena Kareem, en LSU-onderzoeker Benjamin Byerly, voerde chemische analyses uit van honderden komatiite-rotsen die zijn bemonsterd uit ongeveer 10 lavastromen.

"Vroege arbeiders hadden grote gebieden onjuist in kaart gebracht door aan te nemen dat ze correleerden met de veel bekendere Komati-formatie in het zuidelijke deel van de bergen. We herkenden deze fout en begonnen een gedetailleerde studie van de rotsen om onze op kaarten gebaseerde interpretaties te bewijzen, ' zei Gary Byerly.

Binnen de rotsen, ze ontdekten originele mineralen, verse olivijn genaamd, die tot in de kleinste details bewaard was gebleven. Hoewel het mineraal zelden wordt aangetroffen in gesteenten dat onderhevig is aan metamorfose en oppervlakteverwering, olivijn is het belangrijkste bestanddeel van de bovenmantel van de aarde en regelt de aard van vulkanisme en tektonisme van de planeet. Met behulp van composities van deze verse mineralen, de onderzoekers hadden eerder geconcludeerd dat dit de heetste lava's waren die ooit op het aardoppervlak zijn uitgebarsten met temperaturen rond de 1600 graden Celsius, dat is ongeveer 400 graden heter dan moderne uitbarstingen op Hawaï.

"Het ontdekken van vers ongewijzigd olivijn in deze oude lava's was een opmerkelijke vondst. Het veldwerk was wonderbaarlijk productief en we wilden graag terugkeren naar het laboratorium om de chemie van deze bewaarde olivijnkristallen te gebruiken om aanwijzingen van de Archean Mantle te onthullen, " zei Kareem

De onderzoekers suggereren dat misschien een deel van de vroege aardse magma-oceaan is bewaard in de ongeveer 3,2 miljard jaar oude mineralen.

"De moderne aarde vertoont weinig of geen bewijs van deze vroege magma-oceaan omdat convectie van de mantel de gelaagdheid die in de magma-oceaan wordt geproduceerd grotendeels heeft gehomogeniseerd. Zuurstofisotopen in deze verse olivijnen ondersteunen het bestaan ​​van oude brokken van de bevroren magma-oceaan. Rotsen zoals deze zijn zeer zeldzaam en wetenschappelijk waardevol. Een voor de hand liggende volgende stap was het maken van zuurstofisotopen, ' zei Byerly.

Deze studie kwam voort uit werk dat plaatsvond in het laboratorium van LSU voor de studie van zuurstofisotopen, een faciliteit van wereldklasse die wetenschappers uit de VS en internationale instellingen aantrekt voor samenwerking. De resultaten van het onderzoek waren zo ongebruikelijk dat het extra zorg vergde om zeker te zijn van de resultaten. Huiming Bao, die ook het hoofd is van LSU's zuurstofisotopenlab, zei dat het team drie- en viervoudig de gegevens controleerde door met verschillende referentiemineralen te werken en door te kalibreren met andere onafhankelijke laboratoria.

"We hebben geprobeerd de bevindingen te verzoenen met enkele van de conventionele verklaringen voor lava's met zuurstofisotoopsamenstellingen zoals deze, maar niets kon alle waarnemingen volledig verklaren. Het werd duidelijk dat deze rotsen kenmerken bevatten van processen die meer dan vier miljard jaar geleden plaatsvonden en die nog steeds niet volledig worden begrepen, ' zei Benjamin Byerly.

Zuurstofisotopen worden gemeten door de omzetting van gesteente of mineralen in een gas en het meten van de verhoudingen van zuurstof met de verschillende massa's van 16, 17, en 18. Een verscheidenheid aan processen fractioneert zuurstof op aarde en in het zonnestelsel, inclusief sfeer, hydrosferisch, biologisch, en hoge temperatuur en druk.

"Verschillende planeten in ons zonnestelsel hebben verschillende zuurstofisotoopverhoudingen. Op aarde wordt dit gewijzigd door de oppervlakteatmosfeer en de hydrosfeer, dus variaties kunnen te wijten zijn aan heterogene mantel (oorspronkelijke ophoping van planetair puin of overblijfselen van magma-oceaan) of oppervlakteprocessen, "zei Byerly. "Beide kunnen interessant zijn om te bestuderen. Dat laatste omdat het ook informatie zou opleveren over de vroege oppervlaktetemperatuur van de aarde en de vroege oorsprong van het leven."