Geowetenschappers van de Michigan Technological University, University of Wisconsin Oshkosh en ETH Zürich hebben de ouderdom en chemische kenmerken opgespoord die zijn opgeslagen in minuscule zirkoonmineralen om de recycling van koolstof van de mantel naar de oppervlakte door de tijd heen te onderzoeken.

Een beter begrip van deze veranderingen in koolstofrecycling helpt bij het verbeteren van modellen over hoe de vroege processen van de planeet overgingen van de koude sneeuwbalaarde met bijna wereldwijde ijsbedekking naar meer gematigde schommelingen tussen ijstijden en opwarmingsperioden. Het onderzoek van het team zal worden gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen komende maandag.

"De geochemie weerspiegelt een onevenwichtigheid - en de aarde moet dat allemaal verdrijven om te proberen weer in evenwicht te komen, " zegt Chad Deering, een van de co-auteurs en een assistent-professor geologie aan Michigan Tech. "Wat we voorstellen is dat een reeks gebeurtenissen moest samenvallen om uiteindelijk te leiden tot de optimale omstandigheden die nodig zijn om een ​​abnormale hoeveelheid koolstof vrij te maken."

De chemische verandering wordt geregistreerd op de schaal van continenten, maar de details van dat continent-gebouw zijn opgesloten in de laag-voor-laag kristalstructuren van kleine zirkonen verzameld uit Antarctica. Sommige mineralen zijn kleiner dan 100 micron, nauwelijks de breedte van een gemiddeld mensenhaar.

"We hebben ons gericht op het kijken naar de sporenelementen in die zirkonen, Deering zegt. "Er is een classificatieschema dat we gebruiken om het oorspronkelijke gesteentetype te bepalen waarin het mineraal groeide, die ons vervolgens vertelt wat voor soort magma die specifieke chemische handtekening van sporenelementen heeft achtergelaten."

Het laboratorium van ETH Zürich gebruikte vervolgens uranium-looddatering om te bepalen hoe oud de monsters zijn. Gezien de data en sporenelementen, wat Deering en zijn team observeerden, is een piek in koolstofemitterende magmatypes die tussen 500 en 700 miljoen jaar geleden plaatsvond tijdens de Ediacaran-periode. Wat dat betekent is dat er waarschijnlijk een aanzienlijke hoeveelheid koolstof is vrijgekomen.

Vulkanen stoten veel koolstofdioxide uit - sommige veel meer dan andere. Alkalische vulkanen zoals de Etna in Italië en de Erebus op Antarctica verkleinen de koolstofuitstoot van andere vulkanen met 10 tot 50 keer. En het is hetzelfde type vulkanisme dat werd geïdentificeerd in de zirkonen die door Deering werden bestudeerd.

"Alkalische magma's worden geproduceerd door slechts een klein beetje van de mantel te smelten, " hij legt uit, eraan toevoegend dat hoewel zeldzaam en klein in volume, hun belang ligt in de hoeveelheid uitgestoten kooldioxide en de speciale omstandigheden waaronder ze zich vormen. "Wat er gebeurt als subductie plaatsvindt, is dat de mantel 'vervuild' raakt met vluchtig materiaal van het aardoppervlak - water, koolstof, zwavel."

De veranderingen die tot deze belangrijke gebeurtenis hebben geleid, verlopen langzaam - gedurende honderden miljoenen jaren - en hebben grote gevolgen. Naarmate de aarde door de tijd afkoelt en de mantel steeds meer vervuild raakt, het zal uiteindelijk alkalisch magma genereren dat aan de oppervlakte kan uitbarsten. De koelere subductie en mantelvervuiling kunnen rotsen produceren die bekend staan ​​als blueschists, goed gedocumenteerd in het rockrecord tijdens de Ediacran-periode, samen met alkalisch vulkanisme. Na de polsslag van koolstofrijk vulkanisme, atmosferische kooldioxidepieken, die ook is vastgelegd in het koolstofisotooprecord, gepaard met een opwarmingsperiode. Alles verteld, deze reeks gebeurtenissen gaf aanleiding tot de atmosfeer en geologische cycli die de planeet hebben gevormd zoals die nu is.

"Om een ​​tijdlijn te maken, we moesten datums hebben op een aanzienlijk aantal zirkonen die vele honderden miljoenen jaren beslaan, " zegt Deering. "In wezen, we ontdekten dat er gedurende de hele geschiedenis van de aarde een bijzonder significante hoeveelheid koolstof werd uitgestoten die onmiddellijk voorafging aan de Cambrische explosie, de belangrijkste opkomst van het leven die nog moet plaatsvinden."

Afgeleid van kleine zirkonen, het team gebruikte de chemische handtekeningen van oude vulkanen om vast te stellen dat er een reeks gelukkige gebeurtenissen plaatsvond toen de oudste continenten werden gebouwd en materialen van het oppervlak werden gerecycled om uiteindelijk onze moderne koolstofcyclus vorm te geven.