Mineralen die gevangen zitten in kleine kristallen die het malen van de continenten gedurende miljarden jaren hebben overleefd, kunnen helpen om de oorsprong van platentektoniek te onthullen en misschien zelfs aanwijzingen te geven over hoe complex leven op aarde ontstond.

De theorie van platentektoniek - die beschrijft hoe de aardkorst wordt gescheiden in platen die drijven en glijden op een laag kneedbaar gesteente eronder - werd ongeveer 50 jaar geleden algemeen aanvaard door de wetenschap. Er wordt aangenomen dat het proces de wereld om ons heen grotendeels heeft gevormd door continenten te laten vormen, enorme bergketens opwerpen als ze botsen, het creëren van vulkanische eilanden en het veroorzaken van catastrofale aardbevingen.

Maar er is nog steeds discussie over hoe en wanneer in de 4,5 miljard jaar oude geschiedenis van onze planeet de platen zijn gevormd, schattingen variëren van minder dan een miljard tot 4,3 miljard jaar geleden.

Het is ook onduidelijk hoe snel platentektoniek evolueerde, zegt dr. Hugo Moreira, een geoloog aan de Universiteit van Montpellier in Frankrijk. Splitste de aardkorst abrupt in meerdere platen en begon te bewegen over slechts tientallen miljoenen jaren, of was het proces veel geleidelijker, honderden miljoenen jaren of meer in beslag nemen?

Dit begrijpen zou cruciaal kunnen zijn om niet alleen te begrijpen hoe de planeet zelf is geëvolueerd, maar ook hoe het leven op aarde op gang is gekomen. Men denkt dat de door platentektoniek gecreëerde omstandigheden hebben geholpen om de aarde in de eerste plaats gastvrij te maken voor leven en ook voor essentiële voedingsstoffen die nodig zijn om het complexe meercellige leven te laten bloeien.

Kristaltijdcapsules

Dr. Moreira en zijn collega's zoeken antwoorden op deze vragen in kleine zirkoonkristallen, die tijdcapsules zijn van het verre verleden van de aarde vanwege hun extreme robuustheid. Ze worden vaak gevonden bewaard in gesteente ondanks de werking van voortdurende verwering en geologische gebeurtenissen.

Veel van deze kristallen zijn eerder gedateerd door analyse van het radioactieve verval van isotopen - verschillende vormen van elementen - die ze bevatten. Sommige zijn al 4,4 miljard jaar geleden gevonden, de vroegst bekende fragmenten van de aardkorst.

"Daarom is zirkoon geweldig, want hoewel de rotsen waaruit de continenten bestaan, werden vernietigd, de zirkoon overleefde in het sedimentaire record, " zei Dr. Moreira. Wetenschappers hebben eerder zirkoonkristallen gebruikt om de geschiedenis van de continentale korst van de aarde te bestuderen, maar het is nog niet voldoende geweest om een ​​definitieve consensus te bereiken over hoe platentektoniek begon, hij zegt.

"Na honderdduizenden ervan te hebben geanalyseerd, we hebben nog steeds geen overeenkomst, " zei dr. Moreira, een lid van het MILESTONE-project onder leiding van Dr. Bruno Dhuime, een geowetenschappelijk onderzoeker voor het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek, ook aan de Universiteit van Montpellier.

De onderzoekers hopen deze kristallen te gebruiken - die meestal ongeveer een tiende van een millimeter meten, of ruwweg de dikte van een mensenhaar - om ons inzicht in de timing en evolutie van platentektoniek te verbeteren.

De MILESTONE-groep zal naar een nog kleinere schaal boren - ongeveer een honderdste van een millimeter - om sporen van apatiet- en veldspaatmineralen te onderzoeken die in de zirkoonkristallen zijn opgesloten. Strontium- en loodisotopen in deze 'insluitingen' kunnen ongekende details toevoegen over de vormingsbron van het zirkoon en of dit gebeurde in de verschillende soorten magma onder stilstaande of bewegende platen, zegt dr. Moreira.

"Het zal een cruciale stap zijn naar een beter begrip van hoe onze planeet is geëvolueerd, " zei hij. "Als we erin slagen om de isotopensamenstelling van deze kleine insluitsels te meten, we zouden kunnen zeggen wat de samenstelling was van het gesteente waaruit het zirkoon kristalliseerde. We kunnen misschien begrijpen hoe de korst op dat moment geëvolueerd was en in welk type tektonische omgeving het magma werd gevormd."

Deze kleinschalige analyse is mogelijk gemaakt door de opzet van een laboratorium met daarin een gespecialiseerde, zeer gevoelige massaspectrometer, apparatuur die de eigenschappen van atomen meet.

Het team hoopt volgende maand te beginnen met het analyseren van monsters, uiteindelijk onderzoek naar insluitsels in meer dan 5, 000 zirkonen van verschillende leeftijden van over de hele wereld om een ​​grootschalig beeld op te bouwen. "Wat we willen doen, is lokaliseren wanneer platentektoniek wereldwijd werd in plaats van wanneer het hier en daar op geïsoleerde punten was gelokaliseerd, "zei dr. Moreira.

Ondergrondse constructies

Aan de andere kant van de schaal, andere onderzoekers zijn op zoek naar aanwijzingen voor de oorsprong van plaattektoniek in twee enorme structuren ter grootte van een continent die diep onder de grond onder de Pacifische en Afrikaanse platen zijn gevonden.

Deze 'thermochemische palen, " mysterieuze structuren op ongeveer 2, 900 kilometres below the surface at the boundary between Earth's core and mantle, were discovered in the 1990s with the aid of seismic tomography—imaging from seismic waves produced by earthquakes or explosions. They were detected as potentially warmer areas of material in which seismic waves travel at different speeds than in the surrounding mantle, but there is still much debate about exactly what they are, including their composition, longevity, shape and origins.

Over the past couple of decades, a 'fiery' debate has arisen over their proposed link to movements on the planet's surface and so their potential involvement in the emergence of plate tectonics, explained Dr. Philip Heron, a geoscientist who studied the structures as lead researcher on the TEROPPLATE project at Durham University.

"These piles are thought to have an impact on how material moves within the planet, and therefore how the surface behaves over time, " he said. Events on the surface may in turn drive their activity.

One theory is that these piles are stable for long geological periods and their edges correspond with the position of key features involved in plate tectonics on Earth's surface, such as supervolcanoes.

Echter, their extreme depth makes these piles difficult to observe directly. "Given that these structures are in places 100 times higher than Mount Everest, they may be the largest things in our planet that we know the least about, " said Dr. Heron.

Supercomputer power

The TEROPPLATE project harnessed supercomputer power to investigate. Using more than 1, 000 computers working in tandem, the team developed 3-D models of Earth to show how the assumed chemical composition of large hot regions deep underground might influence the formation and location of deep mantle plumes.

Echter, their models indicated that the piles may be more passive in plate tectonics than initially thought and that the world would still form similar geological features without them. "When looking at the positioning of large plumes of material that form supervolcanoes, our numerical simulations indicated that the chemical piles were not the controlling factor in this, " said Dr. Heron.

But he added that these findings were not fully conclusive and have also opened the door to other interesting avenues for research—such as exploring the implications that these structures are constantly moving through the mantle rather than being largely stationary.

"It gives weight to the theory that the chemical piles may not be rigid and fixed in our planet, and that the deep Earth may evolve as readily as the continents on our surface move around, " he said. "It's a push to start looking deeper."

Some of TEROPPLATE's results also indicate that the piles may have been robust enough to survive Earth's earliest beginnings. That makes it feasible for them to have been around for the start of plate tectonics and thus to have had roles in the process that we don't yet know about, adds Dr. Heron.

All of this could have implications for understanding our own place on Earth too. Indien, bijvoorbeeld, plate tectonics evolved rapidly early in Earth's history, it may raise questions such as why complex life didn't emerge earlier or just how closely the two are linked, says Dr. Moreira.

"To fundamentally understand where plate tectonics comes from is potentially the essence of life, " added Dr. Heron. "On Earth, there's not a thing that hasn't been impacted by it."