Nieuw onderzoek onder leiding van de Universiteit van Cambridge heeft zeldzaam bewijs gevonden - bewaard in de chemie van oude rotsen uit Groenland - dat vertelt over een tijd waarin de aarde bijna volledig gesmolten was.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , geeft informatie over een belangrijke periode in de vorming van onze planeet, toen een diepe zee van gloeiend magma zich over het aardoppervlak uitstrekte en zich honderden kilometers in het binnenste uitstrekte.

Het is de geleidelijke afkoeling en kristallisatie van deze 'magma-oceaan' die de chemie van het binnenste van de aarde heeft bepaald - een bepalende fase in de assemblage van de structuur van onze planeet en de vorming van onze vroege atmosfeer.

Wetenschappers weten dat catastrofale gevolgen tijdens de vorming van de aarde en de maan genoeg energie zouden hebben gegenereerd om het binnenste van onze planeet te doen smelten. Maar we weten niet veel over deze verre en vurige fase in de geschiedenis van de aarde, omdat tektonische processen bijna alle gesteenten ouder dan 4 miljard jaar hebben gerecycled.

Nu hebben onderzoekers de chemische overblijfselen van de magma-oceaan gevonden in 3,6 miljard jaar oude rotsen uit het zuidwesten van Groenland.

De bevindingen ondersteunen de lang gekoesterde theorie dat de aarde ooit bijna volledig gesmolten was en bieden een venster op een tijd waarin de planeet begon te stollen en de chemie ontwikkelde die nu de interne structuur beheerst. Het onderzoek suggereert dat andere rotsen op het aardoppervlak ook sporen van oude magma-oceanen kunnen bewaren.

"Er zijn weinig mogelijkheden om geologische beperkingen te krijgen voor de gebeurtenissen in de eerste miljard jaar van de geschiedenis van de aarde. Het is verbazingwekkend dat we deze rotsen zelfs in onze handen kunnen houden - laat staan ​​​​zo veel details krijgen over de vroege geschiedenis van onze planeet, " zei hoofdauteur Dr. Helen Williams, van Cambridge's Department of Earth Sciences.

De studie brengt forensische chemische analyse samen met thermodynamische modellering op zoek naar de oorspronkelijke oorsprong van de Groenlandse rotsen, en hoe ze aan de oppervlakte kwamen.

Op het eerste gezicht, de rotsen die de supracrustale gordel van Groenland vormen, zien er net zo uit als elk modern basalt dat je op de zeebodem zou vinden. Maar deze uitloper, die voor het eerst werd beschreven in de jaren zestig, is de oudste blootstelling van rotsen op aarde. Het is bekend dat het het vroegste bewijs van microbieel leven en platentektoniek bevat.

Het nieuwe onderzoek toont aan dat de Isua-rotsen ook zeldzaam bewijs bevatten dat zelfs dateert van vóór de platentektoniek - de overblijfselen van enkele van de kristallen die achterbleven toen die magma-oceaan afkoelde.

"Het was een combinatie van enkele nieuwe chemische analyses die we deden en de eerder gepubliceerde gegevens die ons duidelijk maakten dat de Isua-rotsen sporen van oud materiaal zouden kunnen bevatten. De hafnium- en neodymium-isotopen waren echt verleidelijk, omdat die isotopensystemen erg moeilijk te wijzigen zijn - dus we moesten hun chemie in meer detail bekijken, " zei co-auteur Dr. Hanika Rizo, van de Carleton-universiteit.

IJzerisotopensystematiek bevestigden Williams en het team dat de Isua-rotsen waren afgeleid van delen van het binnenste van de aarde die gevormd waren als gevolg van de kristallisatie van magma-oceaan.

Het grootste deel van dit oergesteente is door convectie in de mantel vermengd, maar wetenschappers denken dat sommige geïsoleerde zones diep op de grens van de mantelkern - oude kristallen begraafplaatsen - misschien miljarden jaren ongestoord zijn gebleven.

Het zijn de overblijfselen van deze kristallen begraafplaatsen die Williams en haar collega's hebben waargenomen in de Isua-gesteentechemie. "Die monsters met de ijzeren vingerafdruk hebben ook een wolfraamafwijking - een kenmerk van de vorming van de aarde - waardoor we denken dat hun oorsprong terug te voeren is op deze oerkristallen, " zei Willems.

Maar hoe vonden deze signalen uit de diepe mantel hun weg naar de oppervlakte? Hun isotopische samenstelling laat zien dat ze niet alleen naar boven werden geleid door het smelten bij de kern-mantelgrens. Hun reis was omslachtiger, waarbij verschillende stadia van kristallisatie en opnieuw smelten betrokken zijn - een soort destillatieproces. De mix van oude kristallen en magma zou eerst naar de bovenmantel zijn gemigreerd, waar het werd omgewoeld tot een 'marmeren cake' van rotsen uit verschillende diepten. Het later smelten van die hybride van rotsen heeft het magma geproduceerd dat dit deel van Groenland voedde.

De bevindingen van het team suggereren dat moderne hotspotvulkanen, waarvan men denkt dat ze relatief recent zijn gevormd, kan zelfs worden beïnvloed door oude processen.

"De geochemische signalen die we in de Groenlandse rotsen rapporteren, vertonen overeenkomsten met rotsen die zijn uitgebarsten uit hotspotvulkanen zoals Hawaï - iets waar we in geïnteresseerd zijn, is of ze ook de diepten kunnen aanboren en toegang krijgen tot gebieden in het binnenland die gewoonlijk buiten ons bereik liggen, " zei Dr. Oliver Shorttle, die gezamenlijk is gevestigd in Cambridge's Department of Earth Sciences en Institute of Astronomy.

De bevindingen van het team kwamen voort uit een project gefinancierd door Deep Volatiles, een door NERC gefinancierd onderzoeksprogramma van 5 jaar. Ze zijn nu van plan hun zoektocht voort te zetten om de magma-oceaan te begrijpen door hun zoektocht naar aanwijzingen in oude rotsen te verbreden en experimenteel isotopenfractionering in de lagere mantel te modelleren.

"We hebben kunnen ontrafelen wat een deel van het binnenste van onze planeet miljarden jaren geleden deed, maar om het plaatje verder in te vullen, moeten we blijven zoeken naar meer chemische aanwijzingen in oude rotsen, " zei co-auteur Dr. Simon Matthews van de Universiteit van IJsland.

Wetenschappers zijn vaak terughoudend geweest met het zoeken naar chemisch bewijs van deze oude gebeurtenissen. "Het bewijsmateriaal verandert vaak in de loop van de tijd. Maar het feit dat we hebben gevonden wat we hebben gedaan, suggereert dat de chemie van andere oude gesteenten meer inzicht kan geven in de vorming en evolutie van de aarde - en dat is enorm opwindend, " zei Willems.