Wetenschappers onder leiding van Michael Ackerson, een onderzoeksgeoloog in het Smithsonian's National Museum of Natural History, nieuw bewijs leveren dat moderne platentektoniek, een bepalend kenmerk van de aarde en haar unieke vermogen om leven te ondersteunen, ontstond ongeveer 3,6 miljard jaar geleden.

De aarde is de enige planeet waarvan bekend is dat ze complex leven herbergt en dat vermogen is gedeeltelijk gebaseerd op een ander kenmerk dat de planeet uniek maakt:platentektoniek. Geen andere planetaire lichamen die de wetenschap kent, hebben de dynamische korst van de aarde, die is opgesplitst in continentale platen die bewegen, breken en met elkaar in botsing komen gedurende eonen. Platentektoniek maakt een verbinding mogelijk tussen de chemische reactor van het binnenste van de aarde en het oppervlak die de bewoonbare planeet heeft ontwikkeld waar mensen tegenwoordig van genieten, van de zuurstof in de atmosfeer tot de concentraties klimaatregulerend kooldioxide. Maar wanneer en hoe platentektoniek begon, is mysterieus gebleven, begraven onder miljarden jaren geologische tijd.

De studie, gepubliceerd op 14 mei in het tijdschrift Geochemische perspectieven Brieven , gebruikt zirkonen, de oudste mineralen die ooit op aarde zijn gevonden, om terug te kijken in het oude verleden van de planeet.

De oudste van de zirkonen in de studie, die uit de Jack Hills van West-Australië kwam, waren ongeveer 4,3 miljard jaar oud - wat betekent dat deze bijna onverwoestbare mineralen werden gevormd toen de aarde zelf nog in de kinderschoenen stond, slechts ongeveer 200 miljoen jaar oud. Samen met andere oude zirkonen verzameld uit de Jack Hills die de vroegste geschiedenis van de aarde overspannen tot 3 miljard jaar geleden, deze mineralen komen het dichtst in de buurt van wat onderzoekers hebben bij een continu chemisch record van de ontluikende wereld.

"We reconstrueren hoe de aarde veranderde van een gesmolten bal van steen en metaal tot wat we nu hebben, "Zei Ackerson. "Geen van de andere planeten heeft continenten of vloeibare oceanen of leven. Op een manier, we proberen de vraag te beantwoorden waarom de aarde uniek is, en we kunnen dat tot op zekere hoogte beantwoorden met deze zirkonen."

Om miljarden jaren in het verleden van de aarde te kijken, Ackerson en het onderzoeksteam verzamelden 15 rotsen ter grootte van een grapefruit uit de Jack Hills en reduceerden ze tot hun kleinste samenstellende delen - mineralen - door ze tot zand te malen met een machine die een aardeekhoorn wordt genoemd. Gelukkig, zirkonen zijn erg dicht, waardoor ze relatief eenvoudig te scheiden zijn van de rest van het zand met behulp van een techniek die vergelijkbaar is met goudwassen.

Het team testte meer dan 3, 500 zirkonen, elk slechts een paar mensenharen breed, door ze te beschieten met een laser en vervolgens hun chemische samenstelling te meten met een massaspectrometer. Deze tests onthulden de leeftijd en de onderliggende chemie van elke zirkoon. Van de duizenden getest, ongeveer 200 waren geschikt voor studie vanwege de verwoestingen van de miljarden jaren die deze mineralen sinds hun oprichting hebben doorstaan.

"Het ontsluiten van de geheimen die in deze mineralen worden bewaard, is geen gemakkelijke taak, "Zei Ackerson. "We hebben duizenden van deze kristallen geanalyseerd om een ​​handvol bruikbare datapunten te vinden, maar elk monster heeft het potentieel om ons iets compleet nieuws te vertellen en een nieuwe vorm te geven aan hoe we de oorsprong van onze planeet begrijpen."

Omdat elke zirkoon uranium bevat, kan de leeftijd van een zirkoon zeer nauwkeurig worden bepaald. De beroemde radioactieve aard van uranium en de goed gekwantificeerde vervalsnelheid stellen wetenschappers in staat om na te gaan hoe lang het mineraal al bestaat.

Het aluminiumgehalte van elke zirkoon was ook interessant voor het onderzoeksteam. Tests op moderne zirkonen tonen aan dat hoog-aluminium zirkonen slechts op een beperkt aantal manieren kunnen worden geproduceerd, waarmee onderzoekers de aanwezigheid van aluminium kunnen gebruiken om af te leiden wat er aan de hand is, geologisch gesproken, op het moment dat de zirkoon werd gevormd.

Na analyse van de resultaten van de honderden bruikbare zirkonen uit de duizenden getest, Ackerson en zijn co-auteurs ontcijferden ongeveer 3,6 miljard jaar geleden een duidelijke toename van aluminiumconcentraties.

"Deze verschuiving in de samenstelling markeert waarschijnlijk het begin van moderne platentektoniek en zou mogelijk kunnen wijzen op de opkomst van leven op aarde, "Zei Ackerson. "Maar we zullen veel meer onderzoek moeten doen om de connecties van deze geologische verschuiving met de oorsprong van het leven te bepalen."

De lijn van gevolgtrekking die hoog-aluminium zirkonen verbindt met het ontstaan ​​van een dynamische korst met platentektoniek gaat als volgt:een van de weinige manieren waarop hoog-aluminium zirkonen zich kunnen vormen, is door rotsen dieper onder het aardoppervlak te smelten.

"Het is heel moeilijk om aluminium in zirkonen te krijgen vanwege hun chemische bindingen, "Zei Ackerson. "Je moet behoorlijk extreme geologische omstandigheden hebben."

Ackerson redeneert dat dit teken dat rotsen dieper onder het aardoppervlak werden gesmolten, betekende dat de aardkorst dikker werd en begon af te koelen, en dat deze verdikking van de aardkorst een teken was dat de overgang naar moderne platentektoniek aan de gang was.

Voorafgaand onderzoek aan de 4 miljard jaar oude Acasta Gneiss in het noorden van Canada suggereert ook dat de aardkorst dikker werd en ervoor zorgde dat gesteente dieper in de planeet smolt.

"De resultaten van de Acasta Gneiss geven ons meer vertrouwen in onze interpretatie van de Jack Hills zirkonen, "Zei Ackerson. "Tegenwoordig zijn deze locaties duizenden mijlen van elkaar gescheiden, maar ze vertellen ons een vrij consistent verhaal, dat is dat er ongeveer 3,6 miljard jaar geleden iets wereldwijd belangrijks gebeurde."

Dit werk maakt deel uit van het nieuwe initiatief van het museum genaamd Our Unique Planet, een publiek-private samenwerking, die onderzoek ondersteunt naar enkele van de meest blijvende en belangrijke vragen over wat de aarde speciaal maakt. Ander onderzoek zal de bron van de vloeibare oceanen van de aarde onderzoeken en hoe mineralen mogelijk hebben bijgedragen aan het ontstaan ​​van leven.

Ackerson zei dat hij hoopt deze resultaten op te volgen door de oude zirkonen van Jack Hills te zoeken naar sporen van leven en door naar andere uiterst oude rotsformaties te kijken om te zien of ook zij tekenen vertonen van verdikking van de aardkorst ongeveer 3,6 miljard jaar geleden.