In een studie gepubliceerd in Earth and Planetary Science Letters , Parai en afgestudeerde student Judy Zhang gebruikten metingen van edelgassen uit vulkanisch gesteente van de Cook- en Australeilanden om aan te tonen dat platentektoniek al meer dan 2,5 miljard jaar gassen van het oppervlak naar de diepe aarde heeft getransporteerd.

Edelgassen zijn vooral nuttig voor diepgaand onderzoek omdat ze chemisch inert zijn. Sommige van hun isotopen zaten 4,5 miljard jaar geleden vast in het binnenland toen de aarde zich voor het eerst vormde, zei Zhang. "Ze laten een blijvende afdruk achter op de rotsen."

In het laboratorium van Parai kon Zhang meerdere edelgaselementen en hun isotopen meten, waaronder het zeldzame element xenon. Het patroon van de overvloed aan edelgas en hun kenmerkende isotopische kenmerken vertelden een belangrijk verhaal, zei Zhang.

Zoals Zhang uitlegde, werden de rotsen van Cook-Austral Island door vulkaanuitbarstingen van diep in de mantel van de planeet naar het aardoppervlak gebracht. De kenmerkende edelgassen in de rotsen lieten zien dat tektonische platen diep in het verleden relatief koel waren toen ze subductie ondergingen (het proces waarbij oppervlaktegesteente naar de mantel zinkt), zo'n 2,5 miljard jaar geleden.

Sommige onderzoekers theoretiseerden dat de planeet destijds misschien wel veel heter en veel ruwer was dan de wereld die we nu kennen. De aanwezigheid van xenon toont aan dat subductie plaatsvond onder geologische omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die van de moderne tijd. "Als het gesteente bij veel hogere temperaturen was ondergedompeld, zou het al zijn gassen hebben verloren", zei Zhang. "Dit is een zeer opwindende bevinding."

Het detecteren van xenonatomen is niet zoiets als het vinden van een speld in een hooiberg; het is alsof je een microscopisch kleine naald in een heel hooiveld vindt. Edelgassen zijn al een zeldzaam verschijnsel in gesteente, en xenon dat oude platentektoniek kan traceren is exponentieel ongrijpbaarder. "Er zijn slechts ongeveer 100.000 xenonatomen voor elke gram materiaal", zei Parai. Dat is ongeveer 1 op de 10 biljard atomen.

De onderzoekers moesten gas winnen uit grote hoeveelheden van het mineraal olivijn in deze rotsen om het zwakste signaal te krijgen. "Het is alsof we aan het uitzoeken zijn hoe we bloed uit een steen kunnen persen", zei Parai.

Afgelopen december verzamelde Zhang meer gesteentemonsters van de oceaanbodem tijdens een 28-daagse onderzoekscruise in de Stille Zuidzee onder leiding van Doug Wiens, de Robert S. Brookings Distinguished Professor. Analyse van de rotsen in het laboratorium van Parai zou nog meer inzicht moeten bieden in het diepe verleden van de aarde. "We verleggen de grenzen van de analyse en kijken miljarden jaren terug", aldus Zhang.

Meer informatie: Xinmu J. Zhang et al, Primordiale en gerecyclede edelgassen in de Cook-Austral HIMU-mantel:inzichten in het begin van vluchtige subductie, Earth and Planetary Science Letters (2024). DOI:10.1016/j.epsl.2024.118591

Journaalinformatie: Wetenschapsbrieven over de aarde en de planeet

Aangeboden door de Washington Universiteit in St. Louis