Oudste mineralen op aarde dateren begin van platentektoniek van 3,6 miljard jaar geleden

De aarde is de enige planeet waarvan we weten dat ze onderdak biedt aan complex leven en dat vermogen berust voor een deel op een ander kenmerk dat onze planeet uniek maakt: platentektoniek. De wetenschap kent geen andere planeten die een dynamische korst hebben zoals die van de aarde, een korst die verdeeld is in platen die bewegen, breken en met elkaar botsen in de loop van eonen, zeer lange tijdvakken.   

Platentektoniek maakte een verbinding mogelijk tussen de chemische reactor in het binnenste van de aarde en haar oppervlak, en die verbinding heeft de bewoonbare planeet tot stand gebracht waar de mens momenteel van geniet, van de zuurstof in de atmosfeer tot de concentraties van het klimaat regelende koolstofdioxide. Maar wanneer en hoe platentektoniek van start is gegaan, is een raadsel gebleven, begraven onder miljarden jaren van geologische tijd. 

Het onderzoeksteam gebruikte zirkonen, de oudste mineralen die ooit gevonden zijn op aarde, om terug te kijken in het verre verleden van de planeet. Het team bestond uit Dustin Trail van de University of Rochester in New York, Jacob Buettner van het Los Alamos National Laboratory in New Mexico en stond onder leiding van geoloog Michael Anderson van het Smithsonian's National Museum of Natural History in Washington DC. 

De zirkonen waren afkomstig uit de Jack Hills in Australië en de oudste exemplaren waren zo'n 4,3 miljard jaar oud, wat betekent dat deze nagenoeg onverwoestbare mineralen gevormd werden toen de aarde zelf nog in haar kinderjaren verkeerde en slechts zo'n 200 miljoen jaar oud was. Samen met andere oude zirkonen uit de Jack Hills die de vroegste geschiedenis van de aarde overbruggen tot zo'n 3 miljard jaar geleden, vormen deze mineralen de dichtste benadering die wetenschappers hebben van een onafgebroken chemische kroniek van de beginnende planeet. 

"We reconstrueren hoe de aarde veranderde van een gesmolten bal van rots en metaal naar wat we vandaag hebben", zei Ackerson. "Geen enkele van de andere planeten heeft continenten, of vloeibare oceanen of leven. In zekere zin proberen we de vraag te beantwoorden waarom de aarde uniek is, en tot op een zekere hoogte kunnen we die beantwoorden met deze zirkonen." 

Om miljarden jaren terug te kijken in de geschiedenis van de aarde, verzamelden Ackerson en het team 15 rotsen zo groot als een grapefruit en brachten die terug tot hun kleinste samenstellende delen - mineralen - door ze te vermalen tot zand met een machine die een chipmunk (aardeekhoorn) genoemd wordt. 

Gelukkig voor de onderzoekers zijn zirkonen erg dicht - hebben ze een grote soortelijke massa - wat het tamelijk eenvoudig maakt om ze te scheiden van de rest van het zand met een techniek die lijkt op het wassen van goud. 

Het team testte meer dan 3.500 zirkonen, allemaal slechts enkele mensenharen breed, door ze te beschieten met een laser en vervolgens hun chemische samenstelling te meten met een massaspectrometer. Die metingen brachten de ouderdom en de onderliggende chemische samenstelling van elk zirkoon aan het licht. 

Van de duizenden geteste zirkonen waren er slechts zo'n 200 geschikt voor het onderzoek, wat te wijten is aan de ravages van miljarden jaren die deze mineralen te verduren hebben gekregen sinds hun ontstaan. 

"Het ontsluiten van de geheimen die in deze mineralen zitten, is geen gemakkelijke klus", zei Ackerson. "We hebben duizenden van deze kristallen geanalyseerd om een handvol bruikbare gegevenspunten over te houden, maar elk staal heeft het potentieel om ons iets volledig nieuws te vertellen en onze kennis over de oorsprong van onze planeet een nieuwe vorm te geven. 

(lees verder onder de illustratie)

De ouderdom van zirkonen kan erg precies bepaald worden omdat ze allemaal uranium bevatten. Aangezien de halfwaardetijd van het radioactieve uranium goed bekend is, kunnen wetenschappers uitrekenen hoe lang het zirkoon al bestaan heeft, met andere woorden hoe oud het is. 

Ook de hoeveelheid aluminium in elk zirkoon was van groot belang voor het onderzoeksteam. Testen op moderne zirkonen tonen aan dat zirkonen met een hoog aluminiumgehalte enkel geproduceerd kunnen worden op een beperkt aantal manieren, wat de onderzoekers toelaat de aanwezigheid van aluminium te gebruiken om af te leiden wat er zich op geologisch vlak afgespeeld heeft toen het zirkoon gevormd werd. 

Na analyse van de resultaten van de honderden bruikbare zirkonen stelden Ackerson en zijn mede-auteurs een duidelijke toename vast van de aluminiumconcentraties zo'n 3,6 miljard jaar geleden. 

"Die verandering in de samenstelling duidt waarschijnlijk het begin aan van de moderne platentektoniek en zou mogelijk een teken kunnen zijn van het verschijnen van het leven op aarde", zei Ackerson. "Maar we zullen nog veel meer onderzoek moeten verrichten om de band van deze geologische verschuiving met de oorsprong van het leven vast te stellen."

De redenering die zirkonen met veel aluminium verbindt met het begin van een dynamische aardkorst met platentektoniek, gaat als volgt: een van de weinige manieren waarop dergelijke zirkonen gevormd kunnen worden is door rotsen te laten smelten dieper onder het oppervlak van de aarde. 

"Het is echt moeilijk om aluminium in zirkonen te krijgen vanwege hun chemische verbindingen", zei Ackerson. "Je hebt behoorlijk extreme geologische omstandigheden nodig."  

Ackerson gaat ervan uit dat dit signaal dat er rotsen gesmolten werden dieper onder het aardoppervlak, betekent dat de korst van de planeet dikker aan het worden was en begon af te koelen. En dat dit dikker worden van de aardkorst een teken was dat de overgang naar de moderne platentektoniek in gang was gezet. 

Eerder onderzoek naar de 4 miljard jaar oude Acasta Gneiss-rotsen in het noorden van Canada - de oudste bekende blootliggende rots op aarde - suggereert eveneens dat de korst van de aarde dikker aan het worden was en maakte dat rotsen dieper in de planeet gesmolten werden. 

"De resultaten van de Acasta Gneiss geven ons meer vertrouwen in onze interpretatie van de Jack Hills zirkonen", zei Ackerson. "Vandaag liggen er duizenden kilometers tussen die twee plaatsen, maar ze vertellen ons een behoorlijk consistent verhaal, namelijk dat rond 3,6 miljard jaar geleden er iets aan het gebeuren was dat wereldwijd significant was."

Ackerson zei dat hij hoopt deze resultaten een vervolg te geven door te zoeken naar sporen van leven in de zirkonen van de Jack Hills en door andere uitzonderlijk oude rotsformaties te onderzoeken om te zien of ze ook sporen vertonen van het dikker worden van de aardkorst zo'n 3,6 miljard geleden. 

Het onderzoek is een onderdeel van een nieuw initiatief van het National Museum of Natural History van het Smithsonian dat 'Our Unique Planet' heet. Het gaat om een publiek-private samenwerking die onderzoek ondersteunt naar een aantal van de meest langdurige en significante vragen over wat de aarde speciaal maakt. Ander onderzoek zal nagaan waar de vloeibare oceanen op aarde vandaan komen en hoe mineralen het ontstaan van het leven geholpen zouden kunnen hebben.

De studie van Ackerson, Trail en Buettner is gepubliceerd in Geochemical Perspectives Letters. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van Smithsonian Institution.