Dagens jord är en dynamisk planet med ett yttre lager som består av gigantiska plattor som mals ihop, glider förbi eller doppar under varandra, ger upphov till jordbävningar och vulkaner. Andra separeras vid undervattens bergsryggar, där smält sten sprider sig från centrum av stora havsbassänger.

Men ny forskning tyder på att så inte alltid var fallet. Istället, kort efter att jorden bildades och började svalna, planetens första yttre lager var ett enda, fast men deformerbart skal. Senare, detta skal började vikas och spricka mer, ger upphov till modern plattektonik.

Forskningen, beskrivs i en tidning publicerad 27 februari, 2017 i tidningen Natur , är den senaste salvan i en långvarig debatt inom det geologiska forskarsamhället:började plattektoniken direkt – en teori som kallas uniformitarism – eller gick jorden först igenom en lång fas med ett fast skal som täckte hela planeten? De nya resultaten tyder på att solid shell-modellen är närmast vad som verkligen hände.

"Modeller för hur den första kontinentala skorpan bildades delas i allmänhet in i två grupper:de som åberopar modern plattektonik och de som inte gör det, sa Michael Brown, en professor i geologi vid University of Maryland och en medförfattare till studien. "Vår forskning stöder det senare - ett "stillestånd lock" som bildar planetens yttre skal tidigt i jordens historia."

För att nå dessa slutsatser, Brown och hans kollegor från Curtin University och Geological Survey of Western Australia studerade stenar som samlats in från East Pilbara Terrane, ett stort område med forntida granitskorpa som ligger i delstaten västra Australien. Stenar här är bland de äldsta kända, från 3,5 till cirka 2,5 miljarder år. (Jorden är ungefär 4,5 miljarder år gammal.) Forskarna valde specifikt ut graniter med en kemisk sammansättning som vanligtvis förknippas med vulkaniska bågar – ett tecken på plattektonisk aktivitet.

Brown och hans kollegor tittade också på basaltstenar från den tillhörande Coucal-formationen. Basalt är stenen som produceras när vulkaner får utbrott, men det bildar också havsbotten, när smält basalt bryter ut vid utbredda åsar i mitten av havsbassänger. I dagens platttektonik, när havsbottenbasalt når kontinenterna, den sjunker – eller subducerar – under jordens yta, där den genererar vätskor som gör att den överliggande manteln smälter och så småningom skapar stora massor av granit under ytan.

Tidigare forskning antydde att Coucal-basalterna kunde vara källan för graniterna i Pilbara Terrane, på grund av likheterna i deras kemiska sammansättning. Brown och hans medarbetare försökte verifiera detta, men också för att testa ett annat sedan länge hållet antagande:kan Coucal-basalterna ha smält till granit på något annat sätt än subduktion av basalten under jordens yta? Om så är fallet, kanske plåttektonik ännu inte inträffade när pilbaragraniterna bildades.

För att ta itu med denna fråga, forskarna utförde termodynamiska beräkningar för att bestämma fasjämvikterna för genomsnittlig Coucal-basalt. Fasjämvikter är exakta beskrivningar av hur ett ämne beter sig under olika temperatur- och tryckförhållanden, inklusive temperaturen vid vilken smältningen börjar, mängden producerad smälta och dess kemiska sammansättning.

Till exempel, ett av de enklaste fasjämviktsdiagrammen beskriver vattnets beteende:vid låga temperaturer och/eller höga tryck, vatten bildar fast is, vid höga temperaturer och/eller låga tryck, vatten bildar gasformig ånga. Fasjämvikter blir lite mer involverade i stenar, som har komplexa kemiska sammansättningar som kan anta mycket olika mineralkombinationer och fysikaliska egenskaper baserat på temperatur och tryck.

"Om du tar en sten från hyllan och smälter den, du kan få ett fasdiagram. Men du har fastnat med en fast kemisk sammansättning, " sa Brown. "Med termodynamisk modellering, du kan ändra kompositionen, tryck och temperatur oberoende. Det är mycket mer flexibelt och hjälper oss att svara på några frågor som vi inte kan ta itu med med experiment på stenar."

Med hjälp av Coucal-basalterna och Pilbara-graniterna som utgångspunkt, Brown och hans kollegor konstruerade en serie modelleringsexperiment för att återspegla vad som kan ha hänt på en gammal jord utan plattektonik. Deras resultat tyder på att verkligen, Pilbara-graniterna kunde ha bildats från Coucal-basalterna.

Mer relevant, denna omvandling kunde ha inträffat i ett tryck- och temperaturscenario som överensstämmer med ett "stagnerande lock, " eller ett enda skal som täcker hela planeten.

Plattektoniken påverkar avsevärt temperaturen och trycket hos stenar i jordens inre. När en stenplatta sjunker under jordens yta, berget börjar relativt svalt och tar tid att få värme. När den når en högre temperatur, berget har också nått ett betydande djup, vilket motsvarar högt tryck — på samma sätt upplever en dykare högre tryck på större vattendjup.

I kontrast, ett "stillande lock"-regimen skulle vara mycket varmt på relativt grunda djup och låga tryck. Geologer hänvisar till detta som en "hög termisk gradient".

"Våra resultat tyder på att Pilbara-graniterna producerades genom att smälta Coucal-basalterna eller liknande material i en miljö med hög termisk gradient, " sa Brown. "Dessutom, sammansättningen av Coucal-basalterna indikerar att de, för, kom från en tidigare generation av källbergarter. Vi drar slutsatsen att en flerstegsprocess producerade jordens första kontinenter i ett scenario med "stagnerande lock" innan plattektoniken började."

"Jordens första stabila kontinenter bildades inte genom subduktion, "Tim Johnson, Michael Brown, Nicholas Gardiner, Christopher Kirkland och Hugh Smithies, publicerades 27 februari, 2017 i tidningen Natur .