Jordens mantel är gjord av fast sten som ändå cirkulerar långsamt under miljontals år. Vissa geologer antar att denna långsamma cirkulation skulle ha torkat bort alla geokemiska spår av jordens tidiga historia för länge sedan. Men en ny studie ledd av University of Maryland geologer har hittat nya bevis som kan gå tillbaka mer än 4,5 miljarder år.

Författarna till forskningsartikeln, publicerad 7 april i tidskriften Vetenskap , studerat vulkaniska stenar som nyligen bröt ut från vulkaner på Hawaii och Samoa. Stenarna innehåller överraskande geokemiska anomalier - "fingeravtrycken" av förhållanden som fanns kort efter att planeten bildades.

Forskarna är ännu inte säkra på hur jordens mantel bevarade dessa anomalier. Men gruppens resultat tyder på att vissa av dessa stenar innehåller material som överlevt genom hela jordens historia - och att planetens inre kanske inte är väl blandat trots allt.

"Vi hittade geokemiska signaturer som måste ha skapats för nästan 4,5 miljarder år sedan, sa Andrea Mundl, en postdoktor i geologi vid UMD och huvudförfattaren till studien. "Det var särskilt spännande att hitta dessa anomalier i så unga stenar. Vi vet ännu inte hur dessa signaturer överlevde så länge, men vi har några idéer."

De anomala signaturerna finns i förhållandet mellan nyckelisotoper av två element:volfram och helium.

När det gäller volfram, som har många isotoper, det viktiga förhållandet är volfram-182 till volfram-184. Den tyngre isotopen, volfram-184, är stabil och har funnits sedan planeten först bildades. Tungsten-182, å andra sidan, resultat från sönderfallet av hafnium-182, som är mycket instabil. Allt naturligt förekommande hafnium-182 sönderföll under de första 50 miljoner åren av jordens historia, lämnar wolfram-182 på sin plats.

Volfram och hafnium betedde sig väldigt olika under planetens första 50 miljoner år. Volfram tenderar att associeras med metaller, så det mesta migrerade till jordens kärna, medan hafnium, som tenderar att associeras med silikatmineraler, stannade i jordens mantel och skorpa. De flesta av stenarna på jorden har ett liknande förhållande mellan volfram-182 och volfram-184, och detta förhållande fungerar som en global baslinje. Geologer kan lära sig mycket av bergarter med en ovanligt hög eller låg mängd volfram-182 – vilket indikerar hur mycket hafnium-182 som fanns i berget för länge sedan.

"Nästan alla dessa anomalier bildades inom de första 50 miljoner åren efter att solsystemet bildades, ", sa Mundl. "Högre än normala nivåer av volfram-182 ses i mycket gamla stenar som sannolikt innehöll mycket hafnium för länge sedan. Men lägre nivåer av volfram-182 är sällsynta, och liknar det vi kan förvänta oss att se djupt under ytan, i eller nära planetens metalliska kärna."

Säker nog, Mundl och hennes kollegor observerade en ovanligt låg mängd volfram-182 i några av stenarna från Hawaii och Samoa. På egen hand, volfram isotopförhållandet är intressant, men inte tillräckligt för att dra några övertygande slutsatser. Men forskarna observerade också att samma stenar innehåller ett ovanligt förhållande av heliumisotoper.

Helium-3 är extremt sällsynt på jorden, och tenderar att dyka upp i prover av sten som inte har smälts eller på annat sätt återvunnits sedan planeten först bildades. Helium-4, å andra sidan, kan bildas från radioaktivt sönderfall av uran och torium. Ett högre förhållande än normalt mellan helium-3 och helium-4 indikerar vanligtvis mycket gamla stenar som inte har förändrats nämnvärt sedan planeten bildades.

"Variationer i heliums isotopsammansättning har varit kända länge, men har aldrig korrelerats med andra geokemiska parametrar, " sa Richard Walker, professor och institutionsordförande i geologi vid UMD och medförfattare till uppsatsen. "Stenar med höga helium-3 till helium-4-förhållanden har ofta spekulerats innehålla "primitivt" mantelmaterial, men hur primitivt visste man inte. Våra volframdata visar att det verkligen är väldigt primitivt, med källregionen som troligen bildas inom de första 50 miljoner åren av solsystemets historia."

Mundl, Walker och deras medförfattare föreslår några olika scenarier som kunde ha producerat de volfram- och heliumanomalier som de observerade i vulkaniska stenar från Hawaii och Samoa. Kanske hämtar vulkanerna material från jordens kärna, där förhållandena förväntas gynna låg volfram-182 och hög helium-3.

Alternativt jordens steniga yttre yta kan ha bildats i fläckar, med stora magmahav emellan. Delar av dessa magmahav kan ha kristalliserat och sjunkit till gränsen mellan manteln och kärnan, bevara de gamla volfram- och heliumsignaturerna.

"Var och en av dessa scenarier innehåller några inkonsekvenser som vi ännu inte kan förklara, "Men det här är ett spännande resultat som säkerligen kommer att generera många intressanta nya forskningsfrågor."