Ett internationellt team av forskare under ledning av geovetenskapare vid Virginia Tech College of Science upptäckte nyligen att djupa delar av jordens mantel kan vara lika heta som för mer än 2,5 miljarder år sedan.

Studien, ledd av Esteban Gazel, en biträdande professor vid Virginia Techs institution för geovetenskap, och hans doktorand Jarek Trela ​​från Deer Park, Illinois, publiceras i senaste numret av Naturgeovetenskap . Studien ger nya, oöverträffade bevis på den termiska utvecklingen av den djupa jorden under de senaste 2,5 miljarder åren, sa Gazel.

Den arkeiska eonen – som täckte för 2,5 till 4 miljarder år sedan – är en av de mest gåtfulla tiderna i vår planets utveckling, sa Gazel. Under denna tidsperiod, temperaturen på jordens mantel – silikatområdet mellan skorpan och den yttre kärnan – var varmare än den är idag, på grund av en högre mängd radioaktiv värme som produceras från sönderfallet av element som kalium, thorium, och uran. Eftersom jorden var varmare under denna period, detta intervall av geologisk tid markeras av den utbredda förekomsten av en unik sten som kallas komatiit.

"Komatiites är i grunden superhota versioner av lavaströmmar i hawaiisk stil, " sa Gazel. "Du kan föreställa dig ett hawaiiskt lavaflöde, bara komatiiter var så heta att de lyser vita istället för röda, och de flödade på en planetyta med mycket olika atmosfäriska förhållanden, mer lik Venus än planeten vi lever på idag."

Jorden slutade i huvudsak att producera rikligt med heta komatiiter efter den arkeiska eran eftersom manteln har svalnat under de senaste 4,5 miljarder åren på grund av konvektiv kylning och en minskning av radioaktiv värmeproduktion, sa Gazel.

Dock, Gazel och ett team gjorde vad de kallar en häpnadsväckande upptäckt när de studerade kemin i antika Galapagos-relaterade lavaflöden, bevarad idag i Centralamerika:en svit av lavor som visar förhållanden för smältning och kristallisation som liknar de mystiska arkeiska komatiiterna.

Gazel och medarbetare studerade en uppsättning stenar från den 90 miljoner år gamla Tortugal Suite i Costa Rica och fann att de hade magnesiumkoncentrationer så höga som arkeiska komatiiter, samt texturella bevis för extremt varma lavaflödestemperaturer.

"Experimentella studier säger oss att magnesiumkoncentrationen av basalter och komatiiter är relaterad till smältans initiala temperatur, " Sa Gazel. "De höjer temperaturen, desto högre magnesiumhalt i en basalt."

Teamet studerade också sammansättningen olivin, det första mineralet som kristalliserades från dessa lavor. Olivin – ett ljusgrönt mineral som Gazel tvångsmässigt har utforskat många vulkaner och magmatiska regioner för att leta efter – är ett extremt användbart verktyg för att studera ett antal förhållanden relaterade till ursprunget för ett lavaflöde eftersom det är den första mineralfasen som kristalliseras när en mantel smälta svalnar. Oliviner bär också inneslutningar av glas - som en gång smälte - och andra mindre mineraler som är användbara för att dechiffrera hemligheterna i den djupa jorden.

"Vi använde sammansättningen av olivin som en annan termometer för att bekräfta hur varma dessa lavor var när de började svalna, " Sa Gazel. "Du kan bestämma temperaturen som basaltisk lava började kristallisera genom att analysera sammansättningen av olivin och inneslutningar av ett annat mineral som kallas spinell. Vid högre temperaturer, olivin kommer att införliva mer aluminium i sin struktur och spinell kommer att införliva mer krom. Om du vet hur mycket av dessa grundämnen som finns i varje mineral, då vet du vid vilken temperatur de kristalliserades."

Teamet fann att Tortugal-oliviner kristalliserade vid temperaturer nära 2, 900 grader Fahrenheit (1, 600 grader Celsius) – lika höga som temperaturer registrerade av oliviner från komatiiter – vilket gör detta till ett nytt rekord på lavatemperaturer under de senaste 2,5 miljarder åren.

Gazel och medarbetare föreslår i sin studie att jorden fortfarande kan producera komatiitliknande smältor. Deras resultat tyder på att Tortugal lavas troligen härstammar från den heta kärnan av Galapagos mantelplym som började producera smältor för nästan 90 miljoner år sedan och har varit aktiv sedan dess.

En mantelplym är en djup jordstruktur som troligen har sitt ursprung vid planetens kärna-mantelgräns. När den närmar sig planetens yta börjar den smälta, bildar funktioner som kallas hotspots som de som finns på Hawaii eller Galapagos. Geologer kan sedan studera dessa hotspot-lavaflöden och använda deras geokemiska information som ett fönster in i den djupa jorden.

"Vad som verkligen är fascinerande med den här studien är att vi visar att planeten fortfarande är kapabel att producera lavas lika heta som under den arkeiska tidsperioden, ", sa Gazel. "Baserat på våra resultat från Tortugal lavas, vi tror att mantelplymer "knacka" ett djupt, varm region av manteln som inte har svalnat särskilt mycket sedan arkeiska. Vi tror att denna region förmodligen upprätthålls av värme från planetens kristalliserande kärna."

"Det här är en riktigt intressant upptäckt och vi kommer att fortsätta undersöka Tortugal, sa Trela, en doktorand och uppsatsens första författare. "Även om Tortugal Suite först upptäcktes och dokumenterades för mer än 20 år sedan, det var inte förrän nu som vi har teknologin och experimentellt stöd för att bättre förstå de globala konsekvenserna av den här platsen."

Trela ​​lade till, "Våra nya data tyder på att denna svit av stenar erbjuder fantastiska möjligheter att svara på nyckelfrågor om jordens ansamling, dess termiska utveckling, och de geokemiska meddelanden som mantelplymer för upp till planetens yta."