Jordens historia är skriven i dess element, men när de tektoniska plattorna glider och glider över och under varandra med tiden, de smutsar ner bevisen – och med dem hemligheterna bakom varför jorden kan upprätthålla liv.

En ny studie ledd av UChicago geokemister omarrangerar bilden av den tidiga jorden genom att spåra vägen för metalliskt element titan genom jordskorpan över tiden. Forskningen, publicerad 22 september in Vetenskap , tyder på att betydande tektoniska åtgärder ägde rum redan för 3,5 miljarder år sedan - ungefär en halv miljard år tidigare än vad man nu tror.

Skorpan var en gång gjord av jämnt mörkt, magnesium- och järnrika maffiska mineraler. Men idag ser skorpan väldigt annorlunda ut mellan land och hav:skorpan på land är nu en ljusare färgad felsic, rik på kisel och aluminium. Punkten då dessa två skildes åt är viktig, eftersom sammansättningen av mineraler påverkar flödet av näringsämnen som är tillgängliga för det nystartade livet som kämpar för att överleva på jorden.

"Denna fråga har diskuterats sedan geologer först började tänka på stenar, " sa huvudförfattaren Nicolas Dauphas, Louis Block-professorn och chef för Origins Laboratory vid Institutionen för geofysiska vetenskaper och Enrico Fermi Institute. "Det här resultatet är en överraskning och verkligen en omvälvning i den diskussionen."

För att rekonstruera skorpan som förändras över tiden, geologer tittar ofta på en viss typ av sten som kallas skiffer, består av små bitar av andra stenar och mineraler som transporteras av vatten till leravlagringar och komprimeras till berg. Det enda problemet är att forskare måste justera siffrorna för att ta hänsyn till olika väderförhållanden och transporter. "Det finns många saker som kan störa dig, " sa Dauphas.

För att undvika detta problem, Dauphas och hans team tittade på titan i skiffern med tiden. Detta element löser sig inte i vatten och tas inte upp av växter i näringskretslopp, så de trodde att data skulle ha färre fördomar att kämpa mot.

De krossade prover av skifferstenar i olika åldrar från hela världen och kollade i vilken form dess titan dök upp. Proportionerna av närvarande titanisotoper bör förändras när berget ändras från maffiskt till felsiskt. Istället, de såg liten förändring under tre och en halv miljard år, vilket tyder på att övergången måste ha skett innan dess.

Detta skulle också markera början på plattektoniken, eftersom den processen tros behövas för att skapa felsisk sten.

"Med ett sådant nollsvar, ser ingen förändring, det är svårt att föreställa sig en alternativ förklaring, " sa Matouš Ptáček, en UChicago doktorand som var medförfattare till studien.

"Våra resultat kan också användas för att spåra den genomsnittliga sammansättningen av den kontinentala skorpan genom tiden, ger oss möjlighet att undersöka tillgången på näringsämnen till haven för 3,5 miljarder år sedan, sa Nicolas Greber, tidningens första författare, sedan postdoktor vid UChicago och nu vid universitetet i Genève.

Fosfor leder till liv

Frågan om näringsämnen är viktig för vår förståelse av omständigheterna kring en mystisk men avgörande vändpunkt som kallas den stora syresättningshändelsen. Det var då syre började dyka upp som en viktig beståndsdel i jordens atmosfär, orsakar en enorm förändring på planeten – och gör det möjligt för flercelliga varelser att utvecklas.

Översvämningen av syre kom från en våg av fotosyntetiska mikroorganismer; och i sin tur främjades deras arbete av en våg av näringsämnen till haven, särskilt fosfor. "Fosfor är det viktigaste begränsande näringsämnet i det moderna havet. Om du gödslar havet med fosfor, livet kommer att blomma, " sa Dauphas.

Tidslinjen av titan antyder att den primära utlösaren för ökningen av fosfor var förändringen i sammansättningen av maffisk sten över tiden. När jorden svalnade, den maffiska stenen som kommer ut ur vulkaner och underjordiska smältor blev rikare på fosfor.

"Vi har länge vetat att maffisk rock förändrades över tiden, men vad vi inte visste var att deras bidrag till skorpan har varit ganska konsekvent, " sa Ptáček.