De första 1,5 miljarder åren av jordens utveckling är föremål för stor osäkerhet på grund av avsaknaden av någon betydande stenrekord före fyra miljarder år sedan och ett mycket begränsat rekord fram till cirka tre miljarder år sedan. Bergarter av denna ålder är vanligtvis omfattande förändrade vilket gör jämförelser med modern rock ganska svåra. I ny forskning utförd vid LSU, forskare har hittat bevis som visar att komatiiter, tre miljarder år gammal vulkanisk sten som finns i jordens mantel, hade en annan sammansättning än moderna. Deras upptäckt kan ge ny information om de första en miljard åren av jordens utveckling och livets tidiga ursprung. Resultatet av teamets arbete har publicerats i oktober 2017 års upplaga av Naturgeovetenskap .

Grundforskningen kom från mer än tre decennier av LSU-forskare som studerade och kartlade Barbertonbergen i Sydafrika. Forskargruppen, inklusive LSU geologiprofessorerna Gary Byerly och Huiming Bao, geologi doktorand Keena Kareem, och LSU-forskaren Benjamin Byerly, genomförde kemiska analyser av hundratals komatiitstenar som provtagits från cirka 10 lavaströmmar.

"Tidiga arbetare hade kartlagt stora områden felaktigt genom att anta att de var korrelativa till den mycket mer berömda Komati-formationen i den södra delen av bergen. Vi upptäckte detta fel och började en detaljerad studie av stenarna för att bevisa våra kartläggningsbaserade tolkningar, sa Gary Byerly.

Inom klipporna, de upptäckte ursprungliga mineraler som kallas färsk olivin, som hade bevarats i anmärkningsvärd detalj. Även om mineralet sällan finns i bergarter som utsätts för metamorfos och ytvittring, olivin är huvudbeståndsdelen i jordens övre mantel och styr naturen av vulkanism och tektonism på planeten. Genom att använda kompositioner av dessa färska mineraler, forskarna hade tidigare dragit slutsatsen att dessa var de hetaste lavorna som någonsin brutit ut på jordens yta med temperaturer nära 1600 grader Celsius, vilket är ungefär 400 grader varmare än moderna utbrott på Hawaii.

"Att upptäcka färsk oförändrad olivin i dessa gamla lavor var ett anmärkningsvärt fynd. Fältarbetet var fantastiskt produktivt och vi var ivriga att återvända till labbet för att använda kemin i dessa bevarade olivinkristaller för att avslöja ledtrådar om den arkeiska manteln, sa Kareem

Forskarna föreslår att kanske en bit av det tidiga jordens magmahav finns bevarat i de cirka 3,2 miljarder år gamla mineralerna.

"Den moderna jorden visar få eller inga bevis för detta tidiga magmahav eftersom konvektion av manteln till stor del har homogeniserat skiktningen som produceras i magmahavet. Syreisotoper i dessa färska oliviner stödjer förekomsten av gamla bitar av det frusna magmahavet. Detta är mycket sällsynt och vetenskapligt värdefullt. Ett uppenbart nästa steg var att göra syreisotoper, sa Byerly.

Denna studie växte fram från arbete som ägde rum i LSU:s laboratorium för studier av syreisotoper, en anläggning i världsklass som lockar forskare från USA och internationella institutioner för samarbete. Resultaten av studien var så ovanliga att det krävdes extra noggrannhet för att vara säker på resultaten. Huiming Bao, som också är chef för LSU:s syreisotoplabb, sa att teamet trippel- och fyrfaldigt kontrollerade data genom att köra med olika referensmineraler och genom att kalibrera med andra oberoende labb.

"Vi försökte förena resultaten med några av de konventionella förklaringarna till lavor med syreisotopsammansättningar som dessa, men ingenting kunde helt förklara alla observationer. Det blev uppenbart att dessa stenar bevarar signaturer av processer som inträffade för över fyra miljarder år sedan och som fortfarande inte helt förstås, sa Benjamin Byerly.

Syreisotoper mäts genom att berg eller mineraler omvandlas till en gas och mäter syreförhållandena med de olika massorna 16, 17, och 18. En mängd olika processer fraktionerar syre på jorden och i solsystemet, inklusive atmosfäriska, hydrosfärisk, biologisk, och hög temperatur och tryck.

"Olika planeter i vårt solsystem har olika syreisotopförhållanden. På jorden modifieras detta av ytatmosfär och hydrosfär, så variationer kan bero på antingen heterogen mantel (ursprunglig ackumulering av planetrester eller rester av magmahav) eller ytprocesser, "sa Byerly." Antingen kan vara intressant att studera. Det senare eftersom det också skulle ge information om jordens tidiga yttemperatur och livets tidiga ursprung."