Geoforskare från Michigan Technological University, University of Wisconsin Oshkosh och ETH Zurich har spårat ålder och kemiska signaturer lagrade i små zirkonmineraler för att undersöka återvinningen av kol från manteln till ytan genom tiden.

En bättre förståelse för dessa förändringar i kolåtervinning hjälper till att förbättra modeller om hur planetens tidiga processer övergick från den kalla snöbollsjorden med nästan globalt istäcke till mer tempererade svängningar mellan istider och uppvärmningsperioder. Teamets forskning kommer att publiceras i Naturgeovetenskap nästa måndag.

"Geokemin speglar en ojämvikt - och jorden måste driva ut allt detta för att försöka komma tillbaka till jämvikt, " säger Chad Deering, en av medförfattarna och en biträdande professor i geologi vid Michigan Tech. "Vad vi föreslår är att en serie händelser måste sammanfalla för att i slutändan leda till de optimala förhållanden som krävs för att frigöra en onormal mängd kol."

Den kemiska förändringen registreras på kontinenternas skala, men detaljerna i den kontinentens byggnad är låsta i lager-för-lager kristallstrukturer av små zirkoner samlade från Antarktis. Vissa av mineralerna är mindre än 100 mikron, knappt bredden av ett genomsnittligt människohår.

"Vi fokuserade på att titta på spårelementen i dessa zirkoner, " Deering säger. "Det finns ett klassificeringsschema som vi använder för att bestämma den ursprungliga bergarten som mineralet växte i, som sedan berättar vilken typ av magma som lämnade den speciella kemiska signaturen av spårämnen."

ETH Zürich-labbet använde sedan uran-bly-datering för att fastställa hur gamla proverna är. Med tanke på datum och spårämnen, vad Deering och hans team observerade är en topp i kolemitterande magmatyper som inträffade för mellan 500 och 700 miljoner år sedan under Ediacaran-perioden. Vad det betyder är att en betydande mängd kol troligen släpptes.

Vulkaner släpper ut mycket koldioxid - vissa mycket mer än andra. Alkaliska vulkaner som Etna i Italien och Mount Erebus i Antarktis dvärgar kolproduktionen från andra vulkaner med 10 till 50 gånger. Och det är samma typ av vulkanism som identifierades i zirkonerna som studerades av Deering.

"Alkalisk magma produceras genom att bara smälta en liten bit av manteln, " han förklarar, tillägger att även om den är sällsynt och liten i volym, deras betydelse ligger i mängden koldioxid som släpps ut och de speciella förhållanden de bildas under. "Vad som händer när subduktion sker är att manteln blir 'förorenad' med flyktigt material från jordens yta - vatten, kol, svavel."

Förändringarna som leder fram till denna betydelsefulla händelse är långsamma – sker under hundratals miljoner år – och har stora konsekvenser. När jorden svalnar med tiden och manteln blir allt mer förorenad, det kommer så småningom att generera alkalisk magma som kan bryta ut vid ytan. Den kallare subduktionen och mantelföroreningen kan producera stenar som kallas blueschists, väldokumenterad i rockregistret under Ediacaran-perioden, tillsammans med alkalisk vulkanism. Efter pulsen av kolrik vulkanism, atmosfäriska koldioxidspikar, som också registreras i kolisotopregistret, åtföljs av en uppvärmningsperiod. Allt sagt, denna serie av händelser gav upphov till atmosfären och geologiska cykler som formade planeten som den är idag.

"För att skapa en tidslinje, vi behövde ha datum på ett betydande antal zirkoner som spänner över många hundra miljoner år, " Deering säger. "I huvudsak, vi upptäckte att det genom hela jordens historia fanns en särskilt betydande puls av kol som släpptes ut som omedelbart föregick den kambriska explosionen, den viktigaste uppkomsten av liv som ännu inte har inträffat."

Plockat från små zirkoner, teamet använde de kemiska signaturerna från forntida vulkaner för att fastställa att en rad lyckliga händelser inträffade när de äldsta kontinenterna konstruerades och material återvunnits från ytan för att så småningom forma vår moderna kolcykel.