Kemiska signaturer i skiffer, jordens vanligaste sedimentära bergart, pekar på en snabb landhöjning över havet för 2,4 miljarder år sedan som möjligen utlöste dramatiska förändringar i klimat och liv.

I en studie publicerad i 24 maj-numret av tidskriften Natur , forskare rapporterar att skiffer som tagits från hela världen innehåller arkivkvalitetsbevis för nästan omärkliga spår av regnvatten som orsakade vittring av land från så gammalt som 3,5 miljarder år sedan.

Anmärkningsvärda förändringar i förhållandet syre 17 och 18 med vanligare syre 16, sa huvudförfattaren Ilya Bindeman, en geolog vid University of Oregon, lät forskare läsa den kemiska historien i klipporna.

Genom att göra så, de etablerade sig när skorpan som nyligen hade kommit till ytan utsattes för väderpåverkan genom kemiska och fysikaliska processer, och, mer allmänt, när den moderna hydrologiska processen med fuktdestillation under transport över stora kontinenter startade.

Bevisen är från analyser av tre syreisotoper, särskilt det sällsynta men stabila syret 17, i 278 skifferprover tagna från hällar och borrhål från varje kontinent och spänner över 3,7 miljarder år av jordens historia. Analyserna gjordes i Bindemans stabila isotoplaboratorium.

Baserat på hans egen tidigare modellering och andra studier, Bindeman sa, den totala landmassan på planeten för 2,4 miljarder år sedan kan ha nått ungefär två tredjedelar av vad som observeras idag. Dock, uppkomsten av det nya landet skedde abrupt, parallellt med storskaliga förändringar i manteldynamiken.

Isotopiska förändringar som registrerades i skifferproverna vid den tiden sammanfaller också med den hypotesiska tidpunkten för landkollisioner som bildade jordens första superkontinent, Kenorland, och höga bergsområden och platåer.

"Skorpan måste vara tjock för att sticka ut ur vattnet, ", sa Bindeman. "Tjockleken beror på dess mängd och även på termisk reglering och mantelns viskositet. När jorden var varm och manteln var mjuk, stor, höga berg kunde inte stödjas. Våra data indikerar att detta förändrades exponentiellt för 2,4 miljarder år sedan. Den svalare manteln kunde stödja stora delar av land över havet."

Temperaturerna på ytan när det nya landet dök upp ur havet skulle sannolikt ha varit flera tiotals grader varmare än idag, han sa.

Studien fann en stegvis förändring av trippelisotoper av syre runt den tidsramen. Den där, forskarna sa, löser tidigare argument för en gradvis eller stegvis uppkomst av mark för mellan 1,1 och 3,5 miljarder år sedan. För 2,4 miljarder år sedan, Bindeman sa, det nyuppkomna landet började förbruka koldioxid från atmosfären under kemisk vittring.

Tidpunkten sammanfaller också med övergången från Archean Eon, när enkla prokaryota liv bildas, arkéer och bakterier, trivdes i vatten, till den proterozoiska eonen, när eukaryoter, som alger, växter och svampar, dök upp.

"I den här studien, vi tittade på hur vittringen fortgick under 3,5 miljarder år, " Sa Bindeman. "Land som stiger upp ur vatten förändrar planetens albedo. Initialt, Jorden skulle ha varit mörkblå med några vita moln när den sågs från rymden. Tidiga kontinenter lades till eftertanke. Idag har vi mörka kontinenter på grund av mycket växtlighet."

Exponering av det nya landet för väderpåverkan, han sa, kan ha satt igång en sänka av växthusgaser såsom koldioxid, stör jordens strålningsbalans som genererade en serie glaciala episoder för mellan 2,4 miljarder och 2,2 miljarder år sedan. Den där, han sa, kan ha skapat den stora syresättningshändelsen där atmosfäriska förändringar förde in betydande mängder fritt syre i luften. Stenar oxiderades och blev röda. Arkeiska stenar är grå.

I avsaknad av mycket mark, han sa, fotoner från solen interagerade med vatten och värmde upp det. En ljus yta, tillhandahålls av framväxande mark, skulle reflektera solljuset tillbaka till rymden, skapar ytterligare vridmoment på balansen mellan strålning och växthus och en förändring i klimatet.

"Vad vi spekulerar är att när stora kontinenter väl uppstod, ljus skulle reflekteras tillbaka till rymden och initiera skenande glaciation, " sa Bindeman. "Jorden skulle ha sett sitt första snöfall."

Skiffer bildas genom vittring av skorpan.

"De berättar mycket om exponeringen för luft och ljus och nederbörd, ", sa Bindeman. "Processen av att bilda skiffer fångar upp organiska produkter och hjälper så småningom till att generera olja. Skiffer ger oss ett kontinuerligt rekord av vittring."