Gammal, distinkt, kontinenter av bergarter, isolerad sedan före kollisionen som skapade månen för 4,5 miljarder år sedan, finns hundratals mil under jordskorpan, erbjuder ett fönster in i byggstenarna på vår planet, enligt ny forskning.

Den nya studien i AGU -tidskriften Geokemi, Geofysik, Geosystem använde modeller för att spåra platsen och ursprunget för vulkaniska bergprover som finns över hela världen tillbaka till två fasta kontinenter i den djupa manteln. Den nya forskningen tyder på att de specifika jätte stenregionerna har funnits i 4,5 miljarder år, sedan jordens början.

Tidigare, forskare teoretiserade att separerade kontinenter i den djupa manteln kom från subducerade oceaniska plattor. Men den nya studien indikerar att dessa distinkta regioner kan ha bildats från ett gammalt magmahav som stelnade under jordens början och kan ha överlevt den massiva månskapande effekten.

Att bestämma massornas ursprung avslöjar fler detaljer om deras utveckling och sammansättning, liksom ledtrådar om jordens urhistoria i det tidiga solsystemet, enligt studiens författare.

Det är fantastiskt att dessa regioner har överlevt större delen av jordens vulkanhistoria relativt orörd, sa Curtis Williams, en geolog vid University of California, Davis, i Davis, Kalifornien och huvudförfattare till studien.

Tittar inåt

Manteln är ett lager av sten, stretching 2, 900 kilometer (1, 802 miles) nere inne i jorden. Jorden är smält, flytande, metallkärnan ligger under manteln. Kärnmantelgränsen är där den fasta manteln möter den metalliska flytande kärnan.

Forskare visste från tidigare seismiska avbildningsstudier att två enskilda bergkroppar existerade nära kärnmantelgränsen. En solid bergkropp är under Afrika och den andra är under Stilla havet.

Seismiska vågor, vibrationer som produceras av jordbävningar, rör sig annorlunda genom dessa massor än resten av manteln, tyder på att de har distinkta fysiska egenskaper från den omgivande manteln. Men geologer kunde inte avgöra om seismiska vågor rörde sig annorlunda genom kärnmantelkontinenterna på grund av skillnader i deras temperatur, mineralsammansättning eller densitet, eller någon kombination av dessa egenskaper. Det innebar att de bara kunde hypotesera om de separata steniga massornas ursprung och historia.

"Vi hade alla dessa geokemiska mätningar från jordens yta, men vi visste inte hur vi skulle relatera dessa geokemiska mätningar till områden i jordens inre. Vi hade alla dessa geofysiska bilder av jordens inre, men vi visste inte hur vi skulle relatera det till geokemin på jordens yta, "Sa Williams.

Primitivt material och plymer

Williams och hans kollegor ville bestämma de olika massornas ursprung och utveckling för att lära sig mer om jordens sammansättning och förflutna. Att göra detta, de behövde kunna identifiera prover på jordens yta med högre koncentrationer av primitivt material och sedan spåra dessa prover tillbaka till deras ursprung.

Forskare tar ofta stenprover från vulkaniska regioner som Hawaii och Island, där djupa mantlar plommar, eller kolumner av extremt het sten, stiga från områdena nära kärnan, smälter i den grunda manteln och kommer långt från tektoniska felledningar. Dessa prover är gjorda av magmatiska bergarter som skapats av kylande lava. Studiens författare använde en befintlig databas med prover och samlade också nya prover från vulkaniskt aktiva områden som Ballenyöarna i Antarktis.

Geologer kan mäta specifika isotoper i magmatiska bergarter för att lära sig mer om jordens ursprung och utveckling. Några isotoper, som Helium-3, är ursprungliga, vilket betyder att de skapades under Big Bang. Stenar närmare jordskorpan har mindre av isotopen än stenar djupare under jorden som aldrig utsattes för luft. Prover med mer Helium-3 tros komma från mer primitiva stenar i manteln.

Forskarna fann att några av de prover de studerade hade mer Helium-3, indikerar att de kan ha kommit från primitiva stenar djupt i jordens mantel.

Forskarna använde sedan en ny modell för att spåra hur dessa primitiva prover kunde ha kommit till jordens yta från manteln. Geologiska modeller antar att plumes stiger vertikalt från djupt inuti manteln till jordens yta. Men plymer kan röra sig ur kurs, avböjda, av olika skäl. Den nya modellen tog hänsyn till denna plumavböjning, låta studiens författare spåra proverna tillbaka till de två jättemassorna nära kärnmantelgränsen.

Kombinationen av isotopinformationen och den nya modellen gjorde det möjligt för forskarna att bestämma sammansättningen av de två jättemassorna och teoretisera hur de kan ha bildats.

Att förstå sammansättningen av specifika bergmassor nära kärnmantelgränsen hjälper geologer att konceptualisera gamla jordformande processer som ledde till dagens mantel, enligt studiens författare.

"Det är en mer robust ram att försöka besvara dessa frågor när det gäller att inte göra dessa antaganden om vertikalt stigande material utan snarare att ta hänsyn till hur mycket avböjning dessa plumes har sett, "Sa Williams.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av AGU Blogs (http://blogs.agu.org), en gemenskap av bloggar om jord- och rymdvetenskap, värd av American Geophysical Union. Läs den ursprungliga historien här.