Mineraler fångade inuti små kristaller som har överlevt kontinenternas malning under miljarder år kan hjälpa till att avslöja ursprunget till plattektoniken och kanske till och med ge ledtrådar om hur komplext liv växte upp på jorden.

Teorin om plattektonik – som beskriver hur jordskorpan är uppdelad i plattor som flyter och glider på ett lager av formbar sten nedanför – blev allmänt accepterad av vetenskapen för omkring 50 år sedan. Processen tros till stor del ha format världen omkring oss genom att göra det möjligt för kontinenter att bildas, kastar upp enorma bergskedjor när de kolliderar, skapa vulkaniska öar och utlösa katastrofala jordbävningar.

Men det finns fortfarande debatt om exakt hur och när i vår planets 4,5 miljarder år långa historia plattorna bildades, uppskattningarna varierar från mindre än en miljard till 4,3 miljarder år sedan.

Det är också oklart exakt hur snabbt plattektoniken utvecklades, säger Dr Hugo Moreira, en geolog vid universitetet i Montpellier i Frankrike. Delade jordskorpan plötsligt i flera plattor och började röra sig under bara tiotals miljoner år, eller var processen mycket mer gradvis, tar hundratals miljoner år eller mer?

Att förstå detta kan visa sig vara avgörande för att förstå inte bara hur planeten själv har utvecklats, men också hur livet kan ha kickstartats på jorden. De förhållanden som skapats av plattektoniken tros ha hjälpt till att göra jorden gästvänlig mot liv i första hand och även tillhandahållit viktiga näringsämnen som behövs för att komplext flercelligt liv ska blomstra.

Kristalltidskapslar

Dr. Moreira och hans kollegor söker svar på dessa frågor inuti små zirkonkristaller, som är tidskapslar från jordens avlägsna förflutna på grund av deras extrema robusthet. De finns ofta bevarade i berg trots inverkan av ständig vittring och geologiska händelser.

Många av dessa kristaller har tidigare daterats genom att analysera det radioaktiva sönderfallet av isotoper – olika former av grundämnen – som de innehåller. Vissa har hittats så långt tillbaka som för 4,4 miljarder år sedan, de tidigaste kända fragmenten av jordskorpan.

"Det är därför zirkon är fantastiskt, för även om klipporna som utgör kontinenterna förstördes, zirkonen överlevde i sedimentregistret, " sa Dr. Moreira. Forskare har tidigare använt zirkonkristaller för att studera historien om jordens kontinentala skorpa, men det har ännu inte räckt för att ge en definitiv konsensus för hur plattektoniken började, han säger.

"Efter att ha analyserat hundratusentals av dem, vi har fortfarande inget avtal, sade Dr Moreira, en medlem av MILESTONE-projektet som leds av Dr Bruno Dhuime, en geovetenskapsforskare för det franska nationella centret för vetenskaplig forskning också vid universitetet i Montpellier.

Forskarna hoppas kunna använda dessa kristaller - som vanligtvis mäter ungefär en tiondels millimeter, eller ungefär tjockleken på ett människohår – för att förbättra vår insikt om timingen och utvecklingen av plattektoniken.

MILESTONE-gruppen kommer att borra ner till en ännu mindre skala - ungefär en hundradels millimeter - för att undersöka spår av apatit- och fältspatmineraler som fångas inuti zirkonkristallerna. Strontium- och blyisotoper i dessa "inneslutningar" kan lägga till oöverträffade detaljer om zirkonets källa till bildning och om detta inträffade i de olika typerna av magma under stillastående eller rörliga plattor, säger Dr Moreira.

"Det kommer att vara ett avgörande steg mot en bättre förståelse av hur vår planet utvecklades, " sa han. "Om vi ​​lyckas mäta isotopsammansättningen av dessa små inneslutningar, vi kan säga vad var sammansättningen av bergarten från vilken zirkonen kristalliserades. Vi kan kanske förstå hur utvecklad jordskorpan var vid den tidpunkten och i vilken typ av tektoniska miljöer magman bildades."

Denna analys i liten skala har gjorts möjlig genom inrättandet av ett laboratorium som innehåller en specialiserad, mycket känslig masspektrometer, utrustning som mäter atomernas egenskaper.

Teamet hoppas kunna börja analysera prover nästa månad, slutligen undersöker inneslutningar i mer än 5, 000 zirkoner i varierande ålder från hela världen för att bygga upp en storskalig bild. "Vad vi vill göra är att fastställa när plattektoniken blev global istället för när den var lokaliserad i isolerade punkter här och där, " sa Dr Moreira.

Underjordiska strukturer

I motsatt ände av skalan, andra forskare har letat efter ledtrådar till ursprunget till plattektoniken i två massiva strukturer av kontinentstorlek som hittats djupt under jorden under Stillahavs- och afrikanska plattor.

Dessa 'termokemiska högar, " mysterious structures located about 2, 900 kilometres below the surface at the boundary between Earth's core and mantle, were discovered in the 1990s with the aid of seismic tomography—imaging from seismic waves produced by earthquakes or explosions. They were detected as potentially warmer areas of material in which seismic waves travel at different speeds than in the surrounding mantle, but there is still much debate about exactly what they are, including their composition, longevity, shape and origins.

Over the past couple of decades, a 'fiery' debate has arisen over their proposed link to movements on the planet's surface and so their potential involvement in the emergence of plate tectonics, explained Dr. Philip Heron, a geoscientist who studied the structures as lead researcher on the TEROPPLATE project at Durham University.

"These piles are thought to have an impact on how material moves within the planet, and therefore how the surface behaves over time, " he said. Events on the surface may in turn drive their activity.

One theory is that these piles are stable for long geological periods and their edges correspond with the position of key features involved in plate tectonics on Earth's surface, such as supervolcanoes.

Dock, their extreme depth makes these piles difficult to observe directly. "Given that these structures are in places 100 times higher than Mount Everest, they may be the largest things in our planet that we know the least about, " said Dr. Heron.

Supercomputer power

The TEROPPLATE project harnessed supercomputer power to investigate. Using more than 1, 000 computers working in tandem, the team developed 3-D models of Earth to show how the assumed chemical composition of large hot regions deep underground might influence the formation and location of deep mantle plumes.

Dock, their models indicated that the piles may be more passive in plate tectonics than initially thought and that the world would still form similar geological features without them. "When looking at the positioning of large plumes of material that form supervolcanoes, our numerical simulations indicated that the chemical piles were not the controlling factor in this, " said Dr. Heron.

But he added that these findings were not fully conclusive and have also opened the door to other interesting avenues for research—such as exploring the implications that these structures are constantly moving through the mantle rather than being largely stationary.

"It gives weight to the theory that the chemical piles may not be rigid and fixed in our planet, and that the deep Earth may evolve as readily as the continents on our surface move around, " he said. "It's a push to start looking deeper."

Some of TEROPPLATE's results also indicate that the piles may have been robust enough to survive Earth's earliest beginnings. That makes it feasible for them to have been around for the start of plate tectonics and thus to have had roles in the process that we don't yet know about, adds Dr. Heron.

All of this could have implications for understanding our own place on Earth too. Om, till exempel, plate tectonics evolved rapidly early in Earth's history, it may raise questions such as why complex life didn't emerge earlier or just how closely the two are linked, says Dr. Moreira.

"To fundamentally understand where plate tectonics comes from is potentially the essence of life, " added Dr. Heron. "On Earth, there's not a thing that hasn't been impacted by it."