En ny studie från forskare vid Scripps Institution of Oceanography vid UC San Diego och University of Chicago kastar ljus över en hett omtvistad debatt inom geovetenskap:när började plattsubduktion?

Enligt resultat publicerade 9 december i tidskriften Vetenskapliga framsteg , denna process kunde ha startat för 3,75 miljarder år sedan, omforma jordens yta och sätta scenen för en gästvänlig planet.

För geokemister som Scripps biträdande professor och studiehuvudförfattare Sarah Aarons, ledtrådarna till jordens tidigaste beboelighet ligger i de element som forntida stenar består av - speciellt titan. Aarons analyserade prover av jordens äldsta kända stenar från Acasta Gneiss Complex i den kanadensiska tundran - en häll av gnejser 4,02 miljarder år gamla. Dessa stenar är daterade från Hadean eon, som började i början av jordens bildning och definierades av helvetesförhållanden på en planet som skulle se främmande ut för våra moderna ögon.

Aarons forskning fokuserade på isotoper, som är variationer av samma grundämne baserat på antalet neutroner de har. Tar proverna från Acasta Gneiss från Jesse Reimink, en biträdande professor vid Penn State University, hon krossade bitar av berget till ett pulver som sedan värmdes för att bilda en glaspärla, en process som möjliggör upplösning av titanet hon sökte analysera. När den svalnat, pärlan löstes i syra och titanet separerades kemiskt från andra grundämnen. Aarons kunde sedan bestämma variationerna av titanisotoper som finns i provet med hjälp av en masspektrometer i Origins-labbet ledd av hennes medarbetare Nicolas Dauphas vid University of Chicago.

Aarons jämförde dessa prover med nyare, moderna stenar bildade i subduktionszoner. I prover i åldern 3,75 miljarder år, hon märkte likheter i struktur och komposition med de moderna, tyder på att platta subduktion började runt den tiden.

"Mycket tidigare arbete har gjorts på dessa stenar för att noggrant datera dem, och tillhandahålla det geokemiska och petrologiska sammanhanget, " sa Aarons. "Vi hade mycket tur som fick möjligheten att mäta titanisotopkompositioner, ett spirande isotopsystem i dessa prover."

Att studera historia och början på gamla subduktionszoner är notoriskt svårt. Stenar förstörs ständigt när skorpan drivs inåt i manteln, lämnar efter sig några prover som går tillbaka till jordens tidigaste historia. Forskare har länge diskuterat när platttektonik och subduktion började, med uppskattningar från 0,85 till 4,2 miljarder år sedan-mer än två tredjedelar av planetens historia. Att upptäcka när plattsubduktion började innebär att peka ut när jorden övergick från en planet dominerad av övergående landmassor som tränger igenom havens yta till en som består av långlivade kontinenter där långvariga biogeokemiska cykler styrs av vulkanisk avgasning och återvinning till jordens inre.

Platsubduktion uppstår när oceanisk skorpa och kontinental skorpa kolliderar. Eftersom kontinental skorpa är tjockare och mindre tät, havskorpan skjuts nedåt i jordens mantel, med en genomsnittlig hastighet på några centimeter varje år. Denna kontakt med manteln skapar områden som är tillräckligt varma för att magma ska kunna fly till ytan, skapa vulkaner som Mount St. Helens och andra som finns längs Stillahavskanten.

Plattektonik och subduktionszoner är ansvariga för hur jorden ser ut, driver skapandet av kontinentala plattor och de bassänger som skulle fyllas för att bli hav. De är också den primära kontrollen av de kemiska egenskaperna hos planetens yta, och är sannolikt ansvariga för jordens förmåga att upprätthålla liv. Dessa tektoniska zoner är ansvariga för bildandet av framväxande kontinenter och ger en viktig klimatkontroll genom att reglera mängden växthuskoldioxid i atmosfären.

I fyra miljarder år gamla bergprover, Aarons såg likheter med moderna stenar som bildas i plymmiljöer, som Hawaii och Island, där en landmassa driver över en het plats. Dock, i bergarter åldrade vid 3,75 miljarder år, hon märkte en trendförskjutning till stenar som bildas i moderna subduktionszoner, vilket tyder på att omkring den tiden i jordens historia började dessa områden bildas.

"Medan trenden i titanisotopdata inte ger bevis för att plattektonik ägde rum globalt, det indikerar närvaron av våt magmatism, som stöder subduktion vid denna tidpunkt, sa Aarons.