Ny forskning ledd av University of Cambridge har hittat sällsynta bevis – bevarade i kemin av gamla stenar från Grönland – som berättar om en tid då jorden nästan var helt smält.

Studien, publicerad i tidningen Vetenskapens framsteg , ger information om en viktig period i vår planets bildning, när ett djupt hav av glödande magma sträckte sig över jordens yta och sträckte sig hundratals kilometer in i dess inre.

Det är den gradvisa avkylningen och kristalliseringen av detta "magmahav" som sätter kemin i jordens inre - ett avgörande skede i sammansättningen av vår planets struktur och bildandet av vår tidiga atmosfär.

Forskare vet att katastrofala effekter under bildandet av jorden och månen skulle ha genererat tillräckligt med energi för att smälta vår planets inre. Men vi vet inte mycket om denna avlägsna och eldiga fas av jordens historia eftersom tektoniska processer har återvunnit nästan alla bergarter äldre än 4 miljarder år.

Nu har forskare hittat de kemiska resterna av magmahavet i 3,6 miljarder år gamla stenar från sydvästra Grönland.

Fynden stöder den långvariga teorin att jorden en gång var nästan helt smält och ger ett fönster in i en tid då planeten började stelna och utveckla den kemi som nu styr dess inre struktur. Forskningen tyder på att andra stenar på jordens yta också kan bevara bevis på forntida magmahav.

"Det finns få möjligheter att få geologiska begränsningar för händelserna under de första miljarderna av jordens historia. Det är förvånande att vi ens kan hålla dessa stenar i våra händer - än mindre få så mycket detaljer om vår planets tidiga historia, " sa huvudförfattaren Dr. Helen Williams, från Cambridges institution för geovetenskaper.

Studien sammanför kriminalkemisk analys med termodynamisk modellering i sökandet efter det ursprungliga ursprunget till de grönländska stenarna, och hur de kom till ytan.

Vid första ögonkastet, klipporna som utgör Grönlands Isua suprakrustalbälte ser precis ut som vilken modern basalt som helst du hittar på havsbotten. Men denna häll, som först beskrevs på 1960-talet, är den äldsta exponeringen av stenar på jorden. Det är känt att innehålla de tidigaste bevisen på mikrobiellt liv och plattektonik.

Den nya forskningen visar att Isua-bergarna också bevarar sällsynta bevis som till och med föregår plattektoniken - resterna av några av de kristaller som lämnats kvar när det magmahavet svalnade.

"Det var en kombination av några nya kemiska analyser vi gjorde och tidigare publicerade data som flaggade för oss att Isua-klipporna kan innehålla spår av gammalt material. Hafnium- och neodymisotoperna var verkligen lockande, eftersom dessa isotopsystem är väldigt svåra att modifiera - så vi var tvungna att titta på deras kemi mer detaljerat, " sa medförfattaren Dr. Hanika Rizo, från Carleton University.

Järnisotopsystematik bekräftade för Williams och teamet att Isua-stenarna härrörde från delar av jordens inre som bildades som en konsekvens av magmahavets kristallisering.

Det mesta av denna urberg har blandats upp av konvektion i manteln, men forskare tror att vissa isolerade zoner djupt vid mantel-kärnans gräns – urgamla kristallkyrkogårdar – kan ha förblivit ostörda i miljarder år.

Det är relikerna från dessa kristallkyrkogårdar som Williams och hennes kollegor observerade i Isuas bergskemi. "De här proverna med järnfingeravtrycket har också en volframanomali - en signatur för jordens bildning - vilket får oss att tro att deras ursprung kan spåras tillbaka till dessa urkristaller, sa Williams.

Men hur hittade dessa signaler från den djupa manteln sin väg upp till ytan? Deras isotopiska makeup visar att de inte bara var upprörda från att smälta vid gränsen mellan kärnan och manteln. Deras resa var mer omständlig, som involverar flera stadier av kristallisation och omsmältning — en sorts destillationsprocess. Blandningen av gamla kristaller och magma skulle först ha migrerat till den övre manteln, där den kärnades upp för att skapa en "marmorkaka" av stenar från olika djup. Senare smältning av den hybriden av stenar är det som producerade magman som matade denna del av Grönland.

Teamets resultat tyder på att moderna hotspot-vulkaner, som tros ha bildats relativt nyligen, kan faktiskt påverkas av gamla processer.

"De geokemiska signalerna som vi rapporterar i de grönländska klipporna har likheter med bergarter som bröt ut från vulkaner som Hawaii - något vi är intresserade av är om de kanske också kan ta sig in i djupet och komma åt områden i det inre, vanligtvis utanför vår räckhåll, " sa Dr Oliver Shorttle, som är gemensamt baserad på Cambridges institution för geovetenskaper och Institute of Astronomy.

Teamets resultat kom från ett projekt finansierat av Deep Volatiles, ett NERC-finansierat 5-årigt forskningsprogram. De planerar nu att fortsätta sin strävan efter att förstå magmahavet genom att utöka sitt sökande efter ledtrådar i gamla stenar och experimentellt modellera isotopfraktionering i den nedre manteln.

"Vi har kunnat ta reda på vad en del av vår planets inre gjorde för miljarder år sedan, men för att fylla i bilden ytterligare måste vi fortsätta leta efter fler kemiska ledtrådar i gamla stenar, " sa medförfattaren Dr Simon Matthews från Islands universitet.

Forskare har ofta varit ovilliga att leta efter kemiska bevis för dessa forntida händelser. "Bevisen förändras ofta med tidens gång. Men det faktum att vi hittade vad vi gjorde tyder på att kemin i andra gamla bergarter kan ge ytterligare insikter om jordens bildning och evolution - och det är oerhört spännande, sa Williams.