Inom geovetenskap kan små detaljer hjälpa till att förklara massiva händelser. Rita Parai, biträdande professor i jord-, miljö- och planetvetenskap i konst och vetenskap vid Washington University i St. Louis, använder precisionsutrustning för att mäta spårnivåer av ädelgaser i bergarter, prover som kan ge viktiga insikter om planeternas utveckling.

I en studie publicerad i Earth and Planetary Science Letters , Parai och doktorand Judy Zhang använde mätningar av ädelgaser från vulkaniska bergarter från Cook- och Australöarna för att visa att plattektoniken har levererat gaser från ytan till djupa jorden i mer än 2,5 miljarder år.

Ädelgaser är särskilt användbara för djupgående undersökningar eftersom de är kemiskt inerta. Några av deras isotoper var fångade i det inre för 4,5 miljarder år sedan när jorden först bildades, sade Zhang. "De lämnar ett bestående avtryck på klipporna."

I Parais laboratorium kunde Zhang mäta flera ädelgaselement och deras isotoper, inklusive det sällsynta elementet xenon. Mönstret av överflöd av ädelgas och deras distinkta isotopiska signaturer berättade en viktig historia, sa Zhang.

Som Zhang förklarade levererades stenarna från Cook-Austral Island från djupt inne i planetens mantel till jordens yta genom vulkanutbrott. De signaturädelgaserna i bergarterna visade att djupt i det förflutna var tektoniska plattor relativt svala när de genomgick subduktion – processen där ytberg sjunker till manteln – för ungefär 2,5 miljarder år sedan.

Vissa forskare teoretiserade att då, planeten kan ha varit mycket hetare och mycket hårdare än världen vi känner idag. Närvaron av xenon visar att subduktion skedde under geologiska förhållanden som liknar modern tid. "Om berget hade subducerats vid mycket högre temperaturer, skulle det ha förlorat alla sina gaser," sa Zhang. "Det här är ett mycket spännande fynd."

Att upptäcka atomer av xenon är inte som att hitta en nål i en höstack; det är som att hitta en mikroskopisk nål i ett helt slåtterfält. Ädelgaser är redan en sällsynt egenskap i berg, och xenon som kan spåra uråldriga plattektonik är exponentiellt mer svårfångad. "Det finns bara cirka 100 000 xenonatomer för varje gram material," sa Parai. Det är ungefär 1 av 10 kvadriljoner atomer.

Forskarna var tvungna att utvinna gas från stora mängder av mineralet olivin i dessa bergarter för att få den svagaste signalen. "Det är som att vi funderar på hur man pressar blod från en sten," sa Parai.

I december förra året samlade Zhang in fler stenprover från havsbotten under en 28-dagars forskningskryssning i södra Stilla havet ledd av Doug Wiens, Robert S. Brookings Distinguished Professor. Analys av stenarna i Parais labb borde ge ännu fler insikter om jordens djupa förflutna. "Vi tänjer på analysens gränser för att se tillbaka miljarder år," sa Zhang.

Mer information: Xinmu J. Zhang et al, Ursprungliga och återvunna ädelgaser i Cook-Austral HIMU-manteln:Insights into the onset of volatile subduction, Earth and Planetary Science Letters (2024). DOI:10.1016/j.epsl.2024.118591

Journalinformation: Earth and Planetary Science Letters

Tillhandahålls av Washington University i St. Louis