17. januar 2001 — Forskere er ved at tegne et portræt af, hvordan Jorden så ud, kort efter at den blev dannet for 4,56 milliarder år siden, baseret på spor i de ældste mineralkorn, der nogensinde er fundet.
Tynde zirkoner (zirkoniumsilikatkrystaller) fundet i gamle strømaflejringer tyder på, at Jorden udviklede kontinenter og vand — måske endda oceaner og miljøer, hvor mikrobielt liv kunne opstå — for 4,3 til 4,4 milliarder år siden, hvilket er bemærkelsesværdigt kort tid efter, at vor planet blev dannet.
Nedenfor: Hvor de nyopdagede zirkoner passer ind i Jordens historie. Billede af Dan Brennan.
Fundene fra to forskningsgrupper, den ene i Australien og den anden i USA, tyder på, at “flydende vand stabiliseres tidligt på planeter af jordtype”, siger geolog Stephen Mojzsis, der er medlem af NASA Astrobiology Institute’s hold fra University of Colorado, Boulder, siger. “Det øger sandsynligheden for at finde liv andre steder i universet”, fordi livsvenlige forhold åbenbart kan udvikle sig hurtigere og lettere end tidligere antaget.
Det giver os også “et nyt syn på den tidlige Jord, hvor Jorden afkøledes hurtigt”, efter at gas og støv i det nyfødte solsystem stivnede og dannede planeter, sagde geolog William Peck fra Colgate University i Hamilton, New York. “Der var kontinenter og vand meget tidligt – og måske oceaner og liv – alt sammen for senere at blive udslettet af meteoritter, og der er næsten ingen optegnelser tilbage bortset fra disse zirkoner.”
Indtil for ca. 3,9 milliarder år siden ramte sværme af kometer og meteoritter den unge Jord ofte nok til, at de lejlighedsvis fordamper oceanernes overfladezoner og udsletter alt liv, der måtte have boet der. Det tidligste kendte bevis for mikrobielt liv på Jorden stammer fra kulstofisotopmønstre, som Mojzsis og kolleger har undersøgt i 3,85 milliarder år gamle grønlandske sedimenter.
Nu viser zirkoner fra Vestaustralien, at der fandtes kontinenter og vand for 4,3 til 4,4 milliarder år siden. “Livet kunne have haft mulighed for at starte 400 millioner år tidligere end tidligere dokumenteret,” siger Mojzsis.
“Livet kunne være opstået mange gange, for derefter at blive smadret, og det får først fat, når meteoritterne aftager,” tilføjede Peck.
Mojzsis og Peck tilhører forskellige forskerhold, et hold, der fandt en 4,4 milliarder år gammel zirkon i 1999, og et andet hold, der sidste år udgravede et par 4,3 milliarder år gamle zirkoner fra det samme område i den samme klippeformation i Jack Hills i Western Australia. Begge grupper offentliggjorde deres undersøgelser i den 11. januar 2001 i det britiske tidsskrift Nature.
Den 4,4 milliarder år gamle zirkon er “vores tidligste optegnelse af den tidligste skorpe” på Jorden, sagde Peck. Denne zirkon og de lidt yngre zirkonkorn måler ca. 250 mikron i bredden – mindre end en hundrededel af en tomme.
“Disse zirkoner har virkelig været igennem en hård prøvelse,” sagde Peck.
Til venstre: Jack Hills-regionen i Vestaustralien, hvor zirkonerne blev fundet. Foto af Simon Wilde.
Deres historie begyndte engang efter, at Jorden blev dannet, da “flydende vand interagerede med sten”, sagde han. Denne interaktion kan ske på en af tre måder: når vand udveksler med mineraler i klipper, når krystaller vokser ud af opløsning i grundvand, eller når mineralårer aflejres. Eksponering for vand øgede bjergarternes normalt lave andel af den ualmindelige isotop oxygen-18 i forhold til den mere almindelige isotop oxygen-16, sagde han.
Senere blev stenene smeltet under jorden — eller måske under et meteoritbombardement — og zirkonerne blev dannet som krystaller i smeltet granit, der blev afkølet og dannede fast sten.
Den zirkonfyldte granit blev til sidst skubbet opad og dannede bjerge, som senere eroderede. Granitten forsvandt, men zirkonerne kom til sidst til hvile for 3 milliarder år siden i sandede australske strømsedimenter. Disse sedimenter blev senere hærdet til bjergarter, som efterfølgende blev ændret af varme og tryk.
Både forskerhold brugte instrumenter kaldet ionmikrosonder til at datere og analysere zirkonkrystallerne, som ofte indeholder uran, sjældne jordarter og andre urenheder. Uran henfalder til bly med en kendt hastighed. Uran-bly-forholdet i zirkonerne viste, at de blev dannet så tidligt som for 4,4 til 4,3 milliarder år siden, da de krystalliserede i smeltet granit.
Nedenfor: Mikroskopisk billede af en zirkon (zirkoniumsilikat) krystal, der er bestemt til at være 4,4 milliarder år gammel. Foto af John W. Valley
Kontinentalskorpen er anderledes end den skorpe, der ligger under havene. Granit er en almindelig bjergart i kontinenterne. Og zirkoner krystalliserer almindeligvis i granit.
Så zirkoner tyder på, at granit var til stede for 4,3 til 4,4 milliarder år siden, mens granit betyder, at der fandtes kontinenter på det tidspunkt. Så gammel granitsten er ikke blevet fundet; det hele er efterfølgende blevet eroderet væk eller på anden måde genbrugt. De gamle zirkoner er overlevende rester af granit i jordskorpen fra Jordens tidlige år.
“Det faktum, at man har en 4,4 milliarder år gammel zirkon fra granit, tyder på, at der måtte være sten fra den kontinentale skorpe,” siger geolog Sam Bowring fra Massachusetts Institute of Technology.
Ionmikrosondeanalyse af sjældne jordarters grundstoffer i zirkonkrystallerne fandt også niveauer, der er typiske for kontinentale bjergarter, sagde Peck.
Forsekomsten af vand på den unge Jord blev bekræftet, da begge grupper analyserede zirkonerne for iltisotoper og fandt den afslørende signatur af klipper, der er blevet berørt af vand: et forhøjet forhold mellem oxygen-18 og oxygen-16.
Som et resultat heraf “ved vi, at der var flydende vand på et tidspunkt før for 4,4 milliarder år siden”, sagde Peck. Flydende vand måtte samle sig et eller andet sted, hvilket rejser muligheden for oceaner, tilføjede han.
Han sagde, at det også er sandsynligt, at der har eksisteret oceaner, fordi “for at lave kontinenter skal man have vand”.
Peck sagde, at før der var oceaner, kunne gigantiske plader af Jordens skorpe allerede være begyndt at bevæge sig og kollidere med hinanden, hvilket fik store stenblokke til at dykke nedad i en proces kaldet subduktion. Uden oceaner kunne denne sten ikke have smeltet og dannet kontinental sten som granit, sagde han.
Nedenfor: Udsnit af den type bjergart, hvor zirkonerne blev fundet. Hammeren viser skalaen. Foto af Simon Wilde.
Når der var oceaner, ville havvand imidlertid have reageret med og hydreret lava, der brød ud fra undersøiske vulkaner ved de mellemoceaniske rygge. Lavaen ville derefter være afkølet og have dannet ny havbund, som senere blev subduceret. Vandet, der var fanget i mineralerne i den synkende klippe, sænkede dens smeltepunkt og udløste vulkanudbrud, som sandsynligvis skabte økæder af granitsten. Man mener, at sådanne “øbuer” i sidste ende klumpede sig sammen og dannede kontinenter.
“Oceaner, atmosfære og kontinenter var på plads for 4,3 milliarder år siden”, siger Mojzsis.
Ifølge Peck kan de første oceaner være blevet dannet af vand, der blev bragt til Jorden af kometer, eller være blevet udsendt under tidlige vulkanske udbrud fra det, der blev til midtoceaniske rygge.
Zirkonerne tyder på, at der kunne have eksisteret liv på Jorden for 4,3 milliarder år siden, sagde Mojzsis, fordi tre nøglefaktorer, der var nødvendige for, at livet kunne slå igennem, var til stede: energi, organisk materiale (fra indkommende kometer og atmosfæriske reaktioner) og – ifølge zirkonerne – flydende vand.
Credits: Opdagelsen af den 4,4 milliarder år gamle zirkon blev rapporteret af Peck, Simon Wilde fra Curtin Institute of Technology i Australien, John Valley fra University of Wisconsin i Madison og Colin Graham fra University of Edinburgh i Det Forenede Kongerige. Wilde fandt det 4,4 milliarder år gamle korn i 1999, da han daterede zirkoner fra en sten, der blev indsamlet i 1984, sagde Peck. Mojzsis og kolleger siger, at de sidste år fandt et par 4,3 milliarder år gamle zirkoner fra det samme område i den samme klippeformation i Jack Hills i Western Australia. Mojzsis arbejdede sammen med geokemiker Mark Harrison fra University of California, Los Angeles, og Robert Pidgeon fra Curtin Institute of Technology.