17 januari 2001 — Wetenschappers schetsen een portret van hoe de Aarde er kort na haar vorming 4,56 miljard jaar geleden uitzag, gebaseerd op aanwijzingen in de oudste mineraalkorrels die ooit zijn gevonden.
Kleine zirkonen (zirkoonsilicaatkristallen), gevonden in oude stroomafzettingen, wijzen erop dat de Aarde continenten en water ontwikkelde — misschien zelfs oceanen en omgevingen waarin microbieel leven kon ontstaan — 4,3 miljard tot 4,4 miljard jaar geleden, opmerkelijk snel na de vorming van onze planeet.
Hieronder: Waar de pas ontdekte zirkonen in de geschiedenis van de aarde passen.
De bevindingen van twee onderzoeksgroepen, de ene in Australië en de andere in de Verenigde Staten, suggereren dat “vloeibaar water zich vroeg stabiliseert op planeten van het aardetype,” aldus geoloog Stephen Mojzsis, lid van het NASA Astrobiology Institute’s University of Colorado, Boulder, team. “Dit verhoogt de kans op het vinden van leven elders in het universum”, omdat omstandigheden die bevorderlijk zijn voor leven zich blijkbaar sneller en gemakkelijker kunnen ontwikkelen dan ooit werd gedacht.
Het geeft ons ook “een nieuw beeld van de vroege aarde, waar de aarde snel afkoelde” nadat gas en stof in het pasgeboren zonnestelsel waren samengeklonterd om planeten te vormen, zei geoloog William Peck van de Colgate University in Hamilton, New York. “Tot ruwweg 3,9 miljard jaar geleden sloegen zwermen kometen en meteorieten vaak genoeg op de jonge Aarde in om af en toe de oppervlaktezones van de oceanen te verdampen en het leven dat zich daar bevond uit te wissen. Het vroegst bekende bewijs van microbieel leven op aarde komt van koolstofisotopenpatronen die door Mojzsis en collega’s zijn onderzocht in 3,85 miljard jaar oude sedimenten van Groenland.
Nu tonen de zirkonen uit West-Australië aan dat er 4,3 miljard tot 4,4 miljard jaar geleden continenten en water bestonden. “Het leven zou 400 miljoen jaar eerder kunnen zijn begonnen dan eerder werd gedocumenteerd,” zei Mojzsis.
“Het leven zou vele malen kunnen zijn ontstaan, alleen om te worden verpletterd, en het krijgt pas houvast als de meteorieten afnemen,” voegde Peck eraan toe.
Mojzsis en Peck behoren tot afzonderlijke onderzoeksteams, één dat in 1999 een 4,4 miljard jaar oude zirkoon vond en een ander team dat vorig jaar een paar 4,3 miljard jaar oude zirkonen opgroef uit hetzelfde gebied van de Jack Hills rotsformatie in West-Australië. Beide groepen publiceerden hun studies in het nummer van 11 januari 2001 van het Britse tijdschrift Nature.
De 4,4 miljard jaar oude zirkoon is “onze vroegste opname van de vroegste korst” op aarde, zei Peck. Die zirkoon en de iets jongere zirkoonkorrels zijn ruwweg 250 micron breed — minder dan een honderdste van een inch.
“Deze zirkonen zijn echt door de mangel gehaald,” zei Peck.
Links: De Jack Hills regio van West-Australië, waar de zirkonen werden ontdekt. Foto door Simon Wilde.
Hun geschiedenis begon ergens na de vorming van de Aarde, toen “vloeibaar water in wisselwerking trad met rotsen,” zei hij. Die interactie kan op drie manieren plaatsvinden: bij de uitwisseling van water met mineralen in rotsen, wanneer kristallen uit de oplossing in grondwater groeien, of wanneer mineraaladers worden afgezet. Blootstelling aan water verhoogde de normaal lage verhouding van de ongewone isotoop zuurstof-18 tot de meer voorkomende isotoop zuurstof-16 in het gesteente, zei hij.
Later, werden de rotsen ondergronds gesmolten — of misschien tijdens een meteorietbombardement — en de zirkonen vormden zich als kristallen binnen gesmolten graniet dat afkoelde om vast gesteente te vormen.
Het met zirkoon gevulde graniet werd uiteindelijk omhoog gestuwd en vormde bergen, die later erodeerden. Het graniet verdween, maar de zirkonen kwamen uiteindelijk 3 miljard jaar geleden tot rust in zanderige Australische stroomafzettingen. Deze sedimenten verhardden later tot gesteenten die vervolgens door hitte en druk werden veranderd.
Beide onderzoeksteams gebruikten instrumenten genaamd ion microprobes om de zirkoonkristallen, die vaak uranium, zeldzame aardelementen en andere onzuiverheden bevatten, te dateren en te analyseren. Uranium vervalt in lood met een bekende snelheid. Uranium-lood verhoudingen in de zirkonen toonden aan dat zij zo vroeg als 4,4 miljard tot 4,3 miljard jaar geleden werden gevormd toen zij kristalliseerden in gesmolten graniet.
Hieronder: Microscopisch beeld van een zirkoonkristal (zirkoonsilicaat) waarvan is vastgesteld dat het 4,4 miljard jaar oud is. Foto door John W. Valley
Continentale korst is anders dan korst die onder de oceanen ligt. Graniet is een veel voorkomend gesteente in continenten. En zirkonen kristalliseren vaak in graniet.
Dus de zirkonen wijzen erop dat graniet 4,3 miljard tot 4,4 miljard jaar geleden aanwezig was, terwijl het graniet betekent dat er toen continenten bestonden. Zulk oud granietgesteente is niet gevonden; het is later allemaal weggeërodeerd of anderszins gerecycled. De oude zirkonen zijn overblijfselen van korstgraniet uit de beginjaren van de aarde.
“Het feit dat je een 4,4 miljard jaar oude zirkoon van graniet hebt, suggereert dat er het gesteente van de continentale korst moest zijn,” zei geoloog Sam Bowring van het Massachusetts Institute of Technology.
Ion microprobe analyse van zeldzame aardelementen in de zirkoonkristallen vond ook niveaus die typisch zijn voor continentale gesteenten, zei Peck.
De aanwezigheid van water op de jonge Aarde werd bevestigd toen beide groepen de zirkonen analyseerden op zuurstofisotopen en de verraderlijke signatuur vonden van gesteenten die door water zijn aangeraakt: een verhoogde verhouding van zuurstof-18 tot zuurstof-16.
Dientengevolge, “weten we dat er vloeibaar water was op een bepaald punt vóór 4,4 miljard jaar geleden,” zei Peck. Vloeibaar water moest zich ergens verzamelen, wat de mogelijkheid van oceanen opwerpt, voegde hij eraan toe.
Hij zei dat het ook waarschijnlijk is dat oceanen bestonden, want “om continenten te maken, moet je water hebben.”
Peck zei dat voordat er oceanen waren, reusachtige platen van de aardkorst al konden zijn begonnen te bewegen en met elkaar te botsen, waardoor grote blokken rots naar beneden doken in een proces dat subductie wordt genoemd. Zonder oceanen zou dat gesteente niet hebben kunnen smelten om continentaal gesteente zoals graniet te vormen, zei hij.
Hieronder: Uitsnede van het type gesteente waarin de zirkonen werden ontdekt. De hamer toont de schaal. Foto door Simon Wilde.
Toen er echter oceanen waren, zou zeewater gereageerd hebben met en gehydrateerd zijn door lava die uitbarstte uit onderzeese vulkanen op de mid-ocean rges. De lava zou dan afgekoeld zijn en een nieuwe zeebodem gevormd hebben, die later gesubducteerd werd. Het water dat gevangen zat in de mineralen in het zinkende gesteente verlaagde het smeltpunt, waardoor vulkaanuitbarstingen ontstonden die waarschijnlijk eilandketens van granietrotsen hebben gevormd. Men denkt dat dergelijke “eilandbogen” uiteindelijk samenklonterden om continenten te vormen.
“Oceanen, atmosfeer en continenten waren op hun plaats tegen 4,3 miljard jaar geleden,” zei Mojzsis.
Volgens Peck zouden de eerste oceanen gevormd kunnen zijn uit water dat door kometen naar de aarde is gebracht of zijn uitgestoten tijdens vroege vulkaanuitbarstingen van wat later mid-oceanische ruggen werden.
De zirkonen suggereren dat er 4,3 miljard jaar geleden leven op Aarde kan hebben bestaan, zei Mojzsis, omdat er drie sleutelfactoren aanwezig waren die nodig zijn om leven te laten ontstaan: energie, organisch materiaal (van binnenkomende kometen en atmosferische reacties) en – volgens de zirkonen – vloeibaar water.
Credits: De ontdekking van de 4,4 miljard jaar oude zirkoon werd gerapporteerd door Peck, Simon Wilde van het Curtin Institute of Technology in Australië; John Valley van de Universiteit van Wisconsin, Madison; en Colin Graham van de Universiteit van Edinburgh in het Verenigd Koninkrijk. Wilde vond de 4,4 miljard jaar oude korrel in 1999 tijdens het dateren van zirkonen van een gesteente verzameld in 1984, zei Peck. Mojzsis en collega’s zeggen dat ze vorig jaar een paar 4,3 miljard jaar oude zirkonen hebben gevonden in hetzelfde gebied van de Jack Hills rotsformatie in West-Australië. Mojzsis werkte samen met geochemicus Mark Harrison van de Universiteit van Californië, Los Angeles, en Robert Pidgeon van het Curtin Institute of Technology.