Januari 17, 2001 — Forskare håller på att teckna ett porträtt av hur jorden såg ut strax efter att den bildades för 4,56 miljarder år sedan, baserat på ledtrådar i de äldsta mineralkorn som någonsin hittats.
Tiny zirkoner (zirkoniumsilikatkristaller) som hittats i gamla strömavlagringar tyder på att jorden utvecklade kontinenter och vatten – kanske till och med hav och miljöer där mikrobiellt liv kunde uppstå – för 4,3 till 4,4 miljarder år sedan, vilket är anmärkningsvärt kort tid efter att vår planet bildades.
Underst: Var de nyupptäckta zirkonerna passar in i jordens historia. Bild av Dan Brennan.
Fyndet från två forskargrupper, en i Australien och en i USA, tyder på att ”flytande vatten stabiliseras tidigt på planeter av jordtyp”, säger geologen Stephen Mojzsis, medlem av teamet vid NASA Astrobiology Institute vid University of Colorado, Boulder. ”Detta ökar sannolikheten för att hitta liv någon annanstans i universum” eftersom förhållanden som främjar liv uppenbarligen kan utvecklas snabbare och lättare än vad man tidigare trodde.
Det ger oss också ”en ny syn på den tidiga jorden, där jorden svalnade snabbt” efter att gas och stoft i det nyfödda solsystemet samlades för att bilda planeter, säger geologen William Peck vid Colgate University i Hamilton, New York. ”Det fanns kontinenter och vatten mycket tidigt – och kanske oceaner och liv – allt för att senare utplånas av meteoriter, med nästan inga spår kvar förutom dessa zirkoner.”
Fram till för ungefär 3,9 miljarder år sedan slog svärmar av kometer och meteoriter till mot den unga jorden tillräckligt ofta för att ibland förånga oceanernas ytzoner och utplåna allt liv som fanns där. Det tidigaste kända beviset på mikrobiellt liv på jorden kommer från kolisotopmönster som Mojzsis och kollegor har undersökt i 3,85 miljarder år gamla grönländska sediment.
Nu visar zirkoner från västra Australien att kontinenter och vatten existerade för 4,3 till 4,4 miljarder år sedan. ”Livet kan ha haft möjlighet att starta 400 miljoner år tidigare än vad som tidigare dokumenterats”, säger Mojzsis.
”Livet kan ha uppstått många gånger, bara för att krossas, och det får ett grepp först när meteoriterna avtar”, tillade Peck.
Mojzsis och Peck tillhör separata forskargrupper, en som hittade en 4,4 miljarder år gammal zirkon 1999 och en annan grupp som grävde fram ett par 4,3 miljarder år gamla zirkoner förra året från samma område i den västra australiska bergsformationen Jack Hills. Båda grupperna publicerade sina studier i numret av den 11 januari 2001 av den brittiska tidskriften Nature.
Den 4,4 miljarder år gamla zirkonen är ”vårt tidigaste bevis på den tidigaste skorpan” på jorden, sade Peck. Denna zirkon och de något yngre zirkonkornen är ungefär 250 mikrometer breda – mindre än en hundradel av en tum.
”De här zirkonerna har verkligen gått igenom en hel del”, säger Peck.
Vänster: Jack Hills-regionen i västra Australien, där zirkonerna upptäcktes. Foto av Simon Wilde.
De började sin historia någon gång efter att jorden bildades, när ”flytande vatten interagerade med stenar”, sade han. Den interaktionen kan ske på ett av tre sätt: när vatten utbyts med mineraler i stenar, när kristaller växer fram ur en lösning i grundvatten eller när mineralådor avsätts. Exponeringen för vatten ökade stenarnas normalt låga förhållande mellan den ovanliga isotopen syre-18 och den vanligare isotopen syre-16, sade han.
Senare smältes stenarna under jord – eller kanske under ett meteoritbombardemang – och zirkonerna bildades som kristaller i smält granit som kyldes av för att bilda fast sten.
Den zirkonladdade graniten trycktes så småningom uppåt och bildade berg, som senare eroderades. Graniten försvann, men zirkonerna kom slutligen att vila för 3 miljarder år sedan i sandiga australiensiska strömsediment. Dessa sediment hårdnade senare till stenar som sedan förändrades av värme och tryck.
Båda forskargrupperna använde instrument som kallas jonmikrosonder för att datera och analysera zirkonkristallerna, som ofta innehåller uran, sällsynta jordartsmetaller och andra föroreningar. Uran sönderfaller till bly med en känd hastighet. Uran-blyförhållandena i zirkonerna visade att de bildades så tidigt som för 4,4 miljarder till 4,3 miljarder år sedan när de kristalliserade i smält granit.
Under: Mikroskopisk bild av en zirkonkristall (zirkoniumsilikat) som fastställts vara 4,4 miljarder år gammal. Foto av John W. Valley
Kontinentalskorpan skiljer sig från skorpan som ligger under haven. Granit är en vanlig bergart i kontinenterna. Och zirkoner kristalliserar vanligen i granit.
Så zirkonerna tyder på att granit fanns för 4,3 till 4,4 miljarder år sedan, medan graniten betyder att kontinenter existerade vid den tiden. Så gammal granitsten har inte hittats; allt har senare eroderats bort eller på annat sätt återanvänts. De gamla zirkonerna är överlevande rester av granit i jordskorpan från jordens tidiga år.
”Det faktum att man har en 4,4 miljarder år gammal zirkon från granit tyder på att det måste ha funnits sten från kontinentalskorpan”, säger geologen Sam Bowring vid Massachusetts Institute of Technology.
Ionmikrosondanalys av sällsynta jordartsmetaller i zirkonkristallerna visade också på nivåer som är typiska för kontinentala bergarter, sade Peck.
Närvaron av vatten på den unga jorden bekräftades när båda grupperna analyserade zirkonerna med avseende på syreisotoper och hittade den avslöjande signaturen för stenar som har berörts av vatten: ett förhöjt förhållande mellan syre-18 och syre-16.
Som ett resultat av detta ”vet vi att det fanns flytande vatten någon gång före 4,4 miljarder år sedan”, säger Peck. Flytande vatten måste ha samlats någonstans, vilket ger upphov till möjligheten av oceaner, tillade han.
Han sade att det också är troligt att oceaner existerade eftersom ”för att skapa kontinenter måste man ha vatten”.
Peck sade att innan det fanns oceaner kan gigantiska plattor av jordskorpan redan ha börjat röra sig och kollidera med varandra, vilket fick stora stenblock att dyka nedåt i en process som kallas subduktion. Utan oceaner hade denna sten inte kunnat smälta och bilda kontinentala bergarter som granit, sade han.
Under: Utklipp av den bergart där zirkonerna upptäcktes. Hammaren visar skalan. Foto av Simon Wilde.
När det fanns oceaner skulle dock havsvatten ha reagerat med och hydrerat lava som bröt ut från undervattensvulkaner vid de mellanoceana ryggarna. Lavan skulle sedan ha svalnat och bildat ny havsbotten, som senare subducerades. Vattnet som fångades i mineraler i den sjunkande berggrunden sänkte dess smältpunkt och utlöste vulkanutbrott som troligen gav upphov till ökedjor av granitstenar. Man tror att sådana ”öbågar” till slut klumpades ihop och bildade kontinenter.
”Oceaner, atmosfär och kontinenter fanns på plats för 4,3 miljarder år sedan”, säger Mojzsis.
Enligt Peck kan de första oceanerna ha bildats av vatten som kometer förde till jorden eller som släpptes ut under tidiga vulkanutbrott från det som blev mellanoceana åsar.
Zirkonerna tyder på att det kan ha funnits liv på jorden för 4,3 miljarder år sedan, säger Mojzsis, eftersom tre nyckelfaktorer som är nödvändiga för att livet ska kunna ta plats fanns närvarande: energi, organiskt material (från inkommande kometer och atmosfäriska reaktioner) och – enligt zirkonerna – flytande vatten.
Crediter: Upptäckten av den 4,4 miljarder år gamla zirkonen rapporterades av Peck, Simon Wilde vid Curtin Institute of Technology i Australien, John Valley vid University of Wisconsin i Madison och Colin Graham vid University of Edinburgh i Storbritannien. Wilde hittade det 4,4 miljarder år gamla kornet 1999 när han daterade zirkoner från en sten som samlats in 1984, sade Peck. Mojzsis och kollegor säger att de hittade ett par 4,3 miljarder år gamla zirkoner förra året från samma område i Jack Hills-formationen i västra Australien. Mojzsis samarbetade med geokemisten Mark Harrison från University of California i Los Angeles och Robert Pidgeon från Curtin Institute of Technology.