Natuurlijke processen die koolstof door de aarde verplaatsen, zoals platentektoniek, subductie en vulkanische activiteit, lijken vandaag de dag oud en stabiel, maar de planeet was niet altijd zo rustig. Tijdens het Archeaanse tijdperk (4 tot 2,5 miljard jaar geleden) – de tienerjaren van de aarde – was de planeet heter en waren er meer vulkaanuitbarstingen. Dit eon eindigde met een toename van atmosferische zuurstof, de zogenaamde Grote Oxidatie, die het begin was van de meer volwassen platentektoniek die we vandaag de dag kennen.
In een nieuw artikel in Nature heeft een team van onderzoekers, waaronder leden van de DCO Reservoirs and Fluxes Community Bernard Marty en Michael Broadley (CRPG-CNRS, Frankrijk) en lid van het Uitvoerend Comité Claude Jaupart (Institut de Physique du Globe de Paris, Frankrijk), een sterke toename van vulkanische activiteit tussen 2,6 en 2,2 miljard jaar geleden ontdekt, waarbij waarschijnlijk een uitbarsting van water, kooldioxide en andere vluchtige verbindingen in de atmosfeer terechtkwam. De onderzoekers analyseerden sporen van de Archeaanse atmosfeer die gevangen zaten in met vloeistof gevulde bellen, insluitsels genaamd, in gesteenten die in die tijd werden gevormd. Zij stellen dat deze massale stroom van vluchtige stoffen de aanzet kan hebben gegeven tot de Grote Oxidatie.
“We weten niet veel over het Archeïsche eon, zo’n 3 miljard jaar geleden,” zei Marty, medevoorzitter van de Reservoirs and Fluxes Community Science Steering Committee. Er bestaan nog maar weinig gesteenten uit die periode, en zoals hij opmerkt, weten we weinig over de atmosfeer en de vulkanische fluxen van het Archeon “omdat er toen nog geen vulkanologen waren”.
In de nieuwe studie bestudeerden de onderzoekers isotopengegevens van gesteenten die 3,5 tot 2,7 miljard jaar geleden zijn gevormd. “Isotopen zijn als het DNA van materie,” zei Marty. “Elk element heeft een specifieke signatuur die een verslag is van wat er eerder is gebeurd.”
Specifiek keken ze naar de isotopensamenstelling van het edelgas xenon, dat kan worden gebruikt om de vulkanische activiteit in de loop der tijd te schatten. Er zijn negen verschillende isotopen van xenon, die alleen verschillen in het aantal neutronen in de kern. Het isotoop 129Xe is afkomstig van het radioactieve verval van jodium in de mantel en ontsnapt naar de oppervlakte door vulkaanuitbarstingen, zodat de concentraties van het isotoop in de atmosfeer rechtstreeks verband houden met vulkaanuitbarstingen. 129Xe heeft zich in de loop van de tijd geleidelijk opgebouwd in de atmosfeer van de aarde.
Zoals verwacht zagen de onderzoekers dat de Archeaanse atmosfeer weinig xenon bevatte vergeleken met de huidige atmosfeer, die veel langer de tijd heeft gehad om het gas op te hopen. Maar tot hun verbazing zagen zij een snelle toename van 129Xe van 2,6 tot 2 miljard jaar geleden. Dit wijst erop dat de aarde rond deze periode enorme vulkanische activiteit heeft gekend en enorme hoeveelheden koolstof en andere vluchtige stoffen in de atmosfeer heeft gebracht, 10 tot 100 keer sneller dan vandaag.
De vulkanische activiteit die samenhangt met de huidige platentektoniek kan de snelle stijging niet verklaren. Daarom hebben Marty en zijn collega’s van het CRPG-CNRS in samenwerking met Jaupart, een expert op het gebied van het vrijkomen van warmte uit de aarde, een model gemaakt van de temperatuur van de aarde en de vulkanische activiteit in de loop der tijd. Volgens een onafhankelijk verslag dat door vulkanisch gesteente is achtergelaten, bereikte de interne temperatuur van de aarde tussen 3 en 2,5 miljard jaar geleden een hoogtepunt, opgewarmd door de afbraak van radioactieve elementen. Aangezien de primitieve platentektoniek niet erg efficiënt was bij het afgeven van deze warmte, denken wetenschappers dat de Aarde oververhit raakte en enorme hoeveelheden schuimbrij creëerde, die gesmolten magma, gassen en kristallen bevatte. De 129Xe signatuur suggereert dat de brij gedurende 200 of 300 miljoen jaar is uitgebarsten, waarbij gassen vrijkwamen aan het oppervlak.
Net als bij een driftbui van een tiener kon de Aarde door de toename van vulkanische activiteit veel stoom en andere vluchtige stoffen afblazen, voordat zij zich vestigde in een volwassener patroon van platentektoniek.
De onderzoekers speculeren dat deze uitbarsting van vluchtige stoffen aan het eind van het Archeïsche tijdperk verantwoordelijk kan zijn voor de Grote Oxidatie die zuurstofgas in de atmosfeer deed ontstaan. “We stellen voor dat de plotselinge uitstoot van kooldioxide en stikstof in de atmosfeer veel voedingsstoffen leverde voor bacteriën, zodat er een boost van bacteriële activiteit zou kunnen zijn geweest, wat betekent dat ze kooldioxide en stikstof opnamen en zuurstof vrijmaakten,” aldus Marty.
De snelle stijging van kooldioxide aan het eind van het Archeïcum vond plaats op een schaal die vergelijkbaar is met de kooldioxide-uitstoot van de mens vandaag. Als we begrijpen hoe catastrofale veranderingen in de mondiale koolstofcyclus de aarde in de Oudheid hebben beïnvloed, kunnen we misschien beter voorspellen welke veranderingen het gevolg zullen zijn van onze huidige uitstoot.
De onderzoekers zijn van plan om nog meer gesteentemonsters uit deze periode te analyseren, om een beter inzicht te krijgen in de timing van de ‘driftbui’ in de aardmantel en hoe deze de evolutie van de planeet heeft beïnvloed. Ze zijn ook van plan om te kijken naar de rol van de zon en hoe veranderingen in de zonne-output de temperatuur van de aarde in het verleden kunnen hebben beïnvloed.
“We moeten de oude aarde echt beter karakteriseren,” zei Marty. “In het Archean is het zeker waar bacteriële activiteit zich ontwikkelde en het leven tot bloei kwam. We moeten deze periode beter documenteren en veel meer weten over de cyclus van vluchtige stoffen in het verre verleden.”
Hoofdbeeld: Archeïsche gesteenten, zoals de 3,45 G-oude Dresser-formatie in Noordwest-Australië, zijn tegenwoordig schaars op aarde, waardoor het moeilijk is iets te leren over de omstandigheden op aarde tijdens het Archeïsche eon. Met dank aan B. Marty