Globalt tjuveri: Geologer har mistet en milliard år

Han har kommet inn i den enorme kløften Grand Canyon, og her kan han tydelig se de enkelte lagene i bergartene. Lagene består av sand, leire og kalk som siden planetens ungdom har lagt seg oppå hverandre og blant annet lagret restene av klodens liv gjennom hundrevis av millioner år.

Men arkivet over jordens historie er på ingen måte komplett. Powell har nettopp oppdaget at en stor bit mangler.

I dag, over 150 år senere, vet forskerne at Powells oppdagelse kan finnes på hvert eneste kontinent, og at hans manglende bit utgjør over en milliard år av vår planets historie – perioden fra for om lag 1,8 til 0,6 milliarder år siden.

Men hvordan har jorden blitt berøvet for en milliard år? Forskerne har jaktet på forklaringen bak det verdensomspennende geologiske tjuveriet siden Powells tid. Først nå holder de på å avsløre gjerningspersonen.

Hele kloden ble berøvet

Powells oppdagelse var resultatet av et skarpt blikk.

Under normale omstendigheter blir lagene i fjellet dannet kontinuerlig oppå hverandre etter hvert som sand, leire og kalk legger seg. De enkelte lagene vil ligge stort sett parallelt, som lagene i en bløtkake. Senere kan lagene bli tippet på skrå på grunn av bevegelse under bakken, men de ligger fortsatt parallelt med hverandre.

I Grand Canyon lå de nederste lagene kraftig på skrå, og de øverste helt vannrett. Og i stedet for en glidende overgang med mer eller mindre parallelle lag hele veien opp var overgangen brå. Det var nettopp det som var slående, mente Powell.

Den glidende overgangen mellom bunnen og toppen burde ha bestått av flere hundre meter med stein, dannet over millioner av år. Men alt dette var borte.

Powell kalte fenomenet den store diskordansen – altså den store uoverensstemmelsen. Senere har geologer datert lagene og fastslått at skrentene noen steder mangler lag fra 175 millioner år av jordens historie, mens de andre steder mangler hele 1,6 milliarder år.

Det Powell ikke visste, var at uoverensstemmelsen var et verdensomspennende fenomen. Bare noen få steder har geologer funnet rester av de forsvunne årene og dermed en av klodens mest enestående begivenheter – opprinnelsen til de første dyrene.

Hullet i lagene er synlig på alle kontinenter, også det europeiske. Her kan undersiden av Powells diskordans blant annet ses på det helt flate og nedslitte grunnfjellet som dekker store deler av Sverige, Finland, Norge og det nordvestlige Russland.

Og overalt er det noenlunde den samme perioden som er forsvunnet – en periode som begynner for mellom 2 og 1,5 milliarder år siden og slutter for omkring 600–550 millioner år siden.

Konsekvensen er at forskerne vet veldig lite om hva som skjedde på jorden i nesten en fjerdedel av planetens historie.

Sta kjempe ble slitt ned

På verdensbasis er mengden manglende stein nesten ubegripelig stor, og derfor må prosessen som fikk den til å forsvinne, ha strukket seg over et veldig langt tidsrom. Forskerne har derfor lett etter en gjerningsperson som har eksistert i hundrevis av millioner år.

Kloden endrer seg hele tiden på grunn av den tektoniske aktiviteten. Nye hav og fjellkjeder dannes hele tiden, og bare noen få geologiske formasjoner får lov til å overleve i lengre perioder.

Likevel har forskerne klart å finne flere kandidater som både var til stede på det rette tidspunktet og hadde rikelig med tid til å utføre steintjuveriet.

En av de mulige gjerningsmennene er superkontinentet Nuna – også kalt Columbia. Geologene vet ikke mye om Nuna, men det enorme kontinentet ble antagelig dannet for 1,8 milliarder år siden og eksisterte i minst en halv milliard år, noe som er dobbelt så lenge som andre superkontinenter i jordens historie.

Nunas lange levetid betydde at hele klodens landoverflate lå noenlunde stille og uforandret lenge nok til at vind og vær kunne slipe den ned. Resultatet ville ha vært at enorme mengder stein forsvant overalt.

Teorien så først fornuftig ut; blant annet passer tidspunktet for Nunas fødsel nesten perfekt med begynnelsen på Powells diskordans ved Colorado-elven. Men etter hvert som geologene samlet flere og flere beviser, dukket uregelmessighetene opp.

En kinesisk studie fra 2019 viste for eksempel at nedbrytningen av stein i Kina begynte etter at Nuna hadde gått i oppløsning.

Bulldoser pulveriserte jorden

Problemene med Nuna-teorien har fått forskerne til å se seg om etter en annen gjerningsperson. Oppmerksomheten har blant annet falt på en kraftig plugg som kan fjerne tonnevis av stein fra hele planeten på rekordtid: en verdensomspennende istid.

Isbreer kan bli så tykke og tunge at de siger framover og kverner opp alt de møter på sin vei. Under den siste istiden, som sluttet for 11 700 år siden, skuret isen blant annet bort lag av stein i det nordlige Skandinavia og førte det nedbrutte materialet møt sør, der det i dag utgjør Danmark og Sør-Sverige.

Under en verdensomspennende istid er stort sett hele landjorden dekket av isbreer, mens havene er dekket av havis.

Kloden har opplevd flere verdensomspennende istider, men særlig en av dem – den sturtiske istiden som begynte for 717 millioner år siden – har vekket forskernes interesse. Isen var så omfattende at halvparten av alt vannet på jorden i perioder var i frossen form.

Isen dekket imidlertid neppe hele planeten hele tiden. I stedet varierte klimaet mellom kalde og litt mildere perioder, men først for vel 660 millioner år siden tinet isen helt opp.

Isbreene skurte med andre ord over landet i over 55 millioner år og har dermed hatt tid til å skape Powells diskordans.

Ifølge den amerikanske geologen C. Brenhin Keller er istiden den skyldige. Han mener at den sturtiske istiden i snitt fjernet 1,6 kilometer av kontinentenes overflate ved å skyve dem i havet. Og i 2018 satte han seg sammen med et team kolleger for å finne restene av de gamle bergartene.

Forskerne finner spor etter tjuven

I havet dannes det hele tiden ny havbunn når magma fra jordens indre pumpes opp og størkner. Samtidig forsvinner en tilsvarende mengde gammel havbunn ned under bakken i store revner som kalles subduksjonssoner, og som vanligvis går langs kantene av kontinentene.

Hvis en verdensomspennende istid skjøv pulverisert stein ut i havet for 660 millioner år siden, vil det for lengst ha blitt trukket dypt ned under bakken i subduksjonssonene. Men Keller visste at de ikke hadde forsvunnet for alltid.

Bergarter inneholder ofte mineralet zirkon, som er ekstremt holdbart. Når steinmassene trekkes ned i subduksjonssonene, kan den bli smeltet om i jordens indre og komme opp til havbunnen igjen via vulkansk aktivitet – men under denne prosessen forblir zirkonene uendret.

Derfor undersøkte Keller og kollegene hans nettopp zirkon – i alt 30 000 små korn – fra hele jordens historie. Zirkonkornene kan avsløre sitt eget opphav via to stoffer: hafnium og oksygen.

Både hafnium og oksygen finnes i ulike varianter som kalles isotoper, og forholdet mellom mengdene av de ulike isotopene viser om zirkonkornene kommer fra den ytre delen av jordskorpen, eller om de er dannet i klodens indre.

Kellers studie viste at en enorm mengde zirkon fra den ytterste delen av kloden – høyst sannsynlig fra kontinentenes overflate – var havnet på havbunnen under den sturtiske istiden. Resultatene pekte altså mot isen som den primære gjerningspersonen.

Andre forskere er imidlertid ikke overbevist. De mener at isbreer ikke kunne skape et så ensartet avtrykk på tvers av kloden fordi is glir over noen områder og eroderer andre.

Og en ny studie av geologen Michael DeLucia ser ut til å gi kritikerne rett. Den avslører at nedbrytningen av bergartene begynte lenge før istiden.

Krystaller peker ut ny skurk

Michael DeLucia og kollegene hans tok i 2018 i bruk en ny metode: De analyserte en fjellformasjon i Missouri i USA som virkelig ligner det som John Wesley Powell så i Grand Canyon.

500 millioner år gamle lag ligger rett over bergarter som er 1,4 milliarder år gamle. Akkurat som C. Brenhin Keller undersøkte DeLucia også zirkonkorn, men i stedet for hafnium og oksygen så han på helium.

Inne i en zirkonkrystall henfaller uran og thorium til helium. Når krystallen befinner seg dypt under bakken, er temperaturen høy, og det gjør det mulig for helium å forlate krystallen. Men hvis bergartene på jordoverflaten slites ned, kommer zirkonet nærmere jordoverflaten, temperaturen faller, og dermed slipper ikke heliumet ut lenger.

Ut fra mengden helium som har hopet seg opp i krystallene, kan forskerne derfor fastslå når overflaten ble brutt ned.

DeLucia brukte zirkonkorn i de ulike lagene til å vise at den skyldige bak Powells diskordans begynte arbeidet sitt allerede for 850 millioner år siden – omkring 80 millioner år før den sturtiske istiden.

I det området som i dag utgjør den amerikanske staten Missouri, ble kontinentet fra det tidspunktet og fram berøvet for minst seks kilometer stein.

Det nye gjerningstidspunktet faller sammen med enda en viktig begivenhet i jordens historie: Superkontinentet Rodinia brytes opp. Og ifølge DeLucia er det langt fra en tilfeldighet.

Før et superkontinent brytes opp, hever de sentrale delene av landmassen seg, og jo høyere landskapet ligger, jo raskere blir det erodert av vind og vær. Dermed ville oppbruddet ha forårsaket en markant nedbrytning av landjordas overflate.

Men det er fortsatt noe som ikke stemmer.

Brikkene faller på plass

I Canada gjorde geologen Colin Sturrock og to av kollegene hans en overraskende oppdagelse i 2021. Ifølge Sturrock tyder gruppens studie på at årsaken til at steinen forsvant i Canada, er en såkalt manteldiapir.

Det er varme bobler i jordens mantel – det laget som ligger under planetens ytterste skall, skorpen. Boblene kan være flere hundre kilometer i diameter og stige opp helt nede fra grensen til jordens kjerne rundt 2900 kilometer nede.

Diapirenes høye temperatur gir dem en lav tetthet, noe som betyr at boblene beveger seg opp som korker som forsøker å komme opp til overflaten. De dytter derfor på jordoverflaten nedenfra slik at landskapet hever seg og blir mer sårbart for vind og vær.

Manteldiapirer skaper altså økt erosjon – men erosjonen skjer bare lokalt, ikke globalt.

Akkurat som Michael DeLucia brukte Sturrock heliuminnholdet i zirkonet til å datere nedbrytning av bergartene. Analysen viste at hendelsen i Canada fant sted for 650 millioner år siden – altså 200 millioner år senere enn det DeLucia kom fram til i Missouri.

Forklaringen er ifølge Sturrock opplagt og kan endelig binde alle de motstridende sporene sammen: Forbrytelsen hadde mer enn én gjerningsperson.

I Canada var manteldiapiren involvert, i Missouri var det Rodinias oppbrudd. Andre steder kan den sturtiske istiden eller superkontinentet Nuna ha spilt en viktig rolle. Fenomenet som så ut til å ha formet hele kloden, mener Sturrock, var forårsaket av en kombinasjon av voldsomme begivenheter som fant sted med et mellomrom på hundrevis av millioner av år.

Teorien forklarer på en elegant måte hvorfor gjerningstidspunktet ikke er det samme overalt på kloden. Ikke alle forskere har imidlertid sluppet tanken om at én av gjerningspersonene er mer skyldig enn de andre.

De har nå kastet seg over DeLucias heliumteknikk og flere andre metoder for å gjennomgå gjerningssteder utenfor Nord-Amerika og dermed avdekke nye spor i verdenshistoriens største tjuverisak – en sak som begynte med John Wesley Powells enkle iakttakelse i 1869.