Arkeikum

Arkeikum (gresk αρχαίος [archaios] = «gammelt») er det eldste av eonene som jordens historie inndeles i. Det begynte med jordens dannelse for om lag 4,6 milliarder år siden og sluttet for 2,5 milliarder år siden. Tidligere delte man dette eonet inn i hadeikum fram til 3,8 milliarder år, og arkeikum derfra og fram til 2,5 milliarder år, men i moderne geologi har hadeikum-begrepet gått stadig mer ut av bruk. Eonet som fulgte på arkeikum, heter proterozoikum. Arkeikum og proterozoikum sammenfattes ofte som prekambrium.
Tidligere skilte man ut den tiden av jordens historie som var eldre enn 3,8 milliarder år, som en egen eon, hadeikum eller priskoikum. Dette har man nå forlatt og omtaler altså hele tidsperioden mellom jordens dannelse og proterozoikum som arkeikum. Stratigrafien inndeler arkeikum i fire æraer: eoarkeikum, paleoarkeikum, mesoarkeikum og neoarkeikum. De respektive skillene går ved hhv. 3,6 og 3,2 og 2,8 milliarder år før nåtiden.
Det er en økende erkjennelse (2013) i geologimiljøene av at det neppe fantes noe superkontinent i arkeikum. De første, varige kontinentalplatene eller grunnfjellsskjoldene – Laurasia, Baltika og Siberia – ble nok dannet før 2,5 milliarder år siden, men neppe lenge før dette, og det er ingen faste holdepunkter for sammenkobling i superkontinenter for Columbia i proterozoikum.

Utviklingen i arkeikum

Geovitenskapene har bidratt med detaljert informasjon om jordens fortid. Den tidligst daterte materie i solsystemet ble dannet for mer enn 4,6 milliarder år siden, og for 4,6 milliarder år siden ble jorden og de andre planetene i solsytemet dannet fra en protoplanetarisk skive av støv og gass som var til overs etter dannelsen av solen. Jorden ser ut til å ha oppstått av ulike fragmenter av gasskyen som også ga opphav til resten av himmellegemene i solsystemet. Nå ble selve planeten formet, og bombardert av meteoritter, dverg- og protoplaneter fra universet. Det anslås at flere millioner meteoritter har skapt kratere med mer enn 1 km diameter, mens jordas geologiske prosesser har slettet sporene og bare synlige 160 kratere er påvist.
Sammensettingen av jordens materie skjedde raskt, i all hovedsak i løpet av 10-20 millioner år. Når kosmisk støv og steinmateriale først begynte å kollidere og danne jorden, økte denne nye planetens gravitasjonskraft som igjen akselererte ytterligere tiltrekning av materie. De stadige sammenstøtene og meteoritt-nedslagene utviklet stor varmeenergi, som bidro til å smelte ned steinmaterialet som utviklet seg til en indre kjerne av jern og et ytre lag av silikater. Etter hvert ble også det ytre laget separert i en tyngre mantel og en lettere jordskorpe. Det er vanlig å anta at tyngre mineraler sank ned i forhold til de lettere, men bergarter ble også trukket nedover eller oppover basert på deres evne til å binde seg med henholdsvis jern eller oksygen.
Fra å være i smeltet tilstand, gikk jordens ytre lag over til en fast skorpe ved nedkjøling da vann ble akkumulert i atmosfæren. Jordskorpen var tynn og sprakk opp gang etter gang med en stor mengde vulkanutbrudd, og antakelig dannet det seg tidlig et samlet kontinent som så sprakk opp. Månen ble dannet kort tid etterpå, for om lag 4,5 milliarder år siden. Den (2013) mest anerkjente teorien for dannelsen av månen er nedslagsteorien, som innebærer at månen ble dannet da et objekt på størrelse med Mars - noen ganger omtalt som Theia - tilsvarende om lag 10 % av jordens masse, kolliderte med jorden i et gigantisk sammenstøt. Denne teorien innebærer at dette objektet smeltet sammen med jorden, men at tilstrekkelig med materie til dannelsen av månen ble sendt i bane rundt jorden.
I tidlig arkeikum (4,6 – 4,0 mrd år siden) var jordas mantel svært varm, og litosfæren (jordskorpen) ytterst var så lett at den neppe sank ned i mantelen. Jordskorpa bestod av mye basalt og natriumrike masser. Natriumrike mantelmasser kunne noen steder trenge oppover i basaltkappen og danne kropper av kvartsrike dypbergarter – tonalitt, trondhjemitt og granodioritt (TTG). Horisontale smeltemasser ble til grønnsteinsbelter av omdannet basalt, ofte med magnesiumrik komatiitt, og ofte omgitt av tonalitt-gneis. Bergarter fra arkeisk tid er ikke preget av omsmelting gjennom nedsynking i mantelen, slik bergarter fra sen arkeikum og proterozoikum preges av. I proterizoikum ble bergartene også mer kaliumrike.
Siden omkring 1950 har geologer jaktet på de eldste bergartene. Høyeste kjente alder for bergarter er 3,96 milliarder år, mens sandstein funnet i Australia har klaster som har blitt datert til 4,1–4,2 milliarder år gamle. Radiometrisk datering av meteoritter og bergarter funnet på Månen har gitt aldre på opp til 4,56 milliarder år og vi regner dette som et anslag på hvor gammel Jorden kan være. Grunnen til at vi ikke finner så gamle bergarter på jordkloden er at den i tidlig arkeikum var for varm til å starte den radiometriske klokka i bergartene, som brukes for å datere mineraler ved hjelp av halveringstider. Og selve kontinentene er ikke noen steder eldre enn om lag fire milliarder år, mens havbunnen fornyes kontinuerlig. Ingen havbunn regnes for å være eldre enn 200 millioner år.
Det tok om lag 500 millioner år før kloden ble kjølnet ned nok til at det kunne danne seg en sammenhengende jordskorpe oppå magmaen. For fire milliarder år siden må det også allerede ha eksistert et osean. Dette var imidlertid livløst til å begynne med, selv om det er funnet rester av karbon i sedimentære (havbunnsavsatte) bergarter på Grønland som er 3,8 milliarder år gamle. Etter at havet hadde oppstått, var det etter hvert lite eller ingen landmasser på jorden. Nå oppstod nettopp sen-arkeiske, sedimentære bergarter som skifer, konglomerat og kvartsitt.

Atmosfæren

Smeltingen og krystalliseringen i arkeikum skapte gassutblåsninger, vanndamp og vulkansk aktivitet som bidro til jordas uratmosfære. Den ble fylt med helium og hydrogen som ble avgitt fra jorden, men hovedbestanden i uratmosfæren var svovel. Man har tradisjonelt antatt at atmosfæren var ytterst livsfiendtlig i første halvdel av arkeikum, uten oksygen eller ozon, men med mer svovel enn i dag og preget av stadige, sterke tordenvær. De første organismene - prokaryoter - utviklet seg på denne tiden og «pustet» trolig svovel i stedet for oksygen. Denne typen liv kan ha utviklet seg tilpasset den første, svovelholdige atmosfæren. men det fremmes også teorier om at atmosfæren hele tiden har hatt oksygen, siden tidlig arkeikum.
For 3,8 milliarder år siden ble jorden (og månen) antatt utsatt for et nytt, kraftig meteoritt-bombardement som sammen med solvind rev bort den første atmosfæren. Bombardementet skapte intens varmeutvikling og vulkanisme, som nok en gang frigjorde nitrogen, karbondioksid og vanndamp. Disse elementene ble nå nedbrutt av ultrafiolett lys fra sola og omdannet til hydrogen, oksygen og ozon i en relativt oksygenfattig, ny atmosfære. Vanndampen kondenserte og dannet havene for kanskje 4 milliarder år siden, godt hjulpet av is og flytende vann fra asteroider, protoplaneter, kometer og transneptunske objekt. Til tross for at solen utstrålte om lag 30 % mindre energi enn den gjør i dag, viser forskning at havene forble flytende, en selvmotsigelse formulert i den svake sols paradoks. En kombinasjon av drivhusgasser og økt solaktivitet bidro til økning av jordens overflatetemperatur, og forhindret at havene frøs over. Utviklingen av liv i havene etter relativt kort tid, avga oksygen som lagret seg i den nye atmosfæren.

Fotosyntese og fjellkjededannelser

Etter at havet oppstod for 4 milliarder år siden, var det etter hvert lite eller ingen landmasser på jorden. De første spor etter organismer (blågrønn- eller lignende bakterier) er ca. 3,6 milliarder år gamle. For 3,5 milliarder år siden ble jordens magnetfelt dannet, noe som forhindret solvind fra å bryte ned jordens nye atmosfære. I proterozoikum, før utviklingen av større dyr, var de grunne havområdene sannsynligvis dekket av matter dannet av mikroorganismer, ifølge professor David Bottjer. Da liv med evne til fotosyntese oppstod for mer enn 3,5 milliarder år siden, ble det avgitt store mengder oksygen fra blant annet blågrønnbakterier, og dette bidro gradvis til å øke oksygeninnholdet i atmosfæren.
Den danske geologiprofessor Minik T. Rosing og kolleger ved Stanford University mener kontinentalskorpene oppstod i takt med anaerobt liv. Mangelen på landmasser skapte vesentlig sedimentære bergarter som skifer, konglomerat og kvartsitt i sen arkeikum. Når lava steg opp til overflaten gjennom basaltskorpen, ville den normalt avkjøles og størkne til tung basalt og gradvis synke ned i magmaen igjen, smelte ved 1100–1200 °C og stige opp for å størkne på ny, i en kontinuerlig geologisk prosess. Basalten gjennomgikk nå en økende oksidasjonsprosess og forvitret.
Basalt som er blitt forvitret av oksygen vil smelte ved «kun» 650 °C, utskilles og stige opp til overflaten der den størkner til langt lettere granitt, som finnes på samtlige kontinenter men er uhyre sjelden ellers i solsystemet. Relativt lett granitt la seg oppå den tyngre basalten og lot basaltsyklusen fortsetter under dekket av granitt, som forble stabilt og flytende. Vi har grunnfjell fra denne tiden i Norge, rester av en arkeisk fjellkjede finner vi i Lofoten med aldre opptil 3,3 milliarder år. Urbergarten granitt opptar for øvrig svært lite oksygen i friluft, og dette bidro derfor til stadig mer fritt oksygen i atmosfæren.

Sen arkeikum

De eldste mineralene som finnes på jorden, er zirkon-krystaller datert til 4,4 milliarder år før nåtid. Men de fleste kratoner av grunnfjell oppstod fra 3,8 milliarder år siden, dvs etter det som tidligere kaltes hadeikum. Vi finner ca. 3,8 milliarder år gammel berggrunn i blant annet Australia og på Grønland, og de eldste bergartene er som regel gneis. I Norge oppstår gneis som er over 2,8 milliarder år gammel i Sør-Varanger. Et svært gammelt mineral er jern, som opptrer fra 3 milliarder år siden i Minnesota og 2,7 milliarder år gammelt i Sør-Varanger.
De tidlige havene inneholdt også store mengder oppløst jern. Oksygenet som ble produsert gjennom fotosyntesen av mikroorganismene reagerte med jernet og ble felt ut som jernoksid. Dette foregikk over hundretalls millioner år, og da alt jernet var felt ut for ca. 2,2 milliarder år siden, lå det igjen er skorpe av rust på bunnen av verdenshavene som inneholder 20 ganger mer bundet oksygen enn hva vi i dag finner i fri form. Først nå kunne det produseres et reelt overskudd av oksygen. Nivået i atmosfæren fortsatte så å stige i de neste årmillionene, og for noe over 500 millioner år siden var det høyt nok til at større dyr kunne utvikles i havene og livet kunne begynne å invadere landjorden.