De aardmantel - de laag tussen de korst en de buitenste kern - herbergt een oersoep die zelfs ouder is dan de maan. Een van de belangrijkste ingrediënten is helium-3 (He-3), een overblijfsel van de oerknal en kernfusiereacties in sterren. En de mantel is de enige aardse bron.

Wetenschappers die vulkanische hotspots bestuderen, hebben hier sterk bewijs van, het vinden van hoge helium-3 ten opzichte van helium-4 in sommige pluimen, de opwellingen van de diepe aardmantel. Primordiale reservoirs in de diepe aarde, bemonsterd door een klein aantal vulkanische hotspots wereldwijd, hebben deze oude He-3/4 handtekening.

Geïnspireerd door een artikel uit 2012 waarin een verband werd voorgesteld tussen dergelijke hotspots en de snelheid van seismische golven die door het binnenste van de aarde bewegen, UC Santa Barbara geochemicus Matthew Jackson werkte samen met de auteurs van het originele artikel - Thorsten Becker van de Universiteit van Texas in Austin en Jasper Konter van de Universiteit van Hawaï - om aan te tonen dat alleen de heetste hotspots met de laagste golfsnelheid uit het primitieve reservoir trekken vroeg in de geschiedenis van de planeet gevormd. Hun bevindingen verschijnen in het tijdschrift Natuur .

"We gebruikten de seismologie van de ondiepe mantel - de snelheid waarmee seismische golven door de aarde onder de korst reizen - om conclusies te trekken over de diepere mantel, " zei Jackson, een assistent-professor in de afdeling Aardwetenschappen van UCSB. "Op 200 km, de ondiepe mantel heeft de grootste variabiliteit van seismische snelheden - meer dan 6 procent, wat veel is. Bovendien, die variabiliteit, waarvan we veronderstellen dat het te maken heeft met temperatuur, correleert met He-3."

Voor hun studie de onderzoekers gebruikten de nieuwste seismische modellen van de snelheidsstructuur van de aarde en 35 jaar heliumgegevens. Toen ze oceanische hotspots met hoge niveaus van He-3/4 vergeleken met seismische golfsnelheden, ze ontdekten dat deze de heetste hotspots vertegenwoordigen, met seismische golven die langzamer bewegen dan in koelere gebieden. Ze analyseerden ook de drijfvermogen van hotspots, die kan worden gebruikt om te meten hoeveel smelt een bepaalde hotspot produceert. Op Hawaii, de Galapagos-eilanden, Samoa en Paaseiland, evenals in IJsland, hotspots hadden een hoog drijfvermogen, bevestiging van een basisregel van de natuurkunde:hoe heter, des te levendiger.

"We ontdekten dat hoe hoger het drijfvermogen van de hotspot, hoe meer smelt een hotspot produceerde en hoe waarschijnlijker het was om een ​​hoge He-3/4 te hebben, Jackson zei. "Hetere pluimen hebben niet alleen een lagere seismische snelheid en een hogere drijfvermogenflux, zij zijn ook degenen met de hoogste He-3/4. Dit sluit allemaal mooi aan bij elkaar en het is de eerste keer dat He-3/4 is gecorreleerd met ondiepe mantelsnelheden en hotspot-drijfvermogen wereldwijd."

Becker merkte op dat correlatie geen causaliteit impliceert, "maar het is best handig dat we twee sterke correlaties hebben gevonden, die beide wijzen op hetzelfde fysiek plausibele mechanisme:het oorspronkelijke spul wordt bij voorkeur opgepikt door de meest krachtige thermochemische opwellingen."

De auteurs wilden ook weten waarom alleen de heetste, meest drijvende pluimen monster hoge He-3/4.

"De verklaring die we bedachten - die mensen die numerieke simulaties doen al lange tijd suggereren - is dat wat dit reservoir ook is met primitief helium, het moet echt dicht zijn, zodat alleen de heetste, de meeste drijvende pluimen kunnen een deel ervan meeslepen naar de oppervlakte, Jackson zei. "Dat is logisch en het verklaart ook hoe iets zo oud 4,5 miljard jaar kon overleven in de chaotisch convecerende mantel. Het dichtheidscontrast maakt het waarschijnlijker dat het oude heliumreservoir wordt bewaard in plaats van vermengd."

"Aangezien deze correlatie van geochemie en seismologie nu geldt van heliumisotopen in dit werk tot de composities die we in 2012 hebben onderzocht, het lijkt erop dat de algemene geochemische variaties van hotspots opnieuw moeten worden onderzocht vanuit het perspectief van het drijfvermogen, ’ concludeerde Konter.