Nieuw onderzoek van de Universiteit van Texas in Austin onthult dat de unieke ijzersamenstelling van de aarde niet is gekoppeld aan de vorming van de kern van de planeet, een heersende theorie in twijfel trekken over de gebeurtenissen die onze planeet tijdens de vroegste jaren hebben gevormd.

Het onderzoek, gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 20 februari opent de deur voor andere concurrerende theorieën over waarom de aarde, ten opzichte van andere planeten, heeft hogere niveaus van zware ijzerisotopen. Onder hen:lichte ijzerisotopen zijn mogelijk in de ruimte verdampt door een grote botsing met een andere planeet die de maan heeft gevormd; het langzame karnen van de mantel terwijl deze de aardkorst maakt en recycleert, kan bij voorkeur zwaar ijzer in gesteente opnemen; of, de samenstelling van de grondstof die de planeet in zijn vroegste dagen vormde, is mogelijk verrijkt met zwaar ijzer.

Een isotoop is een verscheidenheid aan atomen die een ander gewicht hebben dan andere atomen van hetzelfde element omdat het een ander aantal neutronen heeft.

"De vorming van de kern van de aarde was waarschijnlijk de grootste gebeurtenis die de geschiedenis van de aarde beïnvloedde. Materialen waaruit de hele aarde bestaat, werden gesmolten en gedifferentieerd, " zei Jung-Fu Lin, een professor aan de UT Jackson School of Geosciences en een van de auteurs van de studie. "Maar in dit onderzoek we zeggen dat er een andere oorzaak moet zijn voor de anomalie van de ijzerisotoop van de aarde."

Jin Liu, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Stanford University, leidde het onderzoek terwijl hij zijn Ph.D. op de Jacksonschool. Medewerkers zijn onder meer wetenschappers van de Universiteit van Chicago, Sorbonne-universiteiten in Frankrijk, Argonne Nationaal Laboratorium, het centrum voor hogedrukwetenschap en geavanceerd technologisch onderzoek in China, en de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

Gesteentemonsters van andere planetaire lichamen en objecten - variërend van de maan, naar Mars, tot oude meteorieten die chondrieten worden genoemd - ze delen allemaal ongeveer dezelfde verhouding van zware tot lichte ijzerisotopen. In vergelijking met deze monsters uit de ruimte, gesteenten van de aarde bevatten ongeveer 0,01 procent meer zware ijzerisotopen dan lichte isotopen.

Dat klinkt misschien niet als veel, maar Lin zei dat het significant genoeg is om de ijzersamenstelling van de aarde uniek te maken onder bekende werelden.

"Deze anomalie van 0,01 procent is zeer significant vergeleken met, zeggen, chondrieten, Lin zei. "Dit significante verschil vertegenwoordigt dus een andere bron of oorsprong van onze planeet."

Lin zei dat een van de meest populaire theorieën om de ijzeren handtekening van de aarde te verklaren, is dat de relatief grote omvang van de planeet (vergeleken met andere rotsachtige lichamen in het zonnestelsel) tijdens de vorming van de kern hoge druk en hoge temperatuur creëerde die verschillende verhoudingen van zware en lichte ijzerisotopen hopen zich op in de kern en de mantel. Dit resulteerde in een groter aandeel van zware ijzerisotopen die zich hechten aan elementen waaruit de rotsmantel bestaat, terwijl lichtere ijzerisotopen aan elkaar en met andere sporenmetalen bonden om de kern van de aarde te vormen.

Maar toen het onderzoeksteam een ​​diamanten aambeeld gebruikte om kleine monsters van metaallegeringen en silicaatgesteenten te onderwerpen aan druk in de kernformatie, ze ontdekten niet alleen dat de ijzerisotopen bleven zitten, maar dat de banden tussen ijzer en andere elementen sterker werden. In plaats van te breken en opnieuw te binden met gemeenschappelijke mantel of kernelementen, de initiële bindingsconfiguratie werd steviger.

"Onze hogedrukstudies vinden dat de isotopenfractionering van ijzer tussen de silicaatmantel en de metalen kern minimaal is, " zei Liu, de hoofdauteur.

Co-auteur Nicolas Dauphas, een professor aan de Universiteit van Chicago, benadrukte dat het analyseren van de metingen op atomaire schaal een prestatie op zich was.

"Men moet geavanceerde wiskundige technieken gebruiken om de metingen te begrijpen, "zei hij. "Er was een droomteam voor nodig om dit voor elkaar te krijgen."

Heleen Willems, een docent geologie aan de Universiteit van Cambridge, zei dat het moeilijk is om de fysieke omstandigheden van de kernformatie van de aarde te kennen, maar dat de hoge drukken in het experiment zorgen voor een meer realistische simulatie.

"Dit is een echt elegante studie met een zeer nieuwe benadering die oudere experimentele resultaten bevestigt en deze uitbreidt tot veel hogere drukken die geschikt zijn voor de waarschijnlijke omstandigheden van kern-mantel-evenwicht op aarde, ' zei Willems.

Lin zei dat er meer onderzoek nodig is om de reden voor de unieke ijzeren handtekening van de aarde te achterhalen. en dat experimenten die de vroege omstandigheden op aarde benaderen een sleutelrol zullen spelen omdat gesteenten uit de kern onmogelijk te bereiken zijn.