De temperatuur van het binnenste van de aarde beïnvloedt alles, van de beweging van tektonische platen tot de vorming van de planeet.

Een nieuwe studie onder leiding van Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) suggereert dat de mantel - de grotendeels solide, Het rotsachtige deel van het binnenste van de aarde dat tussen de oververhitte kern en de buitenste korstlaag ligt, kan heter zijn dan eerder werd aangenomen. De nieuwe vondst, gepubliceerd op 3 maart in het tijdschrift Wetenschap , zou kunnen veranderen hoe wetenschappers denken over veel problemen in de aardwetenschappen, inclusief hoe oceaanbekkens worden gevormd.

"Bij mid-oceanische ruggen, de tektonische platen die de zeebodem vormen, spreiden zich geleidelijk uit elkaar, " zei de hoofdauteur van de studie, Emily Sarafian, een afgestudeerde student in het MIT-WHOI Joint Program. "Gesteente van de bovenste mantel stijgt langzaam op om de leegte tussen de platen te vullen, smelten als de druk afneemt, vervolgens afkoelen en opnieuw stollen om nieuwe korst langs de oceaanbodem te vormen. We wilden dit proces kunnen modelleren, dus we moesten weten bij welke temperatuur stijgend mantelgesteente begint te smelten."

Maar die temperatuur bepalen is niet eenvoudig. Omdat het niet mogelijk is om de temperatuur van de mantel direct te meten, geologen moeten het schatten door middel van laboratoriumexperimenten die de hoge drukken en temperaturen in de aarde simuleren.

Water is een cruciaal onderdeel van de vergelijking:hoe meer water (of waterstof) in gesteente, hoe lager de temperatuur waarbij het zal smelten. Van het peridotietgesteente dat de bovenmantel vormt, is bekend dat het een kleine hoeveelheid water bevat. "Maar we weten niet precies hoe de toevoeging van water dit smeltpunt verandert, " zei de adviseur van Sarafian, WHOI-geochemicus Glenn Gaetani. "Er is dus nog veel onzekerheid."

Om erachter te komen hoe het watergehalte van mantelgesteente het smeltpunt beïnvloedt, Sarafian voerde een reeks laboratoriumexperimenten uit met behulp van een zuiger-cilinderapparaat, een machine die elektrische stroom gebruikt, zware metaalplaten, en stapels zuigers om de kracht te vergroten om de hoge temperaturen en drukken diep in de aarde na te bootsen. Volgens de standaard experimentele methodologie, Sarafian creëerde een monster van een synthetische mantel. Ze gebruikte een bekende, gestandaardiseerde minerale samenstelling en gedroogd in een oven om zoveel mogelijk water te verwijderen.

Tot nu, in experimenten als deze, wetenschappers die de samenstelling van gesteenten bestuderen, moesten aannemen dat hun uitgangsmateriaal volledig droog was, omdat de mineraalkorrels waarmee ze werken te klein zijn om op water te analyseren. Na het uitvoeren van hun experimenten, ze corrigeren hun experimenteel bepaalde smeltpunt om rekening te houden met de hoeveelheid water waarvan bekend is dat deze zich in het mantelgesteente bevindt.

"Het probleem is, de uitgangsmaterialen zijn poeders, en ze adsorberen atmosferisch water, "Zei Sarafian. "Dus, of je water hebt toegevoegd of niet, er zit water in je experiment."

Sarafian pakte het anders aan. Ze wijzigde haar uitgangsmonster door bollen toe te voegen van een mineraal genaamd olivijn, die van nature in de mantel voorkomt. De bolletjes waren nog klein - ongeveer 300 micrometer in diameter, of de grootte van fijne zandkorrels, maar ze waren groot genoeg voor Sarafian om hun watergehalte te analyseren met behulp van secundaire ionenmassaspectrometrie (SIMS). Vanaf daar, ze kon het watergehalte van haar hele startmonster berekenen. Tot haar verbazing ze ontdekte dat het ongeveer dezelfde hoeveelheid water bevatte waarvan bekend is dat het in de mantel zit.

Op basis van haar resultaten, Sarafian concludeerde dat het smelten van de mantel op een ondiepere diepte onder de zeebodem moest beginnen dan eerder werd verwacht.

Om haar resultaten te verifiëren, Sarafian draaide magnetotellurics - een techniek die de elektrische geleidbaarheid van de korst en mantel onder de zeebodem analyseert. Gesmolten gesteente geleidt elektriciteit veel meer dan vast gesteente, en met behulp van magnetotellurische gegevens, geofysici kunnen een afbeelding maken die laat zien waar smelten plaatsvindt in de mantel.

Maar een magnetotellurische analyse gepubliceerd in Natuur in 2013 door onderzoekers van de Scripps Institution of Oceanography in San Diego toonden aan dat mantelgesteente op een diepere diepte onder de zeebodem smolt dan de experimentele gegevens van Sarafian hadden gesuggereerd.

Aanvankelijk, De experimentele resultaten van Sarafian en de magnetotellurische waarnemingen leken met elkaar in strijd te zijn, maar ze wist dat beide gelijk moesten hebben. Door de temperaturen en drukken die Sarafian in haar experimenten heeft gemeten te verzoenen met de smeltdiepte van de Scripps-studie, kwam ze tot een verrassende conclusie:de oceanische bovenmantel moet 60 ° C (~ 110 ° F) heter zijn dan de huidige schattingen, ' zei Sarafian.

Een toename van 60 graden klinkt misschien niet als veel vergeleken met een gesmolten manteltemperatuur van meer dan 1, 400°C. Maar Sarafian en Gaetani zeggen dat het resultaat significant is. Bijvoorbeeld, een hetere mantel zou vloeibaarder zijn, helpen om de beweging van stijve tektonische platen te verklaren.