De aardmantel is gemaakt van massief gesteente dat niettemin langzaam circuleert over miljoenen jaren. Sommige geologen gaan ervan uit dat deze langzame circulatie lang geleden alle geochemische sporen van de vroege geschiedenis van de aarde zou hebben weggevaagd. Maar een nieuwe studie onder leiding van geologen van de Universiteit van Maryland heeft nieuw bewijs gevonden dat meer dan 4,5 miljard jaar oud zou kunnen zijn.

De auteurs van het onderzoeksartikel, gepubliceerd op 7 april in het tijdschrift Wetenschap , bestudeerde vulkanische rotsen die onlangs uit vulkanen in Hawaï en Samoa zijn uitgebarsten. De rotsen bevatten verrassende geochemische anomalieën - de "vingerafdrukken" van omstandigheden die bestonden kort nadat de planeet was gevormd.

De onderzoekers weten nog niet zeker hoe de aardmantel deze anomalieën heeft behouden. Maar de resultaten van de groep suggereren dat sommige van deze rotsen materiaal bevatten dat de hele geschiedenis van de aarde heeft overleefd - en dat het binnenste van de planeet misschien toch niet goed gemengd is.

"We hebben geochemische handtekeningen gevonden die bijna 4,5 miljard jaar geleden moeten zijn gemaakt, " zei Andrea Mundl, een postdoctoraal onderzoeker in de geologie aan de UMD en de hoofdauteur van de studie. "Het was vooral opwindend om deze anomalieën in zulke jonge rotsen te vinden. We weten nog niet hoe deze handtekeningen zo lang hebben overleefd, maar we hebben een paar ideeën."

De afwijkende handtekeningen worden gevonden in de verhoudingen van de belangrijkste isotopen van twee elementen:wolfraam en helium.

In het geval van wolfraam, die veel isotopen heeft, de belangrijke verhouding is wolfraam-182 tot wolfraam-184. De zwaardere isotoop, wolfraam-184, is stabiel en bestaat al sinds de eerste vorming van de planeet. wolfraam-182, anderzijds, is het gevolg van het verval van hafnium-182, die zeer instabiel is. Al het natuurlijk voorkomende hafnium-182 verviel in de eerste 50 miljoen jaar van de geschiedenis van de aarde, waardoor wolfraam-182 op zijn plaats blijft.

Wolfraam en hafnium gedroegen zich heel anders tijdens de eerste 50 miljoen jaar van de planeet. Wolfraam heeft de neiging om te associëren met metalen, dus het meeste migreerde naar de kern van de aarde, terwijl hafnium, die de neiging heeft om te associëren met silicaatmineralen, bleef in de mantel en korst van de aarde. De meeste gesteenten op aarde hebben een vergelijkbare verhouding van wolfraam-182 tot wolfraam-184, en deze verhouding dient als een globale basislijn. Geologen kunnen veel leren van rotsen met een ongewoon hoge of lage hoeveelheid wolfraam-182 - wat aangeeft hoeveel hafnium-182 lang geleden in de rots aanwezig was.

"Bijna al deze anomalieën vormden zich in de eerste 50 miljoen jaar nadat het zonnestelsel was gevormd, " zei Mundl. "Hoger dan normale niveaus van wolfraam-182 worden gezien in zeer oude rotsen die hoogstwaarschijnlijk lang geleden veel hafnium bevatten. Maar lagere niveaus van wolfraam-182 zijn zeldzaam, en lijken op wat we diep onder de oppervlakte zouden verwachten te zien, in of nabij de metalen kern van de planeet."

Zowaar, Mundl en haar collega's observeerden een ongewoon lage hoeveelheid wolfraam-182 in sommige rotsen van Hawaï en Samoa. Op zichzelf, de wolfraamisotoopverhouding is interessant, maar niet genoeg om overtuigende conclusies te trekken. Maar de onderzoekers merkten ook op dat dezelfde rotsen een ongebruikelijke verhouding heliumisotopen bevatten.

Helium-3 is uiterst zeldzaam op aarde, en heeft de neiging om te verschijnen in monsters van gesteente die niet zijn gesmolten of anderszins gerecycled sinds de planeet voor het eerst is gevormd. helium-4, anderzijds, kan ontstaan ​​door het radioactieve verval van uranium en thorium. Een hogere dan normale verhouding van helium-3 tot helium-4 duidt typisch op zeer oude rotsen die niet significant zijn veranderd sinds de planeet gevormd is.

"Variaties in de isotopensamenstelling van helium zijn al lang bekend, maar zijn nooit gecorreleerd met andere geochemische parameters, " zei Richard Walker, professor en afdelingsvoorzitter geologie aan de UMD en co-auteur van het artikel. "Van gesteenten met hoge helium-3 tot helium-4-verhoudingen wordt vaak gespeculeerd dat ze 'primitief' mantelmateriaal bevatten, maar hoe primitief was niet bekend. Onze wolfraamgegevens laten zien dat het inderdaad erg primitief is, met het brongebied dat zich hoogstwaarschijnlijk vormt binnen de eerste 50 miljoen jaar van de geschiedenis van het zonnestelsel."

Mundl, Walker en hun co-auteurs suggereren een paar verschillende scenario's die de wolfraam- en heliumanomalieën kunnen hebben veroorzaakt die ze hebben waargenomen in vulkanisch gesteente uit Hawaï en Samoa. Misschien halen de vulkanen materiaal uit de kern van de aarde, waar de verhoudingen naar verwachting laag wolfraam-182 en hoog helium-3 zullen bevoordelen.

Alternatief, het rotsachtige buitenoppervlak van de aarde kan zich in flarden hebben gevormd, met daartussen enorme magma-oceanen. Delen van deze magma-oceanen zijn mogelijk gekristalliseerd en gezonken op de grens tussen de mantel en de kern, het behoud van de oude wolfraam- en heliumsignaturen.

"Elk van deze scenario's bevat enkele inconsistenties die we nog niet kunnen verklaren, "Zei Mundl. "Maar dit is een opwindend resultaat dat zeker veel interessante nieuwe onderzoeksvragen zal opleveren."