Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van geowetenschappers van het Virginia Tech College of Science ontdekte onlangs dat diepe delen van de aardmantel net zo heet kunnen zijn als meer dan 2,5 miljard jaar geleden.

De studie, onder leiding van Esteban Gazel, een assistent-professor bij de afdeling Geowetenschappen van Virginia Tech, en zijn doctoraalstudent Jarek Trela ​​van Deer Park, Illinois, wordt gepubliceerd in het laatste nummer van Natuur Geowetenschappen . De studie brengt nieuwe, ongekend bewijs over de thermische evolutie van de diepe aarde gedurende de afgelopen 2,5 miljard jaar, zei Gazel.

De Archeïsche Eon - die 2,5 tot 4 miljard jaar geleden beslaat - is een van de meest raadselachtige tijden in de evolutie van onze planeet, zei Gazel. Gedurende deze periode, de temperatuur van de aardmantel - het silicaatgebied tussen de korst en de buitenste kern - was heter dan nu, vanwege een grotere hoeveelheid radioactieve warmte die wordt geproduceerd door het verval van elementen zoals kalium, thorium, en uranium. Omdat de aarde in deze periode heter was, dit interval van geologische tijd wordt gekenmerkt door het wijdverbreide voorkomen van een unieke rots die bekend staat als komatiiet.

"Komatiites zijn in feite superhete versies van lavastromen in Hawaiiaanse stijl, " zei Gazel. "Je kunt je een Hawaiiaanse lavastroom voorstellen, alleen komatiieten waren zo heet dat ze wit gloeiden in plaats van rood, en ze stroomden op een planetair oppervlak met zeer verschillende atmosferische omstandigheden, meer vergelijkbaar met Venus dan de planeet waarop we vandaag leven."

De aarde stopte in wezen met het produceren van overvloedige hete komatiieten na het Archeïsche tijdperk omdat de mantel de afgelopen 4,5 miljard jaar is afgekoeld als gevolg van convectieve koeling en een afname van de productie van radioactieve warmte, zei Gazel.

Echter, Gazel en een team deden wat ze noemen een verbazingwekkende ontdekking tijdens het bestuderen van de chemie van oude Galapagos-gerelateerde lavastromen, vandaag bewaard in Midden-Amerika:een reeks lava's die omstandigheden van smelten en kristallisatie vertoont vergelijkbaar met de mysterieuze Archean komatiites.

Gazel en medewerkers bestudeerden een reeks stenen uit de 90 miljoen jaar oude Tortugal Suite in Costa Rica en ontdekten dat ze magnesiumconcentraties hadden die zo hoog waren als Archean komatiites, evenals textuurbewijs voor extreem hete lavastroomtemperaturen.

"Experimentele studies vertellen ons dat de magnesiumconcentratie van basalt en komatiieten gerelateerd is aan de begintemperatuur van de smelt, " zei Gazel. "Ze verhogen de temperatuur, hoe hoger het magnesiumgehalte van een basalt."

Het team bestudeerde ook de samenstelling van olivijn, het eerste mineraal dat uit deze lava kristalliseerde. Olivijn - een lichtgroen mineraal dat Gazel obsessief heeft verkend met vele vulkanen en magmatische gebieden om naar te zoeken - is een uiterst nuttig hulpmiddel om een ​​aantal omstandigheden te bestuderen die verband houden met de oorsprong van een lavastroom, omdat het de eerste minerale fase is die kristalliseert wanneer een mantel smelt koelt af. Olivijnen bevatten ook insluitsels van glas - dat ooit was gesmolten - en andere kleinere mineralen die nuttig zijn om de geheimen van de diepe aarde te ontcijferen.

"We gebruikten de samenstelling van olivijn als een andere thermometer om te bevestigen hoe heet deze lava's waren toen ze begonnen af ​​te koelen, " zei Gazel. "Je kunt de temperatuur bepalen waarop basaltlava begon te kristalliseren door de samenstelling van olivijn en insluitsels van een ander mineraal genaamd spinel te analyseren. Bij hogere temperaturen, olivijn zal meer aluminium in zijn structuur opnemen en spinel zal meer chroom opnemen. Als je weet hoeveel van deze elementen in elk mineraal aanwezig zijn, dan weet je bij welke temperatuur ze kristalliseerden."

Het team ontdekte dat Tortugal-olivijnen kristalliseerden bij een temperatuur van bijna 2, 900 graden Fahrenheit (1, 600 graden Celsius) - zo hoog als de temperaturen die zijn geregistreerd door olivijnen van komatiieten - waardoor dit een nieuw record is voor lavatemperaturen in de afgelopen 2,5 miljard jaar.

Gazel en medewerkers suggereren in hun onderzoek dat de aarde mogelijk nog steeds in staat is om komatiiet-achtige smeltingen te produceren. Hun resultaten suggereren dat Tortugal-lava's hoogstwaarschijnlijk afkomstig zijn uit de hete kern van de Galapagos-mantelpluim die bijna 90 miljoen jaar geleden begon met het produceren van smelt en sindsdien actief is gebleven.

Een mantelpluim is een diep-aardstructuur die waarschijnlijk zijn oorsprong vindt aan de kern-mantelgrens van de planeet. Wanneer het het oppervlak van de planeet nadert, begint het te smelten, het vormen van functies die bekend staan ​​als hotspots, zoals die gevonden in Hawaii of Galapagos. Geologen kunnen deze hotspot-lavastromen vervolgens bestuderen en hun geochemische informatie gebruiken als een venster op de diepe aarde.

"Wat echt fascinerend is aan deze studie, is dat we laten zien dat de planeet nog steeds in staat is om lava's te produceren die zo heet zijn als tijdens de Archeïsche tijdsperiode, " zei Gazel. "Op basis van onze resultaten van Tortugal-lava's, we denken dat mantelpluimen een diepe, hete regio van de mantel die niet veel is afgekoeld sinds de Archean. We denken dat deze regio waarschijnlijk wordt onderhouden door de warmte van de kristalliserende kern van de planeet."

"Dit is een heel interessante ontdekking en we blijven Tortugal onderzoeken, " zei Trela, een doctoraatsstudent en de eerste auteur van het artikel. "Hoewel de Tortugal Suite meer dan 20 jaar geleden voor het eerst werd ontdekt en gedocumenteerd, het was pas nu dat we de technologie en experimentele ondersteuning hebben om de wereldwijde implicaties van deze locatie beter te begrijpen."

Trela ​​heeft toegevoegd, "Onze nieuwe gegevens suggereren dat deze reeks rotsen een geweldige kans biedt om belangrijke vragen over de aanwas van de aarde te beantwoorden, zijn thermische evolutie, en de geochemische berichten die mantelpluimen naar de oppervlakte van de planeet brengen."