Al decenia, onderzoekers hebben het binnenste van de aarde bestudeerd met behulp van seismische golven van aardbevingen. Nu een recente studie, geleid door de School of Earth and Space Exploration Associate Professor Dan Shim van de Arizona State University, heeft in het laboratorium de omstandigheden die diep in de aarde worden gevonden, opnieuw gecreëerd, en gebruikte dit om een ​​belangrijke eigenschap van het dominante mineraal in de aardmantel te ontdekken, een gebied dat ver onder onze voeten ligt.

Shim en zijn onderzoeksteam combineerden röntgentechnieken in de synchrotronstralingsfaciliteit van de National Labs van het Amerikaanse ministerie van Energie en elektronenmicroscopie met atomaire resolutie bij ASU om te bepalen wat ongebruikelijke stroompatronen veroorzaakt in rotsen die 600 mijl en dieper in de aarde liggen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Langzame stroom, diep

Planeet Aarde is opgebouwd uit lagen. Deze omvatten de korst aan de oppervlakte, de mantel en de kern. Warmte uit de kern drijft een langzame karnende beweging van de vaste silicaatgesteenten van de mantel aan, als langzaam kokende fudge op een brander. Deze beweging van de transportband zorgt ervoor dat de tektonische platen van de aardkorst aan de oppervlakte tegen elkaar verdringen, een proces dat minstens de helft van de geschiedenis van 4,5 miljard jaar op aarde voortduurt.

Het team van Shim concentreerde zich op een raadselachtig deel van deze cyclus:waarom vertraagt ​​het karnenpatroon abrupt op diepten van ongeveer 600 tot 900 mijl onder het oppervlak?

"Recente geofysische studies hebben gesuggereerd dat het patroon verandert omdat de mantelgesteenten op die diepte minder gemakkelijk stromen, ' zei Shim. 'Maar waarom? Verandert de rotssamenstelling daar? Of worden rotsen op die diepte en druk ineens stroperiger? Niemand weet."

Om de vraag in het lab te onderzoeken, Shim's team bestudeerde bridgmanite, een ijzerhoudend mineraal dat eerder werk heeft aangetoond, is de dominante component in de mantel.

"We ontdekten dat er veranderingen optreden in bridgmanite bij de verwachte druk voor 1, 000 tot 1, 500 km diepte, Shim zei. "Deze veranderingen kunnen een toename van de viscositeit van bridgmanite veroorzaken - de weerstand tegen vloeien."

Het team synthetiseerde monsters van bridgmanite in het laboratorium en onderwierp ze aan de hogedrukomstandigheden die op verschillende diepten in de mantel werden aangetroffen.

Minerale sleutel tot de mantel

De experimenten toonden het team dat, boven een diepte van 1, 000 kilometer en onder een diepte van 1, 700km, bridgmanite bevat bijna gelijke hoeveelheden geoxideerde en gereduceerde vormen van ijzer. Maar bij druk gevonden tussen die twee diepten, bridgmanite ondergaat chemische veranderingen die de ijzerconcentratie die het bevat aanzienlijk verlagen.

Het proces begint met het uitdrijven van geoxideerd ijzer uit het bridgmaniet. Het geoxideerde ijzer verbruikt vervolgens de kleine hoeveelheden metallisch ijzer die als maanzaad in een cake door de mantel worden verspreid. Deze reactie verwijdert het metallische ijzer en resulteert in het maken van meer gereduceerd ijzer in de kritische laag.

Waar gaat het gereduceerde ijzer naartoe? Het antwoord, zei het team van Shim, is dat het in een ander mineraal in de mantel terechtkomt, ferroperiklaas, die chemisch gevoelig is voor het absorberen van verminderd ijzer.

"Zo komt het bridgmaniet in de diepe laag terecht met minder ijzer, " legde Shim uit, opmerkend dat dit de sleutel is tot waarom deze laag zich gedraagt ​​zoals hij doet.

"Omdat het ijzer verliest, bridgmanite wordt stroperiger, Shim zei. "Dit kan de seismische waarnemingen van vertraagde mantelstroom op die diepte verklaren."