Platentektoniek heeft het aardoppervlak miljarden jaren gevormd:continenten en oceanische korst hebben elkaar geduwd en getrokken, voortdurend de façade van de planeet herschikken. Als twee massieve platen botsen, de ene kan wijken en onder de andere glijden in een proces dat subductie wordt genoemd. De ondergedompelde plaat glijdt dan naar beneden door de stroperige aardmantel, als een platte steen door een plas honing.

Voor het grootste gedeelte, de huidige subductieplaten kunnen slechts tot nu toe zinken, tot ongeveer 670 kilometer onder het oppervlak, voordat de make-up van de mantel verandert van een honingachtige consistentie, tot die van pasta - te dicht voor de meeste platen om verder door te dringen. Wetenschappers hebben vermoed dat dit dichtheidsfilter het grootste deel van de geschiedenis van de aarde in de mantel heeft bestaan.

Nutsvoorzieningen, echter, geologen van het MIT hebben ontdekt dat deze dichtheidsgrens veel minder uitgesproken was in de oude aardmantel, 3 miljard jaar geleden. In een paper gepubliceerd in Aardse en planetaire wetenschapsbrieven , de onderzoekers merken op dat de oude aarde een mantel herbergde die maar liefst 200 graden Celsius heter was dan nu - temperaturen die mogelijk uniformer zijn gebrouwen, minder dicht materiaal door de gehele mantellaag.

De onderzoekers vonden ook dat, vergeleken met het huidige rotsachtige materiaal, de oude korst was samengesteld uit veel dichter materiaal, verrijkt met ijzer en magnesium. De combinatie van een hetere mantel en dichtere rotsen zorgde er waarschijnlijk voor dat de subductieplaten helemaal naar de bodem van de mantel zonken, 2, 800 kilometer onder het oppervlak, het vormen van een "kerkhof" van platen bovenop de kern van de aarde.

Hun resultaten schetsen een heel ander beeld van subductie dan wat er tegenwoordig gebeurt, en suggereert dat de oude mantel van de aarde veel efficiënter was in het naar beneden halen van stukjes van de aardkorst.

"We vinden dat ongeveer 3 miljard jaar geleden, verzonken platen zouden dichter zijn gebleven dan de omringende mantel, zelfs in de overgangszone, en vanuit het oogpunt van het drijfvermogen is er geen reden waarom platen daar vast zouden komen te zitten. In plaats daarvan, ze moeten er altijd doorheen zakken, wat tegenwoordig veel minder vaak voorkomt, " zegt hoofdauteur Benjamin Klein, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS). "Dit lijkt te suggereren dat er een grote verandering was in de geschiedenis van de aarde in termen van hoe mantelconvectie en plaattektonische processen zouden zijn gebeurd."

De co-auteurs van Klein zijn Oliver Jagoutz, universitair hoofddocent EAPS, en Mark Behn van de Woods Hole Oceanographic Institution.

Temperatuur verschil

"Er is een open vraag wanneer platentektoniek echt begon in de geschiedenis van de aarde, Klein zegt. "Er is algemene consensus dat het waarschijnlijk minstens 3 miljard jaar geleden plaatsvond. Dit is ook het moment waarop de meeste modellen suggereren dat de aarde op haar heetst was."

Ongeveer 3 miljard jaar geleden, de mantel was waarschijnlijk ongeveer 150-200 C warmer dan nu. Klein, Jagoutz, en Behn onderzochten of hogere temperaturen in het binnenste van de aarde een verschil maakten in hoe tektonische platen, eenmaal ondergedompeld, werden door de mantel vervoerd.

"Ons werk begon als dit gedachte-experiment om te zeggen:als we weten dat de temperaturen veel hoger waren, hoe kan dat hebben gemoduleerd hoe de tektoniek eruit zag, zonder het in de groothandel te veranderen?" zegt Klein. "Omdat het debat eerder dit binaire argument was:of er was platentektoniek, of was er niet, en we suggereren dat er meer ruimte tussen zit."

Een "dichtheidsflip"

Het team voerde zijn analyse uit, de veronderstelling dat platentektoniek inderdaad het aardoppervlak 3 miljard jaar geleden vormde. Ze wilden de dichtheid van subductieplaten in die tijd vergelijken met de dichtheid van de omringende mantel, waarvan het verschil zou bepalen hoe ver de platen zouden zijn gezonken.

Om de dichtheid van oude platen te schatten, Klein verzamelde een grote dataset van meer dan 1, 400 eerder geanalyseerde monsters van zowel moderne gesteenten als komatiieten - klassieke gesteenten die ongeveer 3 miljard jaar geleden waren, maar tegenwoordig niet meer worden geproduceerd. Deze rotsen bevatten een grotere hoeveelheid dicht ijzer en magnesium in vergelijking met de huidige oceanische korst. Klein gebruikte de samenstelling van elk gesteentemonster om de dichtheid van een typische subductieplaat te berekenen, voor zowel de moderne tijd als 3 miljard jaar geleden.

Vervolgens schatte hij de gemiddelde temperatuur van een moderne versus een oude subductieplaat, ten opzichte van de temperatuur van de omringende mantel. Hij redeneerde dat de afstand die een plaat zakt niet alleen afhangt van de dichtheid, maar ook van de temperatuur ten opzichte van de mantel:hoe kouder een object is ten opzichte van zijn omgeving, hoe sneller en verder het moet zinken.

Het team gebruikte een thermodynamisch model om het dichtheidsprofiel van elke subductieplaat te bepalen, of hoe de dichtheid verandert als het door de mantel zakt, gezien de temperatuur van de mantel, die ze namen van schattingen van anderen en een model van de temperatuur van de plaat. Uit deze berekeningen ze bepaalden de diepte waarop elke plaat minder dicht zou worden dan de omringende mantel.

Op dit punt, ze veronderstelden dat er een "density flip" zou moeten plaatsvinden, zodanig dat een plaat niet voorbij deze grens mag zakken.

"Er lijkt een kritische filter en controle te zijn op de beweging van platen en dus convectie van de mantel, ' zegt Klein.

Een laatste rustplaats

Het team ontdekte dat hun schattingen voor waar deze grens voorkomt in de moderne mantel - ongeveer 670 kilometer onder het oppervlak - overeenkwam met de huidige metingen van deze overgangszone, bevestigend dat hun methode ook de oude aarde nauwkeurig kan schatten.

"Vandaag, wanneer platen de mantel binnenkomen, ze zijn dichter dan de omringende mantel in de bovenste en onderste mantel, maar in deze overgangszone, de dichtheden draaien om, " zegt Klein. "Dus binnen deze kleine laag, de platen zijn minder dicht dan de mantel, en zijn blij om daar te blijven, bijna zwevend en stilstaand."

Voor de oude aarde, 3 miljard jaar geleden, vonden de onderzoekers dat, omdat de oude mantel zoveel heter was dan vandaag, en de platen veel dichter, een dichtheidsflip zou niet hebben plaatsgevonden. In plaats daarvan, subductieplaten zouden recht naar de bodem van de mantel zijn gezonken, het vestigen van hun laatste rustplaats net boven de kern van de aarde.

Jagoutz zegt dat de resultaten suggereren dat ergens tussen 3 miljard jaar geleden en vandaag, terwijl het binnenste van de aarde afkoelde, de mantel is overgestapt van een convectiesysteem met één laag, waarin platen vrij van de bovenste naar de onderste lagen van de mantel stroomden, naar een configuratie met twee lagen, waar platen het moeilijker hadden om door te dringen tot de onderste mantel.

"Dit laat zien dat wanneer een planeet begint af te koelen, deze grens, ook al is het er altijd, wordt een aanzienlijk dieper dichtheidsfilter, "zegt Jagoutz. "We weten niet wat er in de toekomst zal gebeuren, maar in theorie, het is mogelijk dat de aarde van één dominant regime van convectie uit één laag gaat, tot twee. En dat maakt deel uit van de evolutie van de hele aarde."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.