Pluimen van hete rots die opstijgen uit de aardmantel bij vulkanische hotspots bevatten bewijs dat de vormende jaren van de aarde misschien nog chaotischer zijn geweest dan eerder werd gedacht, volgens nieuw werk van een team van Carnegie en Smithsonian wetenschappers gepubliceerd in Natuur .

Het is algemeen bekend dat de aarde is gevormd door de aanwas van materie rond de jonge zon. Uiteindelijk werd de planeet zo groot dat het dichtere ijzermetaal naar binnen zonk, om het begin van de kern van de aarde te vormen, waardoor de silicaatrijke mantel erboven drijft.

Maar nieuw werk van een team onder leiding van Carnegie's Yingwei Fei en Carnegie en de Smithsonian's Colin Jackson stelt dat deze scheiding van mantel en kern niet zo'n ordelijk proces was.

"Onze bevindingen suggereren dat toen de kern uit de mantel werd gehaald, de mantel nooit volledig gemengd, Jackson legde uit. "Dit is verrassend omdat de vorming van de kern plaatsvond in de onmiddellijke nasleep van grote inslagen van andere vroege objecten in het zonnestelsel die de aarde tijdens haar groei ondervond, vergelijkbaar met de gigantische impactgebeurtenis die later de maan vormde. Voor nu, algemeen werd gedacht dat deze zeer energetische effecten de mantel volledig zouden hebben beroerd, het mengen van alle componenten in een uniforme staat."

Het rokende pistool dat het team naar hun hypothese leidde, is afkomstig van unieke en oude isotopische handtekeningen van wolfraam en xenon die zijn gevonden op vulkanische hotspots, zoals Hawaï. Hoewel men dacht dat deze pluimen afkomstig waren uit de diepste regionen van de mantel, de oorsprong van deze unieke isotopische handtekeningen is gedebatteerd. Het team gelooft dat het antwoord ligt in het chemische gedrag van jodium, het moederelement van xenon, bij zeer hoge druk.

Isotopen zijn versies van elementen met hetzelfde aantal protonen, maar verschillende aantallen neutronen. Radioactieve isotoop van elementen, zoals jodium-129, zijn instabiel. Om stabiliteit te krijgen, jodium-129 vervalt in xenon-129. Daarom, de xenon-isotopische handtekeningen in pluimmantelmonsters zijn direct gerelateerd aan het gedrag van jodium tijdens de periode van kern-mantelscheiding.

Met behulp van diamanten aambeeldcellen om de extreme omstandigheden na te bootsen waaronder de kern van de aarde zich van zijn mantel scheidde, Jackson, Fei, en hun collega's - Neil Bennett en Zhixue Du van Carnegie en Elizabeth Cottrell van Smithsonian - bepaalden hoe jodium zich verdeelde tussen de metalen kern en de silicaatmantel. Ze toonden ook aan dat als de ontluikende kern zich scheidde van de diepste delen van de mantel terwijl deze nog groeide, dan zouden deze zakken van de mantel de chemie bezitten die nodig is om de unieke isotopische kenmerken van wolfraam en xenon te verklaren, op voorwaarde dat deze zakken tot op de dag van vandaag onvermengd bleven met de rest van de mantel.

Volgens Bennett:"Het belangrijkste gedrag dat we identificeerden, was dat jodium begint op te lossen in de kern onder zeer hoge drukken en temperaturen. Onder deze extreme omstandigheden, jodium en hafnium, die radioactief vervallen tot xenon en wolfraam, tegengestelde voorkeuren voor kernvormend metaal vertonen. Dit gedrag zou leiden tot dezelfde unieke isotopensignaturen die nu worden geassocieerd met hotspots."

Berekeningen van het team voorspellen ook dat de isotopische handtekeningen van wolfraam en xenon moeten worden geassocieerd met dichte zakken van de mantel.

"Als chocoladeschilfers in koekjesbeslag, deze dichte zakken van de mantel zouden erg moeilijk zijn om er weer in te komen, en dit kan een cruciaal aspect zijn voor het behoud van hun oude wolfraam- en xenon-isotopische handtekeningen tot op de dag van vandaag, ' legde Jackson uit.

"Nog opwindender is dat er steeds meer geofysisch bewijs is dat er daadwerkelijk dichte mantelgebieden zijn, die net boven de kern rust - ultralage snelheidszones en grote provincies met lage afschuifsnelheid genoemd. Dit werk verbindt deze observaties, " voegde Fei eraan toe. "De hier ontwikkelde methodologie opent ook nieuwe mogelijkheden voor het rechtstreeks bestuderen van de diepe aardprocessen."