Het magnetische veld van de aarde beschermt en maakt onze planeet bewoonbaar door schadelijke hoogenergetische deeltjes uit de ruimte te stoppen, ook van de zon. De bron van dit magnetische veld is de kern in het centrum van onze planeet.

Maar de kern is erg moeilijk te bestuderen, mede omdat het begint op een diepte van ongeveer 2, 900 kilometer, waardoor het te diep is om te bemonsteren en direct te onderzoeken.

Toch maken we deel uit van een onderzoeksteam dat een manier heeft gevonden om informatie te krijgen over de kern van de aarde, met details die onlangs zijn gepubliceerd in Geochemical Perspective Letters.

Het is heet daar beneden

De kern is het heetste deel van onze planeet en de buitenste kern bereikt temperaturen van meer dan 5, 000℃. Dit moet de bovenliggende mantel aantasten en naar schatting komt 50% van de vulkanische warmte uit de kern.

Vulkanische activiteit is het belangrijkste koelmechanisme van de planeet. zeker vulkanisme, zoals die welke nog steeds vulkanische eilanden van Hawaï en IJsland vormt, kan worden gekoppeld aan de kern door mantelpluimen die warmte van de kern naar het aardoppervlak overbrengen.

Maar of er enige uitwisseling van fysiek materiaal tussen de kern en de mantel is, is al tientallen jaren onderwerp van discussie.

Onze bevindingen suggereren dat een deel van het kernmateriaal overgaat in de basis van deze mantelpluimen, en de kern heeft dit materiaal de afgelopen 2,5 miljard jaar gelekt.

We ontdekten dit door te kijken naar zeer kleine variaties in de verhouding van isotopen van het element wolfraam (isotopen zijn in feite versies van hetzelfde element dat alleen verschillende aantallen neutronen bevat).

Om de kern van de aarde te bestuderen, we moeten zoeken naar chemische tracers van kernmateriaal in vulkanisch gesteente dat is afgeleid van de diepe mantel.

We weten dat de kern een heel aparte chemie heeft, gedomineerd door ijzer en nikkel samen met elementen zoals wolfraam, platina en goud die oplossen in een ijzer-nikkellegering. Daarom, de metaallegering-liefhebbende elementen zijn een goede keuze om te onderzoeken op sporen van de kern.

De zoektocht naar wolfraamisotopen

Wolfraam (chemisch symbool W) als basiselement heeft 74 protonen. Wolfraam heeft verschillende isotopen, inclusief ¹⁸² W (met 108 neutronen) en ¹⁸⁴ W (met 110 neutronen).

Deze isotopen van wolfraam hebben het potentieel om de meest overtuigende tracers van kernmateriaal te zijn, omdat de mantel naar verwachting veel hoger zal zijn ¹⁸² met ¹⁸⁴ W-verhoudingen dan de kern.

Dit komt door een ander element, Hafnium (Hf), die niet oplost in een ijzer-nikkellegering en verrijkt is in de mantel, en had een nu uitgestorven isotoop ( ¹⁸² Hf) dat verviel tot ¹⁸² W. Dit geeft de mantel extra ¹⁸² W ten opzichte van het wolfraam in de kern.

Maar de analyse die nodig is om variaties in wolfraamisotopen te detecteren, is ongelooflijk uitdagend, aangezien we kijken naar variaties in de ¹⁸² met ¹⁸⁴ W-verhouding in delen per miljoen en de concentratie van wolfraam in gesteenten is slechts tientallen delen per miljard. Minder dan vijf laboratoria ter wereld kunnen dit soort analyses uitvoeren.

Bewijs van een lek

Ons onderzoek laat een substantiële verandering zien in de ¹⁸² met ¹⁸⁴ W-verhouding van de mantel gedurende de levensduur van de aarde. De oudste rotsen van de aarde zijn aanzienlijk hoger ¹⁸² met ¹⁸⁴ W dan de meeste rotsen van de huidige aarde.

De verandering in de ¹⁸² met ¹⁸⁴ De W-verhouding van de mantel geeft aan dat wolfraam uit de kern al heel lang in de mantel lekt.

interessant, in de oudste vulkanische rotsen van de aarde, over een tijdsbestek van 1,8 miljard jaar is er geen significante verandering in de wolfraamisotopen van de mantel. Dit geeft aan dat van 4,3 miljard tot 2,7 miljard jaar geleden, weinig of geen materiaal uit de kern werd overgebracht naar de bovenmantel.

Maar in de daaropvolgende 2,5 miljard jaar, de samenstelling van de wolfraamisotoop van de mantel is aanzienlijk veranderd. We concluderen dat een verandering in de platentektoniek, tegen het einde van de Archean Eon van ongeveer 2,6 miljard jaar geleden veroorzaakten convectieve stromingen in de mantel die groot genoeg waren om de wolfraamisotopen van alle moderne rotsen te veranderen.

Waarom het lek?

Als mantelpluimen opstijgen van de kern-mantelgrens naar het oppervlak, hieruit volgt dat materiaal van het aardoppervlak ook in de diepe mantel moet afdalen.

subductie, de term die wordt gebruikt voor rotsen van het aardoppervlak die afdalen in de mantel, neemt zuurstofrijk materiaal van het oppervlak naar de diepe mantel als integraal onderdeel van platentektoniek.

Experimenten tonen aan dat een toename van de zuurstofconcentratie aan de kern-mantelgrens ervoor kan zorgen dat wolfraam uit de kern en in de mantel scheidt.

Alternatief, stolling van de binnenkern zou ook de zuurstofconcentratie van de buitenkern verhogen. In dit geval, onze nieuwe resultaten kunnen ons iets vertellen over de evolutie van de kern, inclusief de oorsprong van het aardmagnetisch veld.

De kern van de aarde begon als volledig vloeibaar metaal en is in de loop van de tijd afgekoeld en gedeeltelijk gestold. Het magnetische veld wordt gegenereerd door de spin van de binnenste vaste kern. De tijd van kristallisatie van de innerlijke kern is een van de moeilijkste vragen om te beantwoorden in de aard- en planeetwetenschappen.

Onze studie geeft ons een tracer die kan worden gebruikt om de kern-mantel-interactie en de verandering in de interne dynamiek van onze planeet te onderzoeken, en die ons begrip van hoe en wanneer het magnetische veld werd ingeschakeld, kan vergroten.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.