De huidige kennis is dat de chemische samenstelling van de aardmantel relatief homogeen is. Maar experimenten uitgevoerd door ETH-onderzoekers tonen nu aan dat deze opvatting te simplistisch is. Hun resultaten lossen een belangrijk probleem op waarmee de geowetenschappen worden geconfronteerd - en roepen een aantal nieuwe vragen op.

Er zijn plaatsen die altijd buiten ons bereik zullen zijn. Het binnenste van de aarde is er een van. Maar we hebben wel manieren om inzicht te krijgen in deze onbekende wereld. Seismische golven, bijvoorbeeld, stellen ons in staat om belangrijke beperkingen op te leggen aan de structuur van onze planeet en de fysieke eigenschappen van de materialen die er diep in verborgen zijn. Dan zijn er de vulkanische rotsen die op sommige plaatsen op het aardoppervlak diep van binnenuit tevoorschijn komen en belangrijke aanwijzingen geven over de chemische samenstelling van de mantel. En tot slot zijn er laboratoriumexperimenten die op kleine schaal de omstandigheden van het binnenste van de aarde kunnen nabootsen.

Een nieuwe publicatie van Motohiko Murakami, Hoogleraar Experimentele Minerale Fysica, en zijn team was onlangs te zien in het tijdschrift PNAS en laat zien hoe verhelderend zulke experimenten kunnen zijn. De bevindingen van de onderzoekers suggereren dat het begrip van veel geowetenschappers van het binnenste van de aarde misschien te simplistisch is.

Dramatische verandering

Onder de aardkorst, die slechts enkele kilometers dik is, ligt zijn mantel. Ook gemaakt van steen, dit omringt de kern van de planeet, die begint ongeveer 2, 900 kilometer onder ons. Dankzij seismische signalen, we weten dat er een dramatische verandering optreedt in de mantel op een diepte van ongeveer 660 kilometer:dit is waar de bovenste mantel de onderste mantel ontmoet en de mechanische eigenschappen van het gesteente beginnen te verschillen, daarom verandert de voortplantingssnelheid van seismische golven dramatisch aan deze grens.

Wat onduidelijk is, is of dit slechts een fysieke grens is of dat de chemische samenstelling van het gesteente op dit punt ook verandert. Veel geowetenschappers veronderstellen dat de aardmantel als geheel relatief consistent is samengesteld uit magnesiumrijk gesteente, die op zijn beurt een samenstelling heeft die lijkt op die van peridotietgesteente dat op het aardoppervlak wordt gevonden. Deze gezanten van de bovenmantel, die op het aardoppervlak aankomen door middel van gebeurtenissen zoals vulkaanuitbarstingen, vertonen een magnesium-siliciumverhouding van ~ 1,3.

"De veronderstelling dat de samenstelling van de aardmantel min of meer homogeen is, is gebaseerd op een relatief eenvoudige hypothese, Murakami legt uit. Namelijk dat de krachtige convectiestromen in de mantel, die ook de beweging van de tektonische platen op het aardoppervlak aandrijven, zijn er constant doorheen aan het mixen. Maar het is mogelijk dat deze weergave te simplistisch is."

Waar is het silicium?

Er zit echt een fundamentele fout in deze hypothese. Men is het er algemeen over eens dat de aarde ongeveer 4,5 miljard jaar geleden werd gevormd door de aanwas van meteorieten die uit de oorspronkelijke zonnenevel kwamen. en heeft als zodanig dezelfde algemene samenstelling van die meteorieten. De differentiatie van de aarde in kern, mantel en korst gebeurde als onderdeel van een tweede stap.

Afgezien van het ijzer en nikkel, die nu deel uitmaken van de kern van de planeet, het wordt duidelijk dat de mantel eigenlijk meer silicium zou moeten bevatten dan het peridotietgesteente. Op basis van deze berekeningen de mantel moet een magnesium-siliciumverhouding hebben die dichter bij ~ 1 ligt in plaats van ~ 1,3.

Dit beweegt geowetenschappers om de volgende vraag te stellen:waar is het ontbrekende silicium? En er is een voor de hand liggend antwoord:de aardmantel bevat zo weinig silicium omdat het in de kern van de aarde zit. Maar Murakami komt tot een andere conclusie, namelijk dat het silicium in de onderste mantel zit. Dit zou betekenen dat de samenstelling van de ondermantel anders is dan die van de bovenmantel.

Kronkelende hypothese

Murakami's hypothese neemt een paar wendingen:we weten al precies hoe snel seismische golven door de mantel gaan. Tweede, laboratoriumexperimenten tonen aan dat de onderste mantel voornamelijk bestaat uit het kiezelhoudende mineraal bridgmanite en het magnesiumrijke mineraal ferroperiklaas. Derde, we weten dat de snelheid waarmee de seismische golven reizen afhangt van de elasticiteit van de mineralen waaruit het gesteente bestaat. Dus als de elastische eigenschappen van de twee mineralen bekend zijn, het is mogelijk om de verhoudingen van elk mineraal te berekenen die nodig zijn om te correleren met de waargenomen snelheid van de seismische golven. Dan is af te leiden wat de chemische samenstelling van de ondermantel moet zijn.

Hoewel de elastische eigenschappen van ferroperiklaas bekend zijn, die van bridgmanite zijn dat nog niet. Dit komt omdat de elasticiteit van dit mineraal sterk afhangt van de chemische samenstelling; specifieker, het varieert afhankelijk van hoeveel ijzer het bridgmanite bevat.

Tijdrovende metingen

In zijn laboratorium, Murakami en zijn team hebben nu hogedruktests uitgevoerd op dit mineraal en geëxperimenteerd met verschillende samenstellingen. De onderzoekers begonnen met het klemmen van een klein exemplaar tussen twee diamanten punten en gebruikten een speciaal apparaat om ze samen te drukken. Dit onderwierp het monster aan extreem hoge druk, vergelijkbaar met die in de onderste mantel.

De onderzoekers richtten vervolgens een laserstraal op het preparaat en maten het golfspectrum van het licht dat aan de andere kant werd verspreid. Met behulp van de verplaatsingen in het golfspectrum, ze waren in staat om de elasticiteit van het mineraal bij verschillende drukken te bepalen. "Het duurde erg lang om de metingen te voltooien, Murakami meldt. "Omdat hoe meer ijzerbridgmaniet bevat, hoe minder licht het doorlaat, we hadden tot vijftien dagen nodig om elke afzonderlijke meting te voltooien."

Silicium ontdekt

Murakami gebruikte vervolgens de meetwaarden om de compositie te modelleren die het beste correleert met de verspreiding van seismische golven. De resultaten bevestigen zijn theorie dat de samenstelling van de ondermantel verschilt van die van de bovenmantel. "We schatten dat bridgmaniet 88 tot 93 procent van de onderste mantel uitmaakt, ' zegt Murakami, "wat deze regio een magnesium-siliciumverhouding van ongeveer 1,1 geeft." Murakami's hypothese lost het mysterie van het ontbrekende silicium op.

Maar zijn bevindingen roepen nieuwe vragen op. We weten bijvoorbeeld dat binnen bepaalde subductiezones, de aardkorst wordt diep in de mantel geduwd - soms zelfs tot aan de grens naar de kern. Dit betekent dat de bovenste en onderste mantels eigenlijk geen hermetisch gescheiden entiteiten zijn. Hoe de twee gebieden op elkaar inwerken en precies hoe de dynamiek van het binnenste van de aarde werkt om chemisch verschillende mantelgebieden te produceren, valt nog te bezien.