Als de oceanen van de aarde volledig zouden leeglopen, ze zouden een enorme keten van onderzeese vulkanen onthullen die rond de planeet slingeren. Dit uitgestrekte oceaanrugsysteem is een product van omvallend materiaal in het binnenste van de aarde, waar kooktemperaturen kunnen smelten en stenen door de korst omhoog kunnen rijzen, het splijten van de zeebodem en het hervormen van het aardoppervlak gedurende honderden miljoenen jaren.

Nu hebben geologen van het MIT duizenden monsters van uitgebarsten materiaal langs oceaanruggen geanalyseerd en hun chemische geschiedenis getraceerd om de temperatuur van het binnenste van de aarde te schatten.

Hun analyse toont aan dat de temperatuur van de onderliggende oceaanruggen van de aarde relatief consistent is, rond de 1, 350 graden Celsius - ongeveer zo heet als de blauwe vlam van een gasfornuis. Er zijn, echter, "hotspots" langs de bergkam die 1 kan bereiken 600 graden Celsius, vergelijkbaar met de heetste lava.

De resultaten van het team, verschijnt vandaag in de Journal of Geophysical Research:Solid Earth , bieden een temperatuurkaart van het binnenste van de aarde rond oceaanruggen. Met deze kaart, wetenschappers kunnen de smeltprocessen die aanleiding geven tot onderzeese vulkanen beter begrijpen, en hoe deze processen het tempo van de platentektoniek in de loop van de tijd kunnen stimuleren.

"Convectie en platentektoniek zijn belangrijke processen geweest bij het vormgeven van de geschiedenis van de aarde, " zegt hoofdauteur Stephanie Brown Krein, een postdoc bij MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS). "Het kennen van de temperatuur in deze hele keten is van fundamenteel belang om de planeet te begrijpen als een warmtemotor, en hoe de aarde anders zou kunnen zijn dan andere planeten en in staat zou zijn om het leven in stand te houden."

Tot de co-auteurs van Krein behoren Zachary Molitor, een EAPS-afgestudeerde student, en Timothy Grove, de R.R. Schrock hoogleraar geologie aan het MIT.

Een chemische geschiedenis

De binnentemperatuur van de aarde heeft gedurende honderden miljoenen jaren een cruciale rol gespeeld bij het vormgeven van het aardoppervlak. Maar er is geen manier geweest om deze temperatuur tientallen tot honderden kilometers onder het oppervlak direct af te lezen. Wetenschappers hebben indirecte middelen toegepast om de temperatuur van de bovenste mantel af te leiden - de laag van de aarde net onder de korst. Maar schattingen tot nu toe zijn niet overtuigend, en wetenschappers zijn het niet eens over hoe sterk de temperaturen onder het oppervlak variëren.

Voor hun nieuwe studie Kerin en haar collega's ontwikkelden een nieuw algoritme, genaamd ReversePetrogen, dat is ontworpen om de chemische geschiedenis van een rots terug in de tijd te traceren, om de oorspronkelijke samenstelling van elementen te identificeren en de temperatuur te bepalen waarbij het gesteente aanvankelijk onder het oppervlak smolt.

Het algoritme is gebaseerd op jarenlange experimenten die zijn uitgevoerd in het laboratorium van Grove om de smeltprocessen van het binnenste van de aarde te reproduceren en te karakteriseren. Onderzoekers in het lab hebben stenen van verschillende samenstellingen opgewarmd, verschillende temperaturen en drukken bereiken, om hun chemische evolutie te observeren. Uit deze experimenten, het team heeft vergelijkingen kunnen afleiden - en uiteindelijk, het nieuwe algoritme - om de relaties tussen de temperatuur van een steen te voorspellen, druk, en chemische samenstelling.

Kerin en haar collega's pasten hun nieuwe algoritme toe op rotsen verzameld langs de oceaanruggen van de aarde - een systeem van onderzeese vulkanen die meer dan 70, 000 kilometer lang. Oceaanruggen zijn gebieden waar tektonische platen uit elkaar worden gespreid door de uitbarsting van materiaal uit de aardmantel - een proces dat wordt aangedreven door onderliggende temperaturen.

"Je zou effectief een model kunnen maken van de temperatuur van het hele binnenste van de aarde, mede gebaseerd op de temperatuur op deze ruggen, " zegt Kerin. "De vraag is, wat vertellen de gegevens ons eigenlijk over de temperatuurvariatie in de mantel over de hele keten?"

Mantelkaart

De gegevens die het team analyseerde, omvatten meer dan 13, 500 monsters verzameld over de lengte van het oceaanrugsysteem gedurende meerdere decennia, door meerdere onderzoekscruises. Elk monster in de dataset is van een uitgebarsten zeeglas-lava die uitbarstte in de oceaan en onmiddellijk werd afgekoeld door het omringende water tot een ongerepte, bewaarde vorm.

Wetenschappers hebben eerder de chemische samenstelling van elk glas in de dataset geïdentificeerd. Kerin en haar collega's hebben de chemische samenstellingen van elk monster door hun algoritme geleid om de temperatuur te bepalen waarbij elk glas oorspronkelijk in de mantel smolt.

Op deze manier, het team was in staat om een ​​kaart van manteltemperaturen over de gehele lengte van het oceaanrugsysteem te genereren. Van deze kaart, ze merkten op dat een groot deel van de mantel relatief homogeen is, met een gemiddelde temperatuur van rond de 1, 350 graden Celsius. Er zijn echter "hotspots, " of gebieden langs de bergkam, waar de temperaturen in de mantel aanzienlijk heter lijken, rond de 1, 600 graden Celsius.

"Mensen denken aan hotspots als regio's in de mantel waar het heter is, en waar materiaal meer kan smelten, en mogelijk sneller stijgen, en we weten niet precies waarom, of hoeveel heter ze zijn, of wat de rol van compositie is bij hotspots, "zegt Kerin. "Sommige van deze hotspots liggen op de bergkam, en nu kunnen we een idee krijgen van wat de hotspot-variatie wereldwijd is met behulp van deze nieuwe techniek. Dat vertelt ons iets fundamenteels over de temperatuur van de aarde nu, en nu kunnen we bedenken hoe het in de loop van de tijd is veranderd."

Kerin voegt toe:"Als we deze dynamiek begrijpen, kunnen we beter bepalen hoe continenten op aarde groeiden en evolueerden, en toen subductie en platentektoniek begonnen - die van cruciaal belang zijn voor complex leven."

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.