De aarde heeft misschien haar diepste geheimen prijsgegeven aan een paar geochemisten uit Californië, die uitgebreide computersimulaties hebben gebruikt om de vroegste geschiedenis van de kern van onze planeet samen te stellen.
Dit schema van de aardkorst en -mantel toont de resultaten van hun studie, waarin werd vastgesteld dat extreme druk de zwaardere isotopen van ijzer zou hebben geconcentreerd nabij de bodem van de mantel terwijl het kristalliseerde uit een oceaan van magma.
Door een supercomputer te gebruiken om ijzerhoudende mineralen virtueel samen te persen en te verwarmen onder omstandigheden die zouden hebben bestaan toen de aarde 4,5 miljard jaar geleden uit een oceaan van magma kristalliseerde tot zijn vaste vorm, hebben de twee wetenschappers van de University of California in Davis - hebben de eerste foto gemaakt van hoe verschillende isotopen van ijzer aanvankelijk werden verspreid in de vaste aarde.
De ontdekking kan een golf van onderzoeken inluiden naar de evolutie van de aardmantel, een laag materiaal van ongeveer 1800 mijl diep die zich uitstrekt van net onder de dunne korst van de planeet tot de metalen kern.
"Nu we enig idee hebben hoe deze isotopen van ijzer oorspronkelijk op aarde werden gedistribueerd", zei James Rustad, hoofdauteur van de studie, "moeten we de isotopen kunnen gebruiken om de innerlijke werking van de aardse motor te volgen."
Een artikel dat de studie van Rustad en co-auteur Qing-zhu Yin beschrijft, werd online geplaatst door het tijdschriftNature Geoscience op zondag 14 juni, voorafgaand aan de publicatie in juli.
De enorme mantel, ingeklemd tussen de aardkorst en de kern, is goed voor ongeveer 85 procent van het volume van de planeet. Op een menselijke tijdschaal lijkt dit immense deel van onze bol solide te zijn. Maar gedurende miljoenen jaren zorgen warmte van de gesmolten kern en het eigen radioactieve verval van de mantel ervoor dat het langzaam gaat karnen, als dikke soep op een laag vuur. Deze circulatie is de drijvende kracht achter de oppervlaktebeweging van tektonische platen, die bergen opbouwt en aardbevingen veroorzaakt.
Een bron van informatie die inzicht geeft in de fysica van deze stroperige massa zijn de vier stabiele vormen, of isotopen, van ijzer die te vinden zijn in gesteenten die naar het aardoppervlak zijn gestegen bij mid-oceanische ruggen waar de zeebodem zich verspreidt, en bij hotspots zoals Hawaii's vulkanen die door de aardkorst omhoog steken. Geologen vermoeden dat een deel van dit materiaal afkomstig is van de grens tussen de mantel en de kern, zo'n 1800 mijl onder het oppervlak.
"Geologen gebruiken isotopen om fysisch-chemische processen in de natuur te volgen zoals biologen DNA gebruiken om de evolutie van het leven te volgen," zei Yin.
Omdat de samenstelling van ijzerisotopen in gesteenten zal variëren afhankelijk van de druk en temperatuuromstandigheden waaronder een gesteente is ontstaan, zeiden Yin in principe dat geologen ijzeren isotopen in gesteenten kunnen gebruiken die op hete plekken over de hele wereld zijn verzameld om de geologische geschiedenis van de mantel te volgen . Maar om dit te doen, zouden ze eerst moeten weten hoe de isotopen oorspronkelijk waren gedistribueerd in de oer-magma-oceaan van de aarde toen deze afkoelde en verhardde.
Yin en Rustad onderzochten hoe de concurrerende effecten van extreme druk en temperatuur diep in het binnenste van de aarde de mineralen in de onderste mantel zouden hebben beïnvloed, de zone die zich uitstrekt van ongeveer 400 mijl onder de aardkorst tot de kern-mantelgrens. Temperaturen tot 4.500 graden Kelvin in de regio verkleinen de isotoopverschillen tussen mineralen tot een minuscuul niveau, terwijl breekdrukken de basisvorm van het ijzeratoom zelf veranderen, een fenomeen dat bekend staat als elektronische spinovergang.
Het paar berekende de ijzerisotopensamenstelling van twee mineralen onder een reeks temperaturen, drukken en verschillende elektronische spintoestanden waarvan nu bekend is dat ze in de onderste mantel voorkomen. De twee mineralen, ferroperovskite en ferropericlase, bevatten vrijwel al het ijzer dat in dit diepe deel van de aarde voorkomt.
De berekeningen waren zo complex dat elke serie die Rustad en Yin door de computer liepen een maand in beslag nam.
Yin en Rustad stelden vast dat extreme druk de zwaardere isotopen van ijzer zou hebben geconcentreerd nabij de bodem van de kristalliserende mantel.
De onderzoekers zijn van plan de variatie van ijzerisotopen in zuivere chemicaliën die worden blootgesteld aan temperaturen en drukken in het laboratorium te documenteren die gelijkwaardig zijn aan die gevonden aan de grens van de kernmantel. Uiteindelijk, zei Yin, hopen ze hun theoretische voorspellingen te zien in geologische monsters die zijn gegenereerd uit de onderste mantel.
Bron: Eurekalert
