Een oceaan in binnenste aarde?
De overgangszone tussen de bovenste en onderste mantel van de aarde bevat aanzienlijke hoeveelheden water, blijkt uit een internationale studie waarbij het Instituut voor Geowetenschappen van de Goethe-universiteit in Frankfurt is betrokken. Het Duits-Italiaans-Amerikaanse onderzoeksteam analyseerde een zeldzame diamant gevormd 660 meter onder het aardoppervlak met behulp van technieken zoals Ramas pectroscopie en FTIR spectrometrie. De studie bevestigde iets dat lange tijd slechts een theorie was, namelijk dat oceaanwater meevoerende platen vergezelt en zo de overgangszone binnenkomt. Dit betekent dat de watercyclus van onze planeet het binnenste van de aarde omvat. (Nature Geoscience, DOI 10.1038/s41561-022-01024-y)
De overgangszone (TZ) is de naam die wordt gegeven aan de grenslaag die de bovenste mantel van de aarde en de onderste mantel scheidt. Het ligt op een diepte van 410 tot 660 kilometer. De immense druk van tot wel 23.000 bar in de TZ zorgt ervoor dat het olijfgroene mineraal olivijn, dat ongeveer 70 procent van de bovenmantel van de aarde uitmaakt en ook wel peridoot wordt genoemd, zijn kristallijne structuur verandert. Op de bovengrens van de overgangszone, op een diepte van ongeveer 410 kilometer, wordt het omgezet in dichter wadsleyiet; op 520 kilometer verandert het vervolgens in nog dichter ringwoodiet.
“Deze minerale transformaties belemmeren enorm de bewegingen van gesteente in de mantel”, legt prof. Frank Brenker van het Instituut voor Geowetenschappen aan de Goethe-universiteit in Frankfurt uit. Mantelpluimen – bijvoorbeeld stijgende kolommen van hete rots uit de diepe mantel – stoppen soms direct onder de overgangszone. De beweging van massa in de tegenovergestelde richting komt ook tot stilstand. Brenker zegt: “Subductieplaten hebben vaak moeite om de hele overgangszone te doorbreken. Er is dus een heel kerkhof van dergelijke platen in deze zone onder Europa. ”
Tot nu toe was echter niet bekend wat de langetermijn effecten waren van het “aanzuigen” van materiaal in de overgangszone op de geochemische samenstelling en of er grotere hoeveelheden water aanwezig waren. Brenker legt uit: “De subducterende platen dragen ook diepzeesedimenten die meeliften naar het binnenste van de aarde. Deze sedimenten kunnen grote hoeveelheden water en CO2 bevatten. Maar tot nu toe was het onduidelijk hoeveel er in de overgangszone terechtkomt in de vorm van stabielere, waterhoudende mineralen en carbonaten – en daarom was het ook onduidelijk of daar echt grote hoeveelheden water worden opgeslagen.”
De heersende omstandigheden zouden daar zeker bevorderlijk voor zijn. De dichte mineralen wadsleyiet en ringwoodiet kunnen (in tegenstelling tot de olivijn op kleinere diepten) grote hoeveelheden water opslaan, zo groot zelfs dat de overgangszone theoretisch zes keer de hoeveelheid water in onze oceanen zou kunnen opnemen. “Dus we wisten dat de grenslaag een enorme capaciteit heeft om water op te slaan”, zegt Brenker. “We wisten echter niet of het dat ook echt deed.”
Een internationaal onderzoek waarbij de geowetenschapper uit Frankfurt betrokken was, geeft nu het antwoord. Het onderzoeksteam analyseerde een diamant uit Botswana, Afrika. Het werd gevormd op een diepte van 660 kilometer, precies op het grensvlak tussen de overgangszone en de onderste mantel, waar ringwoodiet het overheersende mineraal is. Diamanten uit deze regio zijn zeer zeldzaam, zelfs onder de zeldzame diamanten van superdiepe oorsprong, die slechts één procent van de diamanten uitmaken. Uit de analyses bleek dat de steen tal van ringwoodiet insluitsels bevat – die een hoog watergehalte vertonen. Verder kon de onderzoeksgroep de chemische samenstelling van de steen bepalen. Het was bijna precies hetzelfde als dat van vrijwel elk fragment van mantelgesteente dat overal ter wereld in basalt wordt gevonden. Hieruit bleek dat de diamant zeker afkomstig was van een normaal stuk van de aardmantel. “In deze studie hebben we aangetoond dat de overgangszone geen droge spons is, maar aanzienlijke hoeveelheden water bevat”, zegt Brenker, eraan toevoegend: “Dit brengt ons ook een stap dichter bij Jules Verne’s idee van een oceaan in de aarde.” Het verschil is dat er daar beneden geen oceaan is, maar waterhoudend gesteente dat volgens Brenker noch nat zou aanvoelen, noch druipend zou zijn.
Waterhoudend ringwoodiet werd al in 2014 voor het eerst gedetecteerd in een diamant uit de overgangszone. Ook Brenker was bij dat onderzoek betrokken. Het was echter niet mogelijk om de precieze chemische samenstelling van de steen te bepalen omdat deze te klein was. Het bleef daarom onduidelijk hoe representatief het eerste onderzoek was van de mantel in het algemeen, aangezien het watergehalte van die diamant ook het gevolg zou kunnen zijn van een exotische chemische omgeving. Daarentegen waren de insluitsels in de 1,5 centimeter grote diamant uit Botswana, die werd onderzocht, groot genoeg om de precieze chemische samenstelling te kunnen bepalen, en dit leverde de definitieve bevestiging van de voorlopige resultaten uit 2014.
Het hoog watergehalte van de transitiezone heeft verstrekkende gevolgen voor de dynamische situatie in de aarde. Waar dit toe leidt, is bijvoorbeeld te zien aan de hete mantelpluimen die van onderaf komen en vast komen te zitten in de overgangszone. Daar verwarmen ze de waterrijke overgangszone, wat weer leidt tot de vorming van nieuwe kleinere mantelpluimen die het water opnemen dat in de overgangszone is opgeslagen. Als deze kleinere waterrijke mantelpluimen nu verder naar boven migreren en door de grens naar de bovenmantel breken, gebeurt het volgende: Het water in de mantelpluimen komt vrij, waardoor het smeltpunt van het opkomende materiaal daalt. Het smelt dus direct en niet net voordat het aan de oppervlakte komt, zoals meestal gebeurt. Als gevolg hiervan zijn de rotsmassa’s in dit deel van de aardmantel over het algemeen niet meer zo taai, wat de massabewegingen meer dynamiek geeft. De overgangszone, die daar anders een barrière vormt voor de dynamiek, wordt ineens een aanjager van de mondiale materiële circulatie.
Publicatie: Tingting Gu, Martha G. Pamato, Davide Novella, Matteo Alvaro, John Fournelle, Frank E. Brenker, Wuyi Wang, Fabrizio Nestola: Hydrous peridotitic fragments of Earth’s mantle 660 km discontinuity sampled by a diamond. Nature Geoscience (https://www.nature.com/
Vertaling persbericht Andre Teirlinck