Algemene verklaring Verkeerd – Onderzoekers ontdekken nieuwe aanwijzingen over de oorsprong van de continenten op aarde

De nieuwe experimenten roepen vragen op over de algemene verklaring voor de eigenschappen die aanleiding geven tot droog land.

Hoewel het een cruciale factor is om van de aarde een meer gastvrije plek voor leven te maken in vergelijking met andere planeten in het zonnestelsel, blijven de unieke oorsprong en kenmerken van de continenten en enorme brokken van de aardkorst grotendeels een mysterie.

Een recente studie door Elizabeth Cottrell, onderzoeksgeoloog en curator van gesteenten in het Smithsonian National Museum of Natural History, en Megan Hollickross, Peter Buck Fellow en National Science Foundation Fellow in het museum en nu assistent-professor aan de Cornell University, heeft onze kennis vergroot van de aardkorst door het testen en weerleggen van een wijdverbreide theorie met betrekking tot het lagere ijzergehalte en hogere redoxniveaus van de continentale korst in vergelijking met de oceanische korst.

De slechte samenstelling van ijzer in de continentale korst is een belangrijke reden waarom grote delen van het aardoppervlak als droog land boven zeeniveau staan, waardoor leven op aarde tegenwoordig mogelijk is.

De studie is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappengebruikt laboratoriumexperimenten om aan te tonen dat de ijzerafbrekende oxidatieve chemie die typerend is voor de continentale aardkorst waarschijnlijk niet afkomstig is van de kristallisatie van het mineraal chalcedoon, gemeenschappelijke interpretatie voorgesteld in 2018.

De bouwstenen van nieuwe continentale korst barsten uit diep in de aarde in wat bekend staat als continentale boogvulkanen, die worden gevonden in subductiezones waar een oceanische plaat onder een continentale plaat zinkt. In de verklaring van granaat van de verarmde en geoxideerde toestand van ijzer in de continentale korst, verwijdert de kristallisatie van granaat in magma onder deze continentale vulkanen niet-geoxideerd ijzer (gereduceerd of ijzer, zoals het bekend is onder wetenschappers) van de aardplaten, waardoor ijzer aan de dezelfde tijd. Het magma gesmolten ijzer laat het meer geoxideerd achter.

Microfoto’s van een experiment dat voor deze studie is uitgevoerd. De afbeelding bevat glas (bruin), groot agaat (roze) en andere kleine minerale kristallen. Het gezichtsveld is 410 μm breed, ongeveer zo groot als een suikerkristal. Credits: J. MacPherson en E. Cottrell, Smithsonian

Een belangrijk gevolg van de afname van het ijzergehalte in de continentale korst van de aarde ten opzichte van de oceanische korst is dat het de continenten minder dicht en drijvender maakt, waardoor continentale platen boven de aardmantel uit de oceanische platen komen. Deze discrepantie in dichtheid en drijfvermogen is een belangrijke reden waarom continenten droog land hebben terwijl oceanische korsten zich onder water bevinden, en waarom continentale platen altijd bovenaan verschijnen wanneer ze oceanische platen ontmoeten in subductiezones.

Garnets verklaring voor ijzeruitputting en oxidatie in de magma continentale boog was overtuigend, maar Cottrell zei dat één aspect ervan gewoon niet bij haar paste.

“Je hebt hoge drukken nodig om het agaat stabiel te maken, en je vindt deze ijzerarme magma’s op plaatsen waar de korst niet zo dik is, dus de druk is niet erg hoog”, zei ze.

In 2018 gingen Cottrell en haar collega’s op zoek naar een manier om te testen of kristallisatie van granaten op diepte onder deze boogvulkanen inderdaad noodzakelijk was voor het vormingsproces van continentale korst zoals begrepen. Om dit te bereiken, moesten Cottrell en Holicros manieren vinden om de extreme hitte en druk van de aardkorst in het laboratorium na te bootsen, en vervolgens technieken ontwikkelen die gevoelig genoeg zijn om niet alleen te meten hoeveel ijzer aanwezig is, maar ook om onderscheid te maken tussen oxidatie van dat ijzer.

Om de enorme druk en hitte onder continentale boogvulkanen na te bootsen, gebruikte het team zogenaamde zuigercilinderpersen in het hogedruklaboratorium van het museum en in Cornell. De zuiger van een hydraulische zuigercilinder is ongeveer zo groot als een minikoelkast en is grotendeels gemaakt van ongelooflijk dik en sterk staal en wolfraamcarbide. De kracht die wordt uitgeoefend door een grote hydraulische zuiger resulteert in zeer hoge drukken op kleine rotsmonsters, ongeveer een kubieke millimeter groot. Het samenstel bestaat uit elektrische en thermische isolatoren rond het gesteentemonster, evenals een cilindrische oven. De combinatie van een zuiger-cilinderpers en verwarmingssamenstel maakt experimenten mogelijk die de zeer hoge drukniveaus en temperaturen kunnen bereiken die onder vulkanen worden aangetroffen.

Elizabeth Cottrell, onderzoeksgeoloog en curator van gesteenten in het National Museum of Natural History van het Smithsonian Institution, uploadt een experiment naar haar museumlaboratorium. Credits: Jennifer Renteria, Smithsonian

In 13 verschillende experimenten groeiden Cottrell en Holicros granaatmonsters van gesmolten gesteente in een zuiger-cilinderpers onder druk en temperaturen die waren ontworpen om omstandigheden in magmakamers diep in de aardkorst te simuleren. De drukken die bij de experimenten werden gebruikt, varieerden van 1,5 tot 3 gigapascal – ongeveer 15.000 tot 30.000 aarddrukken, of 8.000 keer hoger dan de druk in een blikje frisdrank. De temperaturen varieerden van 950 tot 1230 graden[{” attribute=””>Celsius, which is hot enough to melt rock.

Next, the team collected garnets from Smithsonian’s National Rock Collection and from other researchers around the world. Crucially, this group of garnets had already been analyzed so their concentrations of oxidized and unoxidized iron were known.

Finally, the study authors took the materials from their experiments and those gathered from collections to the Advanced Photon Source at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory in Illinois. There the team used high-energy X-ray beams to conduct X-ray absorption spectroscopy, a technique that can tell scientists about the structure and composition of materials based on how they absorb X-rays. In this case, the researchers were looking into the concentrations of oxidized and unoxidized iron.

The samples with known ratios of oxidized and unoxidized iron provided a way to check and calibrate the team’s X-ray absorption spectroscopy measurements and facilitated a comparison with the materials from their experiments.

The results of these tests revealed that the garnets had not incorporated enough unoxidized iron from the rock samples to account for the levels of iron depletion and oxidation present in the magmas that are the building blocks of Earth’s continental crust.

“These results make the garnet crystallization model an extremely unlikely explanation for why magmas from continental arc volcanoes are oxidized and iron-depleted,” Cottrell said. “It’s more likely that conditions in Earth’s mantle below continental crust are setting these oxidized conditions.”

Like so many results in science, the findings lead to more questions: “What is doing the oxidizing or iron depleting?” Cottrell asked. “If it’s not garnet crystallization in the crust and it’s something about how the magmas arrive from the mantle, then what is happening in the mantle? How did their compositions get modified?”

Cottrell said that these questions are hard to answer but that now the leading theory is that oxidized sulfur could be oxidizing the iron, something a current Peter Buck Fellow is investigating under her mentorship at the museum.

Reference: “Garnet crystallization does not drive oxidation at arcs” by Megan Holycross and Elizabeth Cottrell, 4 May 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.ade3418

This study is an example of the kind of research that museum scientists will tackle under the museum’s new Our Unique Planet initiative, a public–private partnership, which supports research into some of the most enduring and significant questions about what makes Earth special. Other research will investigate the source of Earth’s liquid oceans and how minerals may have served as templates for life.

The study was funded by the Smithsonian, the National Science Foundation, the Department of Energy, and the Lyda Hill Foundation.