Hoe wetenschappers de geheimen van de diepe wateren van de aarde onthulden

Uit een baanbrekend onderzoek blijkt dat het oppervlaktewater van de aarde de kern bereikt, waardoor de samenstelling ervan verandert en er sprake is van een meer dynamische interactie tussen de kern en de mantel en een complexe mondiale watercyclus.

Een paar decennia geleden identificeerden seismologen die de diepe planeet in kaart brachten een dunne laag van iets meer dan een paar honderd kilometer dik. De oorsprong van deze laag, bekend als primaire laag E, was tot nu toe een mysterie.

Een internationaal team van onderzoekers, waaronder Dan Shim, Taehyun Kim en Joseph O’Rourke van het College of Earth and Space Exploration van de Arizona State University, heeft onthuld dat water van het aardoppervlak diep in de planeet kan doordringen en de samenstelling van de planeet kan veranderen. Het buitenste gebied van het vloeibare metaal kiemt en vormt een karakteristieke dunne laag.

Hun onderzoek werd op 13 november gepubliceerd in het tijdschrift Natuurlijke aardwetenschappen.

Transportproces over diep water

Uit onderzoek blijkt dat oppervlaktewater gedurende miljarden jaren diep de aarde in is getransporteerd door tektonische platen te subduceren of te subduceren. Bij het bereiken van de grens tussen de kern en de mantel, ongeveer 3000 kilometer onder het oppervlak, veroorzaakt dit water een diepe chemische reactie, waardoor de structuur van de kern verandert.

Illustratie van het binnenste van de aarde, waar zinkend water en een stijgende magmakolom zichtbaar zijn. Op het grensvlak waar ingebed water de kern ontmoet, vindt chemische uitwisseling plaats om een ​​waterstofrijke laag in de bovenste buitenste kern en dicht silica aan de onderkant van de mantel te vormen. Krediet: Yonsei Universiteit

Chemische reacties op de kern-mantelgrens

Samen met Young Jae Lee uit Yonsei Universiteit In Zuid-Korea hebben Shim en zijn team via hogedrukexperimenten aangetoond dat ondergedompeld water chemisch reageert met basismaterialen. Deze reactie vormt een waterstofrijke, siliciumarme laag, waardoor het bovenste buitenste kerngebied verandert in een filmachtige structuur. Bovendien genereert de reactie silicakristallen die opstijgen en in de mantel samensmelten. Deze gemodificeerde vloeibare minerale laag zal naar verwachting minder dicht zijn, met lagere seismische snelheden, consistent met de afwijkende kenmerken die door seismologen in kaart zijn gebracht.

Kern-mantelinteractie en mondiale effecten

‘Jarenlang werd gedacht dat de fysieke uitwisseling tussen de kern van de aarde en de mantel klein was. Onze recente hogedrukexperimenten onthullen echter een ander verhaal.’ We ontdekten dat wanneer water de grens tussen de kern en de mantel bereikt, het interageert met het silicium in de kern,’ zei Shim, waardoor silica ontstaat.’ ‘Deze ontdekking, samen met onze eerdere observatie van diamanten die ontstaan ​​door de reactie van water met koolstof in vloeibaar ijzer onder extreme druk, duidt op een veel dynamischere interactie tussen de kern en de mantel, wat wijst op een aanzienlijke fysieke uitwisseling.”

Deze ontdekking vergroot ons begrip van de interne processen van de aarde en suggereert een uitgebreidere mondiale watercyclus dan eerder werd erkend. De veranderende ‘laag’ van de kern heeft diepgaande gevolgen voor de geochemische cycli die de oppervlaktewatercyclus verbinden met de diepe minerale kern.

Referentie: “Een waterstofrijke laag in de bovenste buitenste kern is afkomstig van diep ondergedompeld water” door Taehyun Kim, Joseph J. O’Rourke, Jeongmin Lee, Stella Chariton, Vitaly Prakapinka, Rachel J. Husband, Nico Giordano, Hans-Peter Lerman, Sang-Hyun Shim en Youngjae Lee, 13 november 2023, Natuurlijke aardwetenschappen.
DOI: 10.1038/s41561-023-01324-x

De studie werd uitgevoerd door een internationaal team van geowetenschappers met behulp van geavanceerde experimentele technieken bij de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory en PETRA III van Deutsches Elektronen-Synchrotron in Duitsland om de extreme omstandigheden aan de kern-mantelgrens te repliceren.

Teamleden en hun sleutelrollen bij ASU zijn Kim, die dit project begon als gastdoctoraatsstudent en nu postdoctoraal onderzoeker is aan de School of Earth and Space Exploration; Wasim, een professor aan de School of Earth and Space Exploration, die leiding gaf aan het experimentele werk onder hoge druk; O’Rourke, assistent-professor aan de School of Earth and Space Exploration, voerde computersimulaties uit om de vorming en continuïteit van de veranderende dunne laag in de kern te begrijpen. Lee leidde het onderzoeksteam van de Yonsei Universiteit, samen met hoofdonderzoekers Vitaly Prakapinka en Stella Chariton bij de Advanced Photon Source en Rachel Zug, Nico Giordano en Hans-Peter Lerman bij de Deutsches Elektronen-Synchrotron.

Dit werk werd ondersteund door het NSF Earth Sciences Program.