Vreemde klodders in de diepe mantel zijn de overblijfselen van een oude planeet

Uit een onderzoek van het California Institute of Technology blijkt dat twee massieve, ijzerrijke structuren diep in de aardmantel de overblijfselen zijn van Theia, een oude planeet die in botsing kwam met de aarde en zo de maan creëerde. Deze ontdekking beantwoordt al lang bestaande vragen over de oorsprong van de maan en het lot van Theia.

In de jaren tachtig deden geofysici een verrassende ontdekking: diep in het centrum van de aarde waren twee klodders ongewoon materiaal ter grootte van een continent gevonden, één onder het Afrikaanse continent en één onder de Stille Oceaan. Elke stip is ongeveer tweemaal zo groot als de maan en bestaat waarschijnlijk uit verschillende verhoudingen van elementen vergeleken met de omringende mantel.

Grote, langzame provinciale activa

Waar kwamen deze vreemde klodders – officieel bekend als Large Low-Velocity Provinces (LLVP’s) – vandaan? Een nieuwe studie door onderzoekers van het California Institute of Technology suggereert dat het de overblijfselen zijn van een oude planeet die miljarden jaren geleden gewelddadig met de aarde in botsing kwam in dezelfde gigantische inslag die aanleiding gaf tot onze maan.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift natuur Op 1 november wordt ook een antwoord voorgesteld op een ander mysterie in de planetaire wetenschap. Onderzoekers hebben lang aangenomen dat de maan is ontstaan ​​na een gigantische botsing tussen de aarde en een kleinere planeet genaamd Theia, maar er is geen spoor van Theia gevonden in de asteroïdengordel of in meteorieten. Deze nieuwe studie suggereert dat het grootste deel van Theia werd opgenomen in de jonge aarde en LLVP’s vormde, terwijl het puin dat overbleef van de botsing werd opgenomen in de maan.

Visualisatie van de aarde met grote “klodders” van dichte materie nabij de kern van de aarde. Deze punten werden in de jaren tachtig ontdekt. Nu suggereren onderzoekers dat het eigenlijk de overblijfselen zijn van een oude planeet, Theia, die in botsing kwam met de aarde en de maan vormde. Krediet: Edward Garnero

Onderzoeksmethodologie en resultaten

Het onderzoek werd geleid door Qian Yuan, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker van Oakey Earle in de laboratoria van Paul Asimo (MS ’93, PhD ’97), de Eleanor en John R. MacMillan hoogleraar geologie en geochemie; en Michael Jorness, de John E. en Hazel S. Smits hoogleraar geofysica en de Clarence R. Allen Leadership Chair, directeur van het Caltech Seismic Laboratory, en directeur van de Schmidt Academy of Software Engineering bij Caltech.

Wetenschappers ontdekten voor het eerst LLVP’s door seismische golven te meten die door de aarde reizen. Seismische golven reizen met verschillende snelheden door verschillende materialen, en in de jaren tachtig kwamen de eerste aanwijzingen naar voren van grootschalige driedimensionale variaties diep in de structuur van de aarde. In de diepere mantel wordt het patroon van seismische golven gedomineerd door de kenmerken van twee grote structuren nabij de kern van de aarde, waarvan onderzoekers denken dat ze een ongewoon hoog ijzergehalte hebben. Dit hoge ijzergehalte betekent dat de gebieden dichter zijn dan hun omgeving, waardoor seismische golven die er doorheen gaan langzamer worden, wat leidt tot de naam ‘grote provincies met lage snelheid’.

Yuan, een geofysicus van opleiding, woonde in 2019 een symposium bij over planeetvorming, gegeven door Mikhail Zolotov, een professor aan de Arizona State University. Zolotov presenteerde de gigantische impacthypothese, terwijl Qian erop wees dat de maan relatief rijk is aan ijzer. Zolotov voegde eraan toe dat er geen spoor was gevonden van het voertuig, dat zeker met de grond was gebotst.

“Direct nadat Michael zei dat niemand weet waar het inslagobject nu is, had ik een ‘eureka-moment’ en besefte ik dat het ijzerrijke inslagobject had kunnen worden getransformeerd in klodders van de mantel”, zegt Yuan.

Gedetailleerde simulatie van Theia’s impact op de aarde. Hoewel de inslag hevig was, was deze niet krachtig genoeg om de lagere mantel van de aarde te doen smelten, wat betekent dat overblijfselen van Theia bewaard hadden kunnen blijven, in plaats van homogeen vermengd te zijn met het materiaal van de aarde. Krediet: Hong Bing Ding

Yuan werkte samen met interdisciplinaire medewerkers om verschillende scenario’s te modelleren voor de chemische samenstelling van Theia en de impact ervan op aarde. Simulaties bevestigden dat de fysica van de botsing zou kunnen leiden tot de vorming van zowel LLVP’s als de maan. Het is mogelijk dat een deel van Theia’s mantel werd opgenomen in de aardmantel, waar het zich uiteindelijk samenvoegde en uitkristalliseerde om de twee afzonderlijke klodders te vormen die vandaag de dag kunnen worden gedetecteerd op de mantel-kerngrens; Ander puin van de botsing vermengde zich en vormde de maan.

Implicaties en toekomstig onderzoek

Waarom verzamelde het materiaal van Theia zich, gezien deze gewelddadige impact, op de twee afzonderlijke plekken in plaats van zich te vermengen met de rest van de zich vormende planeet? Uit de simulaties van de onderzoekers bleek dat een groot deel van de energie van de inslag van Theia in de bovenste helft van de mantel bleef, waardoor de onderste mantel van de aarde koeler bleef dan eerdere inslagmodellen met lage resolutie hadden geschat. Omdat de onderste mantel niet volledig was gesmolten door de inslag, bleven de klodders ijzerrijk materiaal van Theia grotendeels intact toen deze naar de basis van de mantel sijpelden, als kleurrijke klontjes paraffinewas in een gedoofde lavalamp. Als de onderste mantel heter was geweest (dat wil zeggen meer energie had ontvangen door de botsing), zou deze beter zijn gemengd met ijzerrijke materialen, zoals kleuren in een pot verf.

De volgende stappen zijn het bestuderen hoe de vroege aanwezigheid van heterogeen Theia-materiaal diep in de aarde de interne processen van onze planeet, zoals platentektoniek, beïnvloedde.

“Het logische gevolg van het idee dat LLVP’s overblijfselen zijn van Theia is dat ze heel oud zijn”, zegt Asimov. ‘Het is dus zinvol om vervolgens te bestuderen welke gevolgen ze hadden voor de vroege evolutie van de aarde, zoals het begin van subductie voordat de omstandigheden geschikt werden voor de moderne platentektoniek, de vorming van de eerste continenten en de oorsprong van de oudste tektonische platen.’ van de mineralen van de aarde.”

Nieuw onderzoek geeft antwoord op twee al lang bestaande mysteries van de planetaire wetenschap: wat zijn de gigantische, mysterieuze ‘klodders’ van materiaal nabij de kern van de aarde, en wat gebeurde er met de planeet die in botsing kwam met de aarde en zo de maan creëerde? Een nieuwe studie van het California Institute of Technology suggereert dat er nog steeds overblijfselen van deze oude planeet op aarde voorkomen, wat de oorsprong van de ‘klodders’ nabij de kern-mantelgrens verklaart.

Referentie: “Maanvormende botsing als bron van de anomalie van de basale mantel van de aarde” door Qian Yuan, Mingming Li en Stephen J. Desch, Byung-Kwan Koo, Hongpeng Deng en Edward J. Garnero, Travis SJ Gabriel en Jacob A. , Vincent Ecke en Paul D. Asimov, 32 oktober 2023, natuur.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan is de eerste auteur. Naast Yuan en Asimo is Yoshinori Miyazaki een extra co-auteur bij Caltech, een postdoctoraal onderzoeker van Stanback die betrokken is bij vergelijkende planetaire evolutie. Andere co-auteurs zijn Mingming Li, Stephen Desch en Edward Garnero (PhD ’94) van de Arizona State University (ASU); Byungkwan Ko van de Arizona State University en Michigan State University; Hongping Ding van de Chinese Academie van Wetenschappen; Travis Gabriel van de USGS; Jacob Kegeris NASAAmes Onderzoekscentrum; en Vincent Ecke van de Universiteit van Durham. De financiering werd verstrekt door de National Science Foundation, de Aoki Earle Postdoctoral Fellowship bij Caltech, de USGS, NASA en het Caltech Center for Comparative Planetary Evolution.