Een illustratie van de aarde zoals die bestond tijdens een deel van haar vorming miljarden jaren geleden, toen een oceaan van magma het oppervlak van de planeet bedekte en zich duizenden kilometers diep in de kern uitstrekte. Een typische cel uit een simulatie uitgevoerd door FSU-onderzoekers met de relatieve posities van atomen wordt links getoond. Krediet: Suraj Bajgain / Lake Superior State University
Tijdens de vroege stadia van de vorming van de aarde bedekte een enorme oceaan van gesmolten gesteente, bekend als een « magma-oceaan », het oppervlak van de planeet en drong diep door tot in de kern. De afkoelsnelheid van deze « magma-oceaan » speelde een cruciale rol bij het vormgeven van de gelaagde structuur van de aarde en het bepalen van de chemische samenstelling van die lagen.
Eerder onderzoek had gesuggereerd dat het honderden miljoenen jaren duurde voordat de magma-oceaan stolde, maar nieuw onderzoek van Staatsuniversiteit van Florida gepubliceerd in Natuurcommunicatie heeft deze onzekerheden teruggebracht tot minder dan slechts een paar miljoen jaar.
« Deze magma-oceaan is een belangrijk onderdeel geweest van de geschiedenis van de aarde en deze studie helpt ons een aantal fundamentele vragen over de planeet te beantwoorden », zegt Mainak Mookherjee, universitair hoofddocent geologie bij het Department of Earth, Ocean, and Atmospheric Science.
Wanneer magma afkoelt, vormt het kristallen. Waar die kristallen terechtkomen, hangt af van hoe stroperig het magma is en de relatieve dichtheid van de kristallen. Kristallen die dichter zijn, zullen waarschijnlijk zinken en zo de samenstelling van het resterende magma veranderen. De snelheid waarmee magma stolt, hangt af van hoe stroperig het is. Minder stroperig magma leidt tot snellere afkoeling, terwijl een magma-oceaan met een dikkere consistentie meer tijd nodig heeft om af te koelen.
Net als dit onderzoek hebben eerdere studies fundamentele principes van natuurkunde en scheikunde gebruikt om de hoge drukken en temperaturen in het diepe binnenste van de aarde te simuleren. Wetenschappers gebruiken ook experimenten om deze extreme omstandigheden na te bootsen. Maar deze experimenten zijn beperkt tot lagere drukken, die op ondiepere diepten in de aarde bestaan. Ze geven niet volledig het scenario weer dat bestond in de vroege geschiedenis van de planeet, waar de magma-oceaan zich uitstrekte tot diepten waar de druk waarschijnlijk drie keer hoger is dan wat experimenten kunnen reproduceren.
Om die beperkingen te overwinnen, voerden Mookherjee en medewerkers hun simulatie tot zes maanden uit in de krachtige computerfaciliteit van FSU en in een computerfaciliteit van de National Science Foundation. Dit elimineerde veel van de statistische onzekerheden in eerder werk.
« De aarde is een grote planeet, dus op diepte zal de druk waarschijnlijk erg hoog zijn », zegt Suraj Bajgain, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de FSU en nu gastprofessor aan de Lake Superior State University. “Zelfs als we de viscositeit van magma aan het oppervlak kennen, zegt dat nog niets over de viscositeit honderden kilometers eronder. Dat vinden is een hele uitdaging.”
Het onderzoek helpt ook bij het verklaren van de chemische diversiteit in de onderste mantel van de aarde. Monsters van lava – de naam voor magma nadat het door het aardoppervlak is gebroken – van richels op de bodem van de oceaanbodem en vulkanische eilanden zoals Hawaï en IJsland kristalliseren tot basaltgesteente met een vergelijkbaar uiterlijk maar verschillende chemische samenstellingen, een situatie die heeft lang verbijsterde aardwetenschappers.
« Waarom hebben ze verschillende chemie of chemische signalen? » zei Mookherjee. “Aangezien het magma van onder het aardoppervlak komt, betekent dit dat de bron van het magma daar chemische diversiteit heeft. Hoe is die chemische diversiteit in de eerste plaats begonnen en hoe heeft het de geologische tijd overleefd?”
Het startpunt van chemische diversiteit in de mantel kan met succes worden verklaard door een magma-oceaan in de vroege geschiedenis van de aarde met een lage viscositeit. Minder stroperig magma leidde tot de snelle scheiding van de daarin gesuspendeerde kristallen, een proces dat vaak fractionele kristallisatie wordt genoemd. Dat creëerde een mix van verschillende chemie binnen het magma, in plaats van een uniforme samenstelling.
Referentie: « Insights into magma ocean dynamics from the transport properties of basalt melt » door Suraj K. Bajgain, Aaron Wolfgang Ashley, Mainak Mookherjee, Dipta B. Ghosh en Bijaya B. Karki, 8 december 2022, Natuurcommunicatie.
DOI: 10.1038/s41467-022-35171-y
De studie werd gefinancierd door de National Science Foundation.
