De verzengende kern van de aarde is geen eenling - hij is betrapt op vermenging met andere, onderaardse lagen. Dat is volgens een nieuwe studie waarin werd vastgesteld dat het binnenste deel van de planeet een deel van de inhoud lekt in mantelpluimen, waarvan sommige uiteindelijk het aardoppervlak bereiken.
Deze ontdekking helpt bij het oplossen van een debat dat al tientallen jaren woedt: of de kern en mantel materiaal uitwisselen, aldus de onderzoekers.
"Onze bevindingen suggereren dat enig kernmateriaal overgaat in de basis van deze mantelpluimen, en de kern heeft dit materiaal de afgelopen 2,5 miljard jaar gelekt", schreven de onderzoekers in The Conversation, een website waar wetenschappers schrijven over hun onderzoek voor de openbaar.
De bevinding werd mogelijk gemaakt door het metalen wolfraam (W), element 74 op het periodiek systeem. Als wolfraam een datingprofiel zou maken, zou het opmerken dat het een siderofiel of 'ijzerminnaar' is. Het is dus geen verrassing dat er veel wolfraam rondhangt in de kern van de aarde, die voornamelijk is gemaakt van ijzer en nikkel.
Op zijn profiel zou wolfraam ook vermelden dat het een paar isotopen heeft (een element met een ander aantal neutronen in de kern), waaronder W-182 (met 108 neutronen) en W-184 (met 110 neutronen). Bij het bedenken van hun onderzoek realiseerden de onderzoekers zich dat deze isotopen hen zouden kunnen helpen bij het oplossen van de kernlekkende vraag.
Een ander element, hafnium (Hf), is een lithofiel, wat betekent dat het van rotsen houdt en te vinden is in de silicaatrijke mantel van de aarde. Met een halfwaardetijd van 8,9 miljoen jaar vervalt hafnium's radioactieve isotoop Hf-182 in W-182. Dit betekent dat de mantel meer W-182 zou moeten hebben dan de kern, redeneerden de wetenschappers.
'Daarom zou chemische uitwisseling tussen de kern en de bron van mantelpluimen detecteerbaar kunnen zijn in de 182 W / 184 W-verhouding van basale zouten van oceaaneilanden', die afkomstig zijn van pluimen in de mantel, schreven de onderzoekers in het onderzoek.
Maar dit verschil in wolfraam zou ongelooflijk klein zijn: de samenstelling van wolfraam-182 in de mantel en kern zou slechts met ongeveer 200 delen per miljoen (ppm) verschillen. 'Er zijn minder dan vijf laboratoria ter wereld die dit type analyse kunnen uitvoeren', schreven de onderzoekers in The Conversation.
Bovendien is het niet eenvoudig om de kern te bestuderen, omdat deze begint op een diepte van ongeveer 2900 kilometer onder de grond. Om dat in perspectief te plaatsen, het diepste gat dat mensen ooit hebben gegraven, is het Kola Superdeep-boorgat in Rusland, dat een diepte heeft van ongeveer 12,6 km (12,3 km).
Dus bestudeerden de onderzoekers het volgende beste ding: rotsen die vanuit de diepe mantel op de Pilbara Craton in West-Australië naar het aardoppervlak sijpelden, en de hotspots van Réunion en de Kerguelen-archipel in de Indische Oceaan.
Lek gedetecteerd
De hoeveelheid wolfraam in deze rotsen bracht een lek uit de kern aan het licht. Tijdens de levensduur van de aarde was er een grote verandering in de W-182-tot-W-184-verhouding in de aardmantel, vonden de onderzoekers. Vreemd genoeg hebben de oudste rotsen van de aarde een hogere W-182-tot-W-184-verhouding dan de meeste moderne rotsen, ontdekten ze.
'De verandering in de verhouding van 182 W / 184 W van de mantel geeft aan dat wolfraam uit de kern al lange tijd in de mantel lekt', schreven de onderzoekers in The Conversation.
De aarde is ongeveer 4,5 miljard jaar oud. De oudste mantelgesteenten van de planeet hadden echter geen significante veranderingen in wolfraamisotopen. Dit suggereert dat er van 4,3 miljard tot 2,7 miljard jaar geleden weinig of geen uitwisseling van materiaal van de kern naar de bovenmantel was, aldus de onderzoekers.
Maar in de afgelopen 2,5 miljard jaar is de samenstelling van de wolfraamisotoop in de mantel aanzienlijk veranderd. Waarom is dit gebeurd? Als mantelpluimen opstijgen vanaf de kern-mantelgrens, dan gaat misschien, zoals een wip, materiaal van het aardoppervlak naar de diepe mantel, aldus de onderzoekers. Dit oppervlaktemateriaal bevat zuurstof, een element dat wolfraam kan aantasten, aldus de onderzoekers.
"Subductie, de term die wordt gebruikt voor rotsen vanaf het aardoppervlak die in de mantel afdalen, neemt zuurstofrijk materiaal van het oppervlak in de diepe mantel als een integraal onderdeel van platentektoniek", schreven de onderzoekers in The Conversation. "Experimenten tonen aan dat een verhoging van de zuurstofconcentratie aan de grens van de kernmantel ertoe kan leiden dat wolfraam uit de kern en in de mantel wordt afgescheiden."
Of misschien toen de binnenste kern stolde nadat de aarde was gevormd, nam de zuurstofconcentratie in de buitenste kern toe, aldus de onderzoekers. 'In dit geval zouden onze nieuwe resultaten ons iets kunnen vertellen over de evolutie van de kern, inclusief de oorsprong van het magnetische veld van de aarde', schreven ze in The Conversation.
