NGV-Geonieuws 174 artikel 1113

NGV-Geonieuws: elektronisch geologisch tijdschrift


December 2010, jaargang 12 nr. 9 artikel 1113

Redactie: George Brouwers tot en met artikel 1023 en vanaf 1024 dr.W.M.L.(Willem) Schuurman

Dit artikel is onderdeel van NGV-Geonieuws uitgave 174! Op de huidige pagina is alleen artikel 1113 te lezen.

<< Vorig artikel: 1112 | Volgend artikel: 1114 >>

1113 Nieuwe ideeën over diepste aardmantel
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon, AMU, Poznan

Klik hier voor alle artikelen over Geofysica ! Klik hier voor alle artikelen over het Inwendige van de Aarde !     Klik hier om dit artikel af te drukken !

Even boven de grens van aardkern en aardmantel komen enkele zones voor waarin seismische golven een extreem lage snelheid hebben: ongeveer 30% lager dan in dit onderste deel van de aardmantel normaal is. Deze zones werden bijna 20 jaar geleden ontdekt, op een diepte van ongeveer 2900 km. De (kennelijk niet met elkaar verbonden) zones zijn een paar kilometer tot enkele tientallen kilometers dik, en strekken zich lateraal uit over afstanden tot zo’n 100 km.

De lage voortplantingssnelheid van schokgolven in deze zones moet een fysische reden hebben, maar de tot nu toe gegeven mogelijke verklaringen zijn geen van alle echt afdoende. De meest aangehangen geofysische verklaring was tot nu toe dat de zones zouden bestaan uit vloeistofhoudende (dus deels opgesmolten) gesteenten. In dit onderste deel van de aardmantel is het gesteente namelijk weliswaar vast gesteente, maar dat gesteente is vanwege de hoge temperatuur plastisch. Bij lokaal nog hogere temperaturen zou er daarom in theorie gedeeltelijk opsmelting kunnen optreden, wat zou betekenen dat er een vloeistof aanwezig zou zijn. Op basis van natuurkundige wetten zouden deze zones met vloeistof inderdaad seismische golven langzamer laten passeren dan plaatsten zonder vloeistof.

Dat toch niet alle geofysici deze verklaring aanvaarden, komt doordat noch de temperatuur noch de samenstelling van deze zones goed bekend is. Een belangrijk tegenargument is ook dat het te verwachten zou zijn dat deze zones dan juist aanwezig zouden zijn waar mantelpluimen uit het grensgebied van mantel en kern opstijgen, maar lang niet onder alle plaatsen waar dergelijke mantelpluimen voor hot spots aan het aardoppervlak zorgen (bijv. Hawaii) komen dergelijke zones voor.

Dat leidde bij enkele onderzoekers tot de opvatting dat er wellicht helemaal geen sprake is van vloeistof. Als het gesteente geheel vast (maar plastisch) zou zijn, dan zou namelijk ook een duidelijk andere gesteentesamenstelling dan waarvan men tot nu toe uitging kunnen leiden tot een significant verlaagde snelheid van passerende seismische golven. De vraag was natuurlijk wat dan die andere samenstelling zou moeten zijn. Daarbij lag het voor de hand dat er magnesium en ijzer bij betrokken zouden zijn, omdat er overtuigende aanwijzingen zijn dat de aardmantel, althans in het bovenste deel een peridotiet-samenstelling heeft.

Uiteindelijk werd besloten om aan de slag te gaan met ijzerrijke magnesium/ijzer-oxiden [(MgFe)O], wat overeenkomt met het mineraal periklaas aan het aardoppervlak. Een klein monster van dit materiaal werd in een zogeheten anvil cell (aambeeld-cel) samengeperst tussen twee diamanten bij een maximale druk van 121 GPa, wat overeenkomt met de druk op ongeveer 2700 km diepte.


De cel waarin het materiaal
werd samengeperst en bestudeerd.


De cel in de opgestelde onderzoeksapparatuur;
röntgenstraling komt verticaal binnen,
en de afgebogen röntgenstraling komt
radiaal naar buiten.


Normaliter worden materialen stijver wanneer de druk toeneemt, waardoor seismische golven er juist sneller door passeren. Bij de proefnemingen bleek de snelheid bij een druk van iets minder dan 28 GPa echter juist met zo’n 10% af te nemen. Pas bij een druk van 50-60 GPa nam de golfsnelheid weer tot een ‘normale’ waarde toe. Een andere opvallende bevinding was dat het materiaal ook bij zeer hoge druk goed verder samendrukbaar bleek. Dat was ook nog het geval bij 121 GPa, de druk waarbij de diamanten het begaven. Een dergelijke samendrukbaarheid bij hoge druk is uiterst ongewoon. De onderzoekers denken dat zowel de lage golfsnelheid als de blijvend goede samendrukbaarheid bij hoge druk samenhangen met magnetische overgangen.

Een en ander betekent dat het voorkomen van materiaal met een periklaas-samenstelling dicht bij de aardkern een verklaring kan bieden voor de zones met lage snelheden van seismische golven. Het beteken echter niet dat per definitie de verklaring basis van vloeistofvoorkomens onjuist is. Belangrijk is echter dat ‘periklaas-voorkomens’ op die diepte van belang zijn voor de reconstructie van de thermochemische evolutie van de aarde in het verre verleden. De voorkomens zouden restanten kunnen zijn van grootschalige opsmeltingen die miljarden jaren geleden binnenin de aarde kunnen hebben plaatsgevonden. Een ijzerrijk oxide in contact met de ijzeren aardkern zou zeker gevolgen hebben gehad voor de ontwikkeling van het aardmagnetisch veld, en daarmee ook voor de dynamowerking die een gevolg is van de verschillen in samenstelling en rotatiesnelheid van buitenkern en binnenmantel.


Onderzoekleidster June Wicks.

Referenties:
  • Wicks, J.K., Jackson, J.M. & Sturhahn, W., 2010. Very low sound velocities in iron-rich (Mg,Fe)O: implications for the core-mantle boundary. Geophysical Research Letters 37, doi:10.1029/2010GL043689, 5 pp.

Foto’s welwillend ter beschikking gesteld door June Wicks, Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, CA (Verenigde Staten van Amerika).


Copyright © NGV 1999-2017
webmaster@geologischevereniging.nl