Een interdisciplinair internationaal onderzoeksteam heeft onlangs ontdekt dat een enorme anomalie diep in het binnenste van de aarde een overblijfsel kan zijn van de botsing ongeveer 4,5 miljard jaar geleden waarbij de maan werd gevormd. Dit onderzoek biedt niet alleen belangrijke nieuwe inzichten in de interne structuur van de aarde, maar ook in haar evolutie op lange termijn en de vorming van het binnenste zonnestelsel.
Het onderzoek, dat gebaseerd is op computer vloeistofdynamica-methoden die ontwikkeld zijn door Prof. Deng Hongping van het Shanghai Astronomical Observatory (SHAO) van de Chinese Academy of Sciences, werd op 2 november gepubliceerd als een hoofdartikel in Nature. De vorming van de maan is een hardnekkig raadsel geweest voor verschillende generaties wetenschappers. De heersende theorie is dat er tijdens de late groeifasen van de aarde, ongeveer 4,5 miljard jaar geleden, een enorme botsing plaatsvond, bekend als de "reuzenbotsing", tussen de oeraarde (Gaia) en een proto-planeet ter grootte van Mars die bekend staat als Theia. Men denkt dat de maan is ontstaan uit het puin van deze botsing.
Numerieke simulaties hebben aangetoond dat de maan waarschijnlijk voornamelijk materiaal van Theia heeft geërfd, terwijl Gaia vanwege haar veel grotere massa slechts in geringe mate door Theia-materiaal is besmet.
Omdat Gaia en Theia relatief onafhankelijke formaties waren en uit verschillende materialen bestonden, suggereerde de theorie dat de maan - gedomineerd door Theiaans materiaal, en de aarde, gedomineerd door Gaiaans materiaal - verschillende samenstellingen zouden hebben. Later bleek echter uit zeer nauwkeurige isotopenmetingen dat de samenstellingen van de aarde en de maan opmerkelijk veel op elkaar lijken, waardoor de conventionele theorie over de vorming van de maan in twijfel werd getrokken.
Hoewel er vervolgens verschillende verfijnde modellen van de reuzeninslag zijn voorgesteld, zijn ze allemaal op de proef gesteld. Om de theorie over de vorming van de maan verder te verfijnen, begon prof. Deng in 2017 met onderzoek naar de vorming van de maan. Hij richtte zich op de ontwikkeling van een nieuwe computer vloeistofdynamica-methode genaamd Meshless Finite Mass (MFM), die uitblinkt in het nauwkeurig modelleren van turbulentie en materiaalmenging.
Door gebruik te maken van deze nieuwe benadering en talrijke simulaties van de gigantische inslag uit te voeren, ontdekte prof. Deng dat de vroege Aarde na de inslag een gelaagdheid in de mantel vertoonde, waarbij de bovenste en onderste mantel verschillende samenstellingen en toestanden hadden. De bovenste mantel bevatte een magma-oceaan, ontstaan door een grondige vermenging van materiaal van Gaia en Theia, terwijl de onderste mantel grotendeels vast bleef en de materiaalsamenstelling van Gaia behield.
"Eerder onderzoek had te veel nadruk gelegd op de structuur van de puinschijf (de voorloper van de maan) en had de impact van de gigantische botsing op de vroege Aarde over het hoofd gezien," zei Deng. Na gesprekken met geofysici van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich, realiseerden prof. Deng en medewerkers zich dat deze gelaagdheid in de mantel tot op de dag van vandaag kan zijn blijven bestaan, wat overeenkomt met de wereldwijde seismische reflectoren in de middenmantel (ongeveer 1000 km onder het aardoppervlak).
Volgens de vorige studie van prof. Deng wordt de hele onderste mantel van de aarde nog steeds gedomineerd door Gaiaans materiaal van voor de inslag, dat een andere elementaire samenstelling heeft (waaronder een hoger siliciumgehalte) dan de bovenste mantel. "Onze bevindingen weerleggen het traditionele idee dat de reuzeninslag leidde tot de homogenisering van de vroege Aarde," zei prof. "In plaats daarvan lijkt de maanvormende gigantische inslag de oorsprong te zijn van de heterogeniteit van de vroege mantel en het startpunt te markeren voor de geologische evolutie van de aarde in de loop van 4,5 miljard jaar."
Een ander voorbeeld van de heterogeniteit van de aardmantel zijn twee afwijkende gebieden, de zogenaamde Large Low Velocity Provinces (LLVP's), die zich duizenden kilometers uitstrekken aan de basis van de aardmantel. Het ene ligt onder de Afrikaanse tektonische plaat en het andere onder de Pacifische tektonische plaat. Wanneer seismische golven door deze gebieden gaan, wordt de golfsnelheid aanzienlijk verminderd.
LLVP's hebben belangrijke implicaties voor de evolutie van de mantel, de scheiding en aggregatie van supercontinenten en de tektonische plaatstructuren van de aarde. Hun oorsprong is echter een mysterie gebleven. Dr. Yuan Qian van het California Institute of Technology en medewerkers stelden voor dat LLVP's kunnen zijn ontstaan uit een kleine hoeveelheid Theïsch materiaal dat de onderste mantel van Gaia is binnengedrongen. Vervolgens nodigden ze prof. Deng uit om de verspreiding en toestand van Theian-materiaal in de diepe aarde na de reusachtige inslag te onderzoeken.
Door een diepgaande analyse van eerdere simulaties van de reuzeninslag en door nieuwe simulaties met een hogere precisie uit te voeren, ontdekte het onderzoeksteam dat een aanzienlijke hoeveelheid Theiaans mantelmateriaal, ongeveer 2% van de massa van de aarde, de onderste mantel van Gaia is binnengedrongen.
Prof. Deng nodigde vervolgens astrofysicus Dr. Jacob Kegerreis uit om deze conclusie te bevestigen met behulp van traditionele SPH-methoden (Smoothed Particle Hydrodynamics). Het onderzoeksteam berekende ook dat dit Theiaanse mantelmateriaal, vergelijkbaar met maangesteente, verrijkt is met ijzer, waardoor het dichter is dan het omringende Gaiaanse materiaal. Daardoor zakte het snel naar de bodem van de mantel en vormde daar in de loop van langdurige mantelconvectie twee prominente LLVP-gebieden. Deze LLVP's zijn stabiel gebleven gedurende 4,5 miljard jaar geologische evolutie.
Heterogeniteit in de diepe mantel, zowel in de middenmantelreflectoren als in de LLVP's aan de basis, suggereert dat het binnenste van de aarde verre van een uniform en "saai" systeem is. In feite kunnen kleine hoeveelheden diepgelegen heterogeniteit naar de oppervlakte worden gebracht door mantelpluimen, cilindrische opwaartse thermische stromen veroorzaakt door mantelconvectie, zoals die waarschijnlijk Hawaï en IJsland hebben gevormd.
Zo hebben geochemici die de isotopenverhoudingen van zeldzame gassen in monsters van IJslands basalt bestudeerden, ontdekt dat deze monsters andere componenten bevatten dan typische oppervlaktematerialen. Deze componenten zijn overblijfselen van heterogeniteit in de diepe mantel die meer dan 4,5 miljard jaar oud is en dienen als sleutel om de oorspronkelijke staat van de aarde en zelfs de vorming van planeten in de buurt te begrijpen.
Dr. Yuan: "Door nauwkeurige analyse van een groter aantal gesteentemonsters, in combinatie met verfijndere modellen voor reuzeninslagen en aardse evolutiemodellen, kunnen we de materiaalsamenstelling en orbitale dynamiek van de oer-Aarde, Gaia en Theia afleiden. Hierdoor kunnen we de hele ontstaansgeschiedenis van het binnenste zonnestelsel in kaart brengen." Prof. Deng ziet een nog bredere rol voor het huidige onderzoek. "Dit onderzoek biedt zelfs inspiratie voor het begrijpen van de vorming en bewoonbaarheid van exoplaneten buiten ons zonnestelsel."
Bron: Psyg.org
