Oeroude oceaanresten en planetaire botsingen: wetenschappers werpen nieuw licht op de mysterieuze D-laag van de aarde

Nieuw onderzoek suggereert dat de mysterieuze D-laag op de kern-mantelgrens van de aarde mogelijk is gevormd uit de overblijfselen van een vroege enorme inslag, waarbij ijzerrijk peroxide een sleutelrol speelt in zijn unieke en blijvende kenmerken.

Diep in de aarde bevindt zich een mysterieuze laag, de D-laag. Dit gebied bevindt zich op een diepte van ongeveer 3.000 kilometer en ligt boven de grens tussen de gesmolten buitenkern van de planeet en zijn vaste mantel. In tegenstelling tot een perfecte bol is de “D”-laag verrassend onvolledig. De dikte varieert sterk van plaats tot plaats, en sommige gebieden hebben zelfs helemaal geen “D”-laag – net zoals continenten boven de oceanen van de aarde uitstijgen. Deze interessante verschillen hebben de aandacht getrokken van geofysici, die laag D hebben beschreven als een heterogeen of niet-uniform gebied.

Een nieuwe studie onder leiding van Dr. Qingyang Hu (High Pressure Science and Advanced Technology Research Center) en Dr. Jie Ding (Princeton Universiteit) geeft aan dat laag D mogelijk afkomstig is uit de begintijd van de aarde. Hun theorie is gebaseerd op de gigantische impacthypothese, die suggereert dat: MarsEen groot object kwam in botsing met de proto-aarde, waardoor in de nasleep een planeetbrede magma-oceaan ontstond. Ze geloven dat laag D een unieke samenstelling kan zijn van de overblijfselen van deze enorme inslag, en mogelijk bewijs bevat van de vorming van de aarde.

Water in de magma-oceaan

Dr. Jie Ding benadrukt de aanwezigheid van een grote hoeveelheid water in deze mondiale magma-oceaan. De exacte oorsprong van dit water blijft een onderwerp van discussie, aangezien er verschillende theorieën zijn voorgesteld, waaronder de vorming ervan door interacties tussen nevelgas en magma, of directe levering door kometen. Dr. Deng vervolgt: “De heersende opvatting is dat het water zich concentreerde naar de bodem van de magma-oceaan terwijl deze afkoelde. In de laatste stadia kan het magma dat zich het dichtst bij de kern bevindt, hoeveelheden water bevatten die vergelijkbaar zijn met de hoeveelheid water die in de huidige oceanen van de aarde wordt aangetroffen.

De extreme druk- en temperatuuromstandigheden in de lagere magma-oceaan zouden een unieke chemische omgeving hebben gecreëerd, die onverwachte interacties tussen water en mineralen bevorderde. “Ons onderzoek suggereert dat deze waterige magma-oceaan heeft bijgedragen aan de vorming van een ijzerrijke fase, ijzer-magnesiumperoxide genaamd”, legt dr. Qingyang Hu uit. Dit peroxide, met de formule (Fe, Mg)O2, heeft een sterkere voorkeur voor ijzer dan andere belangrijke componenten die in de lagere mantel worden verwacht. “Volgens onze berekeningen had de binding ervan aan ijzer kunnen leiden tot de ophoping van ijzerperoxide in lagen van enkele tot tientallen kilometers dik.

Vorming van een heterogene structuur aan de grenzen van de kernmantel van de aarde. Krediet: China Science Press

De aanwezigheid van een ijzerrijke peroxidefase zou de minerale samenstelling van de D-laag veranderen, afwijkend van ons huidige inzicht. Volgens het nieuwe model zouden de mineralen in D worden gedomineerd door een nieuwe groep: ijzerarme silicaten, ijzerrijke peroxiden (Fe, Mg) en ijzerarme oxiden (Fe, Mg). Dit door ijzer gedomineerde peroxide heeft ook lage seismische snelheden en een hoge elektrische geleidbaarheid, waardoor het een waarschijnlijke kandidaat is om de unieke geofysische kenmerken van laag D te verklaren. Deze kenmerken omvatten gebieden met zeer lage snelheid en sterk geleidende lagen, die beide bijdragen aan de bekende compositorische heterogeniteit van laag D.

“Onze bevindingen geven aan dat ijzerrijk peroxide, gevormd uit oud water in de magma-oceaan, een cruciale rol speelde bij de vorming van de heterogene structuren van de D-laag”, aldus Qingyang. De sterke affiniteit van dit peroxide voor ijzer zorgt voor een groot dichtheidscontrast tussen deze ijzerrijke plekken en de omringende mantel. In wezen fungeert het als een isolator, waardoor wordt voorkomen dat ze zich vermengen en mogelijk de heterogeniteit op de lange termijn verklaart die wordt waargenomen aan de basis van de lagere mantel. “Dit model komt goed overeen met recente numerieke modelleringsresultaten, wat suggereert dat heterogeniteit in de lagere mantel een langetermijnkenmerk kan zijn,” voegde Ji eraan toe.

Referentie: “De kern-mantelgrens van de aarde gevormd door kristallisatie van een wateroceaan uit aards magma” door Qingyang Hu, Ji Ding, Yucai Zhuang, Zhenzhong Yang en Rong Huang, 13 mei 2024, Nationale wetenschapsrecensie.
doi: 10.1093/nsr/nwae169