Wetenschappers ontdekken een verborgen laag, 160 kilometer onder het aardoppervlak

Wetenschappers hebben een verborgen laag van gedeeltelijk gesmolten gesteente ontdekt die zich ongeveer 160 kilometer onder het aardoppervlak bevindt en wel eens een antwoord zou kunnen zijn op onopgeloste mysteries over de bewegingen van tektonische platen, aldus een nieuw onderzoek.  

Eerdere studies lieten al stukjes van deze laag zien in geïsoleerde gebieden, maar het nieuwe onderzoek toont aan dat de laag zich uitstrekt over een veel groter deel van de ondergrondse gebieden dan verwacht. De ontdekking van deze vreemde zone suggereert dat gesmolten gesteente dat door de bovenste mantel stroomt - de aardmantel is het deel van de aarde dat zich vlak onder het oppervlak en de korst bevindt - misschien slechts een kleine rol speelt bij de verschuivingen van tektonische platen in vergelijking met andere krachten, zoals de overdracht van warmte in dit ondergrondse rijk. Het is belangrijk om dit vast te stellen, want de beweging van tektonische platen heeft bijvoorbeeld bijgedragen aan de bloei van het leven op aarde. Een betere kennis van dit domein zou ons zelfs kunnen helpen om buitenaardse werelden met een soortgelijke dynamiek te onderzoeken.

We kennen allemaal de huidige wereldkaart wel met de zeven continenten en een wereldoceaan, maar dit is slechts een van de vele gezichten die de aarde in de loop van miljarden jaren heeft gedragen. Onze planeet is tektonisch actief, wat betekent dat enorme rotsplaten in de loop der tijd over het oppervlak verschuiven. Als gevolg daarvan verandert het mondiale patroon van landmassa's en oceanen terwijl deze platen zich verspreiden, tegen elkaar botsen of in de mantel worden gedrukt. 

Toen bijvoorbeeld 250 miljoen jaar geleden de dinosauriërs net een beetje op begonnen te komen, werd het grootste deel van het land op aarde samengeperst tot het supercontinent Pangea. Over nog eens 300 miljoen jaar kunnen Azië en Noord-Amerika volgens sommige projecties botsen en een nieuwe landmassa vormen. Deze bewegende platen zorgen er niet alleen voor dat de aarde steeds voor een frisse nieuwe look gaat, maar ze ondersteunen ook de bewoonbaarheid van onze wereld, onder andere door een stabiel klimaat te helpen handhaven. 

Tektonische platen drijven over een gebied van de bovenste mantel van de aarde, de asthenosfeer, maar er zijn nog veel vragen over de precieze dynamiek van dit kritieke proces. Met name details over de ondergrens van de asthenosfeer, die zich ongeveer 160 kilometer onder het aardoppervlak bevindt, zijn onduidelijk gebleven.

Nu hebben wetenschappers onder leiding van Junlin Hua, een postdoctoraal onderzoeker in de geowetenschappen aan de Universiteit van Texas in Austin, een verborgen laag zacht gesteente op de bodem van de asthenosfeer ontdekt die zich lijkt uit te strekken over ten minste 44 procent van de planeet, en misschien wel meer. Ondanks dit enorme bereik heeft deze gedeeltelijk gesmolten zone “geen wezenlijk effect op de grootschalige viscositeit van de asthenosfeer”, wat betekent dat zij waarschijnlijk geen belangrijke rol speelt in de platentektoniek. Deze bevinding zal helpen met het verfijnen van modellen van de bewegende delen van de aarde, aldus het in Nature Geoscience gepubliceerde onderzoek.

“We waren verbaasd over hoe goed de waarneming overeenkomt met onze intuïtie," vertelt Hua in een e-mail aan Motherboard. "Ik was ook een beetje verrast door hoe wijdverspreid het is.”

“Een andere verrassende bevinding is het tweede deel van het artikel, dat we ontdekten dat de extra hoeveelheid gesmolten massa de beweging van de plaat niet erg beïnvloedt, aangezien je zou verwachten dat iets dat smelt (zoals gedeeltelijk gesmolten chocolade) gemakkelijker te vervormen zou zijn,” vervolgde hij. Op die manier zou “de fysica van de vervorming van vast gesteente waarschijnlijk de relatief zwakke asthenosfeer bepalen, in plaats van de aanwezigheid van de gesmolten massa.”

Wetenschappers hebben lang gedebatteerd over hoe gedeeltelijk gesmolten gesteenten in de asthenosfeer bijdragen aan de stroming van tektonische platen erboven, deels omdat er nog veel te leren valt over de overvloed en de verdeling van deze kleverige gesteenten in deze laag. Hoewel men zou verwachten dat grote stukken gesmolten gesteente de asthenosfeer zachter zouden maken en zo een gemakkelijk glijpad voor platen zouden vormen om overheen te stromen, blijft de precieze relatie tussen de lagen en de tektonische beweging een raadsel.

Hua stuitte op een mogelijk stukje van deze puzzel toen hij een wereldkaart van de asthenosfeer samenstelde met behulp van seismische golven die op honderden verschillende plaatsen in de wereld door aardbevingen worden geproduceerd. Deze golven reizen door het binnenste van de aarde en reageren met de verschillende materialen in elke laag, waardoor details over hun eigenschappen worden onthuld.

Bij het maken van de kaart merkte Hua op dat de seismische golven vertraagden wanneer zij een verborgen laag gesmolten gesteente raakten die een groot deel van de aarde overspant op een diepte van 150 kilometer onder het oppervlak. Het team noemde de zone "PVG-150" voor “positieve snelheidsgradiënt op 150 kilometer”.

“Ik bestudeerde toen Turkije, en vond een seismisch signaal dat het onderste bereik van een seismische laag met lage snelheid daar markeert,” legde Hua uit. “Mensen hebben het veel over de bovengrens van die laag gehad, maar het lagere bereik wordt minder genoemd, en ik was verrast door dat duidelijke lagere bereik in Turkije.” 

“Dus besloot ik het over de hele wereld te bestuderen om te zien hoe wijdverspreid zo'n laag is, en in deze studie vonden we dat het eigenlijk vrij wijdverspreid is; het laagbereik komt gewoon overeen met de onderkant van de laag met gedeeltelijk gesmolten gesteenten,” voegde hij eraan toe.

De onderzoekers gingen vervolgens na of de aanwezigheid van de PVG-150 op bepaalde plaatsen enige invloed had op de tektonische stroming in dezelfde gebieden. Interessant genoeg vonden zij geen correlatie tussen het gesmolten gesteente en de beweging van de platen, wat suggereert dat de aanwezigheid van deze gesteenten niet zo belangrijk is voor de tektonische stroming als andere krachten in de asthenosfeer, zoals temperatuur- en drukvariaties.

“De belangrijkste bevinding van het artikel bestaat uit twee delen,” zei Hua. “De asthenosfeer die onder de lithosfeer ligt en de huidige plaatbewegingen mogelijk maakt, kan in het algemeen worden ingedeeld in twee types: ongeveer de helft ervan is heet genoeg, zodat naast vast gesteente ook enkele rotsen boven de 150 kilometer worden gesmolten, terwijl de andere helft grotendeels zuiver vast is.”

“Hoewel ze gedeeltelijk gesmolten zijn, hebben die smeltingen, contra-intuïtief gezien, geen significante invloed op hoe de platentektoniek tot uiting komt, wat betekent dat de fysica van de vervorming van vast gesteente nog steeds de plaatbeweging bepaalt,” merkte hij op.

Naast het blootleggen van een nieuwe aardlaag, zou dit onderzoek modellen van platentektoniek kunnen vereenvoudigen door de invloed van gesmolten gesteente te beperken. Het nieuwe onderzoek helpt ook om nieuw licht te werpen op de duistere onderste laag van de asthenosfeer, wat wetenschappers weer kan helpen bij het ontrafelen van de mysteries van het ontstaan van platentektoniek op onze planeet, en hoe gebruikelijk die is op andere planeten.

Aangezien deze bewegende delen het leven op aarde mede mogelijk hebben gemaakt, zal een volledig begrip ervan een essentieel onderdeel vormen van onze zoektocht naar buitenaards leven elders in het universum. In de tussentijd hopen Hua en zijn collega's de mysterieuze lagen van de asthenosfeer verder te onderzoeken met seismische gegevens uit verder afgelegen gebieden, zoals de oceanen.

“Een toekomstige stap zou zijn om de oceaangebieden beter te bestuderen,” concludeerde Hua. “In deze studie gebruiken we voornamelijk seismische instrumenten op continenten, en hoewel we ook enkele instrumenten van eilanden in de oceaan hebben gebruikt, zijn er zeker enkele lacunes in de gegevens in de oceaan. Een mooie vervolgstudie zou dan ook zijn om andere soorten gegevens of seismische instrumenten op de oceaanbodem te gebruiken om deze kloof te overbruggen.”

Dit stuk verscheen oorspronkelijk op Motherboard.

Volg VICE België en VICE Nederland ook op Instagram.