Een magma oceaan van 2.000 kilometer diep

In Hamburg is een stukje basalt uit de Stromboli-vulkaan sterk verhit en onder enorme druk gezet. Het gedrag van het nikkel in die rots vertelt iets over de vroege aarde. Die was veel heter.

Magma uit de diepte van de aarde stroomt na een vulkaanuitbarsting als gloeiende lava weg. United States Geological Survey

In de eerste honderd miljoen jaar van haar bestaan was de aarde zo heet dat haar buitenkant uit een laag magma bestond, honderden kilometers dik. Nu blijkt deze zogeheten magma oceaan nog veel dieper dan tot nog toe gedacht. „Misschien was hij wel tweeduizend kilometer diep”, zegt Wim van Westrenen, hoogleraar planetaire evolutie aan de Vrije Universiteit van Amsterdam. Hij werkte mee aan een onderzoek dat deze week werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Eerste auteur is Chrystèle Sanloup, verbonden aan het Centre for Science at Extreme Conditions aan de University of Edinburgh. Uit het feit dat de magma oceaan dieper was dan gedacht, zegt Van Westrenen, volgt dat de aarde in het begin veel heter was dan tot nu toe werd aangenomen.

De groep van acht aardwetenschappers kwam tot haar conclusie na experimenten aan een stuk basaltgesteente van het Italiaanse vulkaaneiland Stromboli. In een speciaal laboratorium in Hamburg stelden de wetenschappers stukjes basalt bloot aan oplopende en extreem hoge drukken (tot 60 GigaPascal, GPa, overeenkomend met een diepte in de aarde van 1.500 km: 600.000 atmosfeer). Met laserlicht werd de temperatuur van het basalt opgevoerd tot het volledig gesmolten was, bij temperaturen van wel 3.000 graden Celsius. Bij die extreme condities – die de interne aarde simuleren – bestudeerden de onderzoekers de bindingen tussen silicium- en zuurstofatomen, de meest voorkomende elementen in de aardmantel. En een veel minder voorkomend element: nikkel.

Ze deden dit soort onderzoek als eerste ter wereld. Eerder werden zulke proeven ook wel uitgevoerd, maar aan kunstmatig, gesmolten kwartsglas. Omdat dat zo zuiver is, kun je er betrekkelijk makkelijk aan meten. Van Westrenen: „Maar de kritiek is altijd dat gesmolten kwarts niet in de aarde voorkomt, dus wat zeggen de metingen dan?” Basalt komt wel in de aarde voor. Nadeel is dat het naast silicium en zuurstof allerlei andere elementen bevat, dat maakt metingen lastig, zegt Van Westrenen.

Nikkel bleek zich bij een druk hoger dan 35 GPa heel anders te gaan gedragen dan verwacht, zegt Van Westrenen. En dat leidde uiteindelijk tot de conclusie van die diepere magma oceaan. Hoe? Dat vergt eerst enige uitleg over de verdeling van nikkel in de aarde. We kunnen meten, zegt Van Westrenen, hoeveel nikkel er tegenwoordig in de aardkorst en de mantel zit. We weten ook, onder meer uit studies aan de samenstelling van meteorieten, hoeveel nikkel er totaal in de aarde zit. Zo kun je afleiden hoeveel er in de kern moet zitten. Met behulp van deze verdeling over de mantel en de kern, bereken je een verdelingscoëfficiënt – de concentratie van nikkel in de kern gedeeld door de concentratie nikkel in de mantel. Vervolgens probeer je na te gaan welke omstandigheden er vroeger, zo’n 4,5 miljard jaar geleden, op aarde moeten hebben geheerst om tot die verdeling te komen.

Nikkelverdeling

Het idee tot nu was: een magma oceaan van hooguit zo’n 1.000 kilometer diep, zegt Van Westrenen. Maar dat blijkt niet te kloppen. Want bij een druk boven de 35 GPa verandert opeens de manier waarop nikkel zich verdeelt tussen metaal, waaruit de kern bestaat, en silicaat, het belangrijkste bestanddeel van de mantel. Daarmee hielden de modellen nog geen rekening.

Die verandering in de nikkelverdeling, zo beschrijven de aardwetenschappers in Nature, heeft ermee te maken dat bij een druk vanaf 17 GPa de moleculaire structuur van gesmolten basalt langzaam begint te veranderen, totdat de gedaantewisseling bij een druk vanaf 35 GPa compleet is. Die structuurverandering beïnvloedt de de opname van nikkel in basalt bij hoge drukken.

Hoe het nieuwe beeld van de vroege aarde er precies zal uit ziet, kan Van Westrenen nog niet zeggen. „Maar de aarde is wel heter geweest dan we tot nu toe dachten.”