Braziliaanse diamanten verraden reservoir oeroud gesteente

Geologie Vulkanische eilanden als Hawaï ontstaan volgens een oude theorie uit een diep reservoir in de aardmantel. 24 diamanten uit Brazilië bevestigen dat idee.

Een aantal van de 24 ruwe diamanten die voor het onderzoek zijn gebruikt.
Een aantal van de 24 ruwe diamanten die voor het onderzoek zijn gebruikt. Foto Suzette Timmerman

24 ruwe diamanten uit de diepe ondergrond van Brazilië hebben inzicht gegeven in de evolutie van de aarde, en ook in haar huidige binnenste.

Geologen discussiëren al decennia over de vraag of zich diep in de aardmantel, de 2.900 kilometer dikke laag tussen de aardkorst en de aardkern, een afgeschermd reservoir bevindt dat rijk is aan onder meer helium-3, een stabiel isotoop van helium. Het reservoir zou een rol spelen bij de vorming van vulkanische eilanden zoals Hawaï, Samoa en IJsland. Isotopen zijn atomen van hetzelfde chemische element die verschillen in massa.

Minieme hoeveelheden

Volgens de ene theorie moet zo’n reservoir al heel snel na het ontstaan van de aarde, 4,5 miljard jaar geleden, zijn gevormd. Volgens andere theorieën strookt het bestaan ervan niet met ideeën over stromingen van gesteente in de mantel.

Met hun onderzoek aan 24 diamanten, afkomstig uit mijnen in het middenwesten van Brazilië, laat een groep geologen nu zien dat zo’n reservoir wel degelijk moet bestaan. Ze leiden dat af uit bepaalde isotopen van onder meer helium die ze in microscopische, ingesloten beetjes vloeistof in de diamanten aantroffen. De resultaten zijn deze vrijdag gepubliceerd in Science. „We weten alleen nog niet waar het reservoir zich precies in de mantel bevindt, hoe groot het is, en wat zijn exacte samenstelling is”, zegt Suzette Timmerman, eerste auteur van het artikel. Ze deed het onderzoek aan de Australian National University in Canberra.

Vulkanische eilanden

Het bestaan van zo’n reservoir diep in de mantel wordt al vermoed sinds geologen opvallende verschillen ontdekten in de samenstelling van twee typen basalt (een vulkanisch stollingsgesteente): het basalt waaruit sommige oceaanbodems – de zogeheten mid-oceanische ruggen – bestaan en het basalt van vulkanische oceaan-eilanden.

Met name de verhouding van de isotopen helium-3 en helium-4 is heel anders. „Bij de oceanische eilanden ligt die ratio tot wel zes keer hoger”, zegt Timmerman. Tegelijk varieert de verhouding helium-3/helium-4 in het basalt van vulkanische eilanden veel meer. In het basalt van mid-oceanische ruggen is die verhouding vrij stabiel.

Omdat helium-3 niet op aarde wordt gevormd, en alle in de aarde aanwezige helium-3 er bij zijn vorming moet zijn ingebracht, ontstond het idee dat zo’n reservoir al snel in de nog prille aarde is aangelegd. Uit het diepe reservoir zou af en toe een pluim opstijgen, waaruit dan een vulkanisch eiland ontstaat.

Diep in de aardmantel

Maar vanuit de seismologie is de reservoir-theorie aangevallen. Verbeterde beeldtechnieken maakten duidelijk dat aardplaten door tektoniek naar beneden kunnen worden geduwd en tot diep in de aardmantel kunnen zakken. Timmerman: „Het idee was dat in de miljarden jaren een van die zakkende platen een eventueel reservoir wel zou hebben geraakt en verstoord.”

Ook de metingen aan het basalt van vulkanische eilanden zorgden voor twijfels, zegt Timmerman. De verhouding helium-3/helium-4 was weliswaar hoog, maar de concentratie van de isotopen was erg laag. Timmerman: „Een diep reservoir van helium-3 suggereert dat zich daar een hoge concentratie bevindt. Daar wil je dan graag bewijs van terugvinden.”

Dat in het basalt maar zo weinig heliumgas zit, heeft te maken met een proces dat ontgassing heet. Als relatief warm gesteente vanuit de diepte naar het aardoppervlak opstijgt (denk aan een lavalamp) ondervindt het steeds minder druk. Op een gegeven moment scheiden gassen zich eruit af, ze vormen bellen. „In de laatste paar kilometer onder het aardoppervlak ontsnappen die gassen”, zegt Timmerman. Daarom is er in het basalt maar weinig van terug te vinden.

Gesteente van grotere diepte

Het was dus zaak om gesteente van grotere diepte te vinden. Dat is met die 24 diamanten nu gebeurd. De diamanten zijn weliswaar aan het aardoppervlak gemijnd, maar ze zijn ooit – „minder dan 500 miljoen jaar geleden” – op een diepte tussen de 410 en 660 kilometer gevormd. Bij de vorming van de diamanten zijn allerlei isotopen ingesloten geraakt.

In de diamanten meten de onderzoekers hoge concentraties van helium-3 en helium-4, en ook hoge verhoudingen helium-3/helium-4. Ze schrijven dat het een „direct bewijs” is dat er een rijke 3He/4He-bron moet zijn in de diepe mantel, in ieder geval dieper dan 410 kilometer. Zo is het bestaan van het diepe reservoir aangetoond.