Ooit was de aarde een grote gloeiende bol van vloeibaar magma. Het duurde lang voor hij afkoelde en ‘bewoonbaar’ werd. Maar niet zo lang als eerder werd gedacht.
Deze oceaan van magma bedekte niet alleen de hele Aarde, hij was ook duizenden kilometers diep. Heel langzaam begon die kolkende massa af te koelen. De snelheid waarmee dat gebeurde had effect op de vorming van de verschillende lagen in de planeet en de chemische samenstelling ervan.
Veel snellere afkoeling
Volgens eerder onderzoek duurde het honderden miljoenen jaren voordat het magma begon te stollen, maar een nieuwe studie van de Florida State University toont aan dat dit waarschijnlijk veel sneller ging, namelijk binnen slechts een paar miljoen jaar. “Deze oceaan van magma is een belangrijk onderdeel van de geschiedenis van de Aarde en deze studie helpt ons enkele fundamentele vragen hierover te beantwoorden”, zegt onderzoeker Mainak Mookherjee.
Kristallen
Het meeste magma in de Aarde is tussen de 650 en 1200 graden warm en bestaat uit vloeibare silica met opgeloste ionen van alkalimetalen, zoals natrium en kalium, aardalkalimetalen, zoals magnesium en calcium, en ijzer. Als magma afkoelt, vormt het kristallen. Waar deze kristallen eindigen, hangt af van hoe stroperig of viscoos het magma is en van de dichtheid van de kristallen. Je kunt je voorstellen dat kristallen met een hogere dichtheid eerder zinken. Zo veranderen ze de samenstelling van het overgebleven magma. De snelheid waarmee het magma stolt hangt af van hoe stroperig het is: als het magma dikker en vaster is van structuur duurt het langer voor het is afgekoeld dan wanneer het minder stroperig is.
Hitte en hoge druk
Net als eerder onderzoek zijn ook nu standaardmethoden gebruikt om de hoge druk en hoge temperaturen van het binnenste van de Aarde na te bootsen. Ook voerden wetenschappers experimenten uit om de extreme condities van de vroege Aarde te simuleren, maar het lukte nooit om die hoge druk te evenaren. In de vroegste geschiedenis van de planeet was de druk in de dieptes van de magma-oceaan zeker drie keer zo hoog als wat nu in experimenten kan worden bereikt. Om geen last te hebben van deze beperkingen togen de onderzoekers naar een speciaal onderzoekscentrum met supersnelle computers. Zo konden ze veel van de statistische onzekerheden uit eerdere studies elimineren.
“De Aarde is een enorme planeet, dus op grote diepte, is de druk waarschijnlijk heel erg hoog”, zegt onderzoeker Suraj Bajgain. “Zelfs als we de viscositeit van het magma aan het oppervlak kennen, zegt dat ons niet zoveel over de viscositeit op honderden kilometers diepte.”
Ander lava
Het onderzoek helpt daarnaast om de chemische diversiteit vast te stellen van de aardmantel. Het heeft aardwetenschappers lang verbaasd dat lava – de naam voor magma nadat het door het oppervlak van de Aarde is gebroken – afkomstig van de oceaanbodem en vulkanische eilanden zoals Hawaii en IJsland kristalliseert in basaltrotsen, die er vergelijkbaar uitzien, maar een andere chemische samenstelling hebben.
“Waarom hebben ze zo’n andere samenstelling?” vraagt Mookherjee zich af. “Aangezien alle lava van onder het aardoppervlak vandaan komt, betekent het dat de bron van het magma daar chemisch divers is. Hoe kon die chemische diversiteit ontstaan en hoe kon het zo lang blijven bestaan?”
Het antwoord is viscositeit
Het zijn allemaal vragen die verklaard kunnen worden aan de hand van de lage viscositeit van de magma-oceaan in de vroege historie van de Aarde. Minder stroperig magma leidde tot de snelle afscheiding van kristallen, die naar beneden zonken. Zo kon het magma op verschillende dieptes en locaties een andere chemische samenstelling krijgen, in plaats van dat het overal exact hetzelfde was.
Deze lage viscositeit impliceert ook dat het magma al binnen een paar miljoen jaar afkoelde en dat dit dus geen honderden miljoenen jaren duurde. Daarnaast betekent het dat er sprake was van kristalfractionatie. Dat wil zeggen dat er in het magma bepaalde mineralen kristalliseerden, terwijl de rest vloeibaar bleef. Daardoor verdwijnen er bepaalde onderdelen uit het magma waardoor de chemische samenstelling wijzigt.