Wetenschappers hebben een enorme hoeveelheid stenen opgegraven uit de aardmantel, de laag onder de aardkorst. Een unieke vondst, die helpt om meer te weten te komen over de rol van de mantel bij het ontstaan van leven op aarde.
Ook gaat het ons meer leren over de vulkanische activiteit die ontstaat als de aardmantel smelt en hoe dit de wereldwijde cycli van belangrijke elementen zoals koolstof en waterstof aandrijft.
Het gaat om een bijna aaneengesloten stuk gesteente met een lengte van 1268 meter. Dit werd uit de aardmantel gehaald uit een zogenoemd tektonisch venster, een gedeelte van de zeebodem waar gesteenten uit de mantel aan de oppervlakte komen langs de Mid-Atlantische Rug, een grotendeels onderwater liggende bergketen in de Atlantische Oceaan.
Onderzoekers uit twintig landen
Al sinds de jaren 60 proberen wetenschappers dit gesteente naar boven te halen. Dat het eindelijk is gelukt is een prestatie van formaat. Er is aan gewerkt door een internationaal mariene onderzoeksteam uit meer dan twintig landen dat cilindrische monsters van sedimentgesteente uit de oceaanbodem haalt.
Hoofdonderzoeker professor Johan Lissenberg van de Cardiff University legt uit: “Toen we het gesteente vorig jaar terugvonden, was dat een grote prestatie in de geschiedenis van de aardwetenschappen, maar de echte waarde zit in wat de kernen van mantelgesteente ons kunnen vertellen over de samenstelling en evolutie van onze planeet. We onderzoeken de mineralen in het gesteente, evenals de chemische samenstelling.”
Minder pyroxeen
Al direct zagen de onderzoekers iets wat ze niet hadden verwacht. “Er is veel minder van het mineraal pyroxeen in de gesteenten aanwezig en de gesteenten hebben veel hogere concentraties magnesium dan we hadden gedacht. Het is beide het gevolg van een grotere hoeveelheid gesmolten materiaal dan we hadden voorspeld.” Dit smelten vond plaats toen de mantel vanuit de diepere delen van de aarde naar de oppervlakte steeg.
Aan Scientias.nl vertelt Lissenberg meer in detail: “Over het algemeen is de hoeveelheid orthopyroxeen lager dan verwacht en het zustermineraal clinopyroxeen is vrijwel afwezig. We denken dat dit komt doordat het deel van de mantel waar we hebben geboord in sterkere mate is gesmolten dan we hadden verwacht. Een intrigerende vraag is wanneer dit smelten plaatsvond: het kan recent zijn gebeurd in de afgelopen paar miljoen jaar, maar een deel van het smelten kan ook veel eerder in de geschiedenis van de aarde hebben plaatsgevonden. Als dat zo is, kan dit verklaren waarom het smelten sterker was dan we hadden verwacht. We kunnen dit nu testen met laboratoriummetingen van de monsters.”
Het voeden van vulkanen
Resultaten van verder onderzoek naar dit proces kunnen grote implicaties hebben voor het begrip van hoe magma wordt gevormd en leidt tot vulkanisme, claimen de onderzoekers. “We vonden ook kanalen waarlangs smelt door de mantel werd getransporteerd. Zo kunnen we de route van magma volgen nadat het wordt gevormd en opstijgt naar het aardoppervlak”, vertelt de professor.
“Dit is belangrijk omdat het ons vertelt hoe de mantel smelt en vulkanen voedt, vooral die op de oceaanbodem die verantwoordelijk zijn voor het merendeel van het vulkanisme op aarde. De gevonden gesteenten stellen ons in staat om de link te leggen tussen de vulkanen en de uiteindelijke bron van hun magma.”
Olivijn en zeewater
Ook wordt meer duidelijk over hoe olivijn, een veelvoorkomend mineraal in mantelgesteente, reageert met zeewater, waardoor een reeks chemische reacties ontstaat die waterstof en andere moleculen produceren waar leven uit kan ontstaan. Wetenschappers denken dat dit een van de onderliggende processen is geweest in de oorsprong van het leven op aarde. “Een hypothese over hoe leven is ontstaan, is dat biochemische paden begonnen door geochemische paden na te bootsen. Met andere woorden, de reeks chemische reacties die cellen uitvoeren om energie te krijgen (hun metabole paden) of informatie over te dragen (eiwitten), waren ooit dezelfde reeks chemische reacties die plaatsvonden zonder enige biologie, alleen door een mengsel van gesteenten, water en warmte”, legt onderzoeker Susan Q. Lang uit.
Zij vertelt verder: “Als olivijn en andere mineralen in mantelgesteenten worden blootgesteld aan water plus warmte, veranderen ze in andere mineralen en wordt er in dat proces H2 gevormd. Dat H2 is een fantastische energiebron die kan reageren met CO2 om kleine organische moleculen te vormen zonder tussenkomst van biologie. Wetenschappers hebben eerder een grote diversiteit aan kleine organische moleculen waargenomen in veel verschillende vergelijkbare omgevingen waar deze gesteenten reageren met water, en stellen dat sommige daarvan zonder biologie worden gevormd.”
De vroegste vormen van leven
Lang concludeert: “Hypothetisch gezien is het mogelijk dat sommige van deze organische moleculen die worden gevormd met alleen gesteenten plus water plus warmte dezelfde reeks organische moleculen zijn die nodig zijn voor biochemische processen, zoals acetaat, of voor informatieoverdracht, zoals aminozuren. Het identificeren van welke reeks organische moleculen in dit type natuurlijk systeem wordt gemaakt zonder tussenkomst van biologie, is het doel van toekomstig onderzoek. Omdat we zo diep konden boren, konden we ruim voorbij de oppervlakkige lagen komen waar biologie een rol speelt. Dit geeft ons de mogelijkheid om te zoeken naar chemische signalen waar de biologische invloed laag of afwezig is.”
Ze vat samen: “De gesteenten die aanwezig waren op de vroege aarde lijken meer op die we tijdens deze expeditie hebben teruggevonden dan de meer gebruikelijke gesteenten die tegenwoordig onze continenten vormen. Door ze te analyseren krijgen we een cruciaal inzicht in de chemische en fysieke omgeving in de vroege geschiedenis van de aarde, die een consistente bron van brandstof en gunstige omstandigheden bood over geologisch lange tijdsschalen om de vroegste vormen van leven te huisvesten.”
Vulkanen op Hawaii
Het internationale team van meer dan dertig wetenschappers van de JOIDES Resolution-expeditie zet hun onderzoek naar de teruggevonden boorkernen dus voort om een breed scala aan problemen aan te pakken. Denk aan de chemische uitwisseling tussen het gesteente van de mantel en zeewater, hoe deze reacties microben kunnen ondersteunen, en de grenzen en omvang van leven in de oceanische ondergrond. “In Cardiff analyseren we de overvloed aan sporenelementen en isotopen in monsters uit de kern om de samenstelling van de mantel te bepalen en dit te relateren aan de geschiedenis van het smelten. De mantel bevat verschillende samenstellingen, sommige geven aanleiding tot grote vulkanen zoals op Hawaï of de Canarische Eilanden, andere vormen lange vulkanische ketens op de oceaanbodem.”
“Een van de belangrijkste vragen is hoeveel verschillende samenstellingen er zijn en op welke schaal. Noodgedwongen hebben we altijd vulkanisch gesteente als proxy gebruikt, maar nu kunnen we direct naar de mantel kijken en dit op verschillende schalen onderzoeken”, aldus de onderzoekers.
De hele puzzel
De aardwetenschappers spreken in superlatieven over hun bevindingen. Lissenberg: “Eigenlijk is het feit dat we de gesteenten überhaupt hebben gevonden al spectaculair. We hadden alleen een gat van 200 meter gepland, gebaseerd op eerdere ervaringen met het boren in mantelgesteenten: normaal gesproken zijn die boorgaten vrij instabiel en is de daadwerkelijke terugwinning van de kern laag. Daarom hebben we eerder geen lange sectie van mantelgesteenten kunnen vinden. Als gevolg daarvan waren we tot nu toe grotendeels beperkt tot monsters die van de zeebodem zijn opgevist. We hebben veel geleerd van deze opgeviste monsters, maar het nadeel is dat ze geen ruimtelijke context en continuïteit bieden, dus het zijn slechts afzonderlijke stukjes van de puzzel, maar we hebben geen idee hoe we ze in elkaar moeten zetten. Onze lange en grotendeels continue sectie stelt ons in staat om de mantel in de context te bekijken en daardoor het hele plaatje te zien.”
Nog veel te ontdekken
Maar niet alleen de vondst zelf, ook de eerste bevindingen zijn indrukwekkend. “Tot nu toe zou ik zeggen dat de gedetailleerde documentatie van de mineralogische samenstelling van de mantel het bijzonderst is. Dit is de eerste keer dat we echt de ruimtelijke variatie van de mineralen van de mantel hebben kunnen bekijken, en de variaties die we vonden waren veel groter dan we hadden verwacht. Vooral het mineraal orthopyroxeen was op verschillende schalen, van centimeters tot honderden meters, overvloedig aanwezig. We relateren de variaties van orthopyroxeen aan de stroming van gesmolten materiaal door de bovenmantel: terwijl de bovenmantel omhoogkomt, smelt die, en dit gesmolten materiaal stijgt dan op naar het oppervlak om vulkanen te voeden”, klinkt het tot besluit.
De onderzoekers staan nog maar aan het begin van hun zoektocht naar alle kennis en inzichten die het gesteente verborgen houdt, maar de eerste resultaten zijn al veelbelovend.
