Forscher sagen voraus, wie schnell sich der alte Magmaozean verfestigte

Zu Beginn der Entstehung der Erde bedeckte ein Ozean aus Magma die Oberfläche des Planeten und erstreckte sich Tausende von Kilometern tief in seinen Kern. Die Geschwindigkeit, mit der dieser „Magmaozean“ abkühlte, beeinflusste die Bildung der unterschiedlichen Schichten innerhalb des Planeten und die chemische Zusammensetzung dieser Schichten.

Frühere Forschungen schätzten, dass es Hunderte von Millionen Jahren dauerte, bis sich dieser Magmaozean verfestigte, aber neue Forschungen der Florida State University wurden in veröffentlicht Naturkommunikation grenzt diese großen Unsicherheiten auf weniger als nur ein paar Millionen Jahre ein.

„Dieser Magmaozean war ein wichtiger Teil der Erdgeschichte, und diese Studie hilft uns, einige grundlegende Fragen über den Planeten zu beantworten“, sagte Mainak Mookherjee, außerordentlicher Professor für Geologie am Department of Earth, Ocean and Atmospheric Science.

Wenn Magma abkühlt, bildet es Kristalle. Wo diese Kristalle landen, hängt davon ab, wie viskos das Magma ist und von der relativen Dichte der Kristalle. Kristalle, die dichter sind, sinken wahrscheinlich ab und verändern so die Zusammensetzung des verbleibenden Magmas. Die Geschwindigkeit, mit der Magma erstarrt, hängt davon ab, wie zähflüssig es ist. Weniger viskoses Magma führt zu einer schnelleren Abkühlung, während ein Magmaozean mit dickerer Konsistenz länger zum Abkühlen braucht.

Wie diese Forschung haben frühere Studien grundlegende Prinzipien der Physik und Chemie verwendet, um die hohen Drücke und Temperaturen im tiefen Inneren der Erde zu simulieren. Wissenschaftler verwenden auch Experimente, um diese extremen Bedingungen zu simulieren. Aber diese Experimente sind auf niedrigere Drücke beschränkt, die in geringeren Tiefen innerhalb der Erde herrschen. Sie erfassen nicht vollständig das Szenario, das in der frühen Geschichte des Planeten existierte, wo sich der Magmaozean bis in Tiefen erstreckte, in denen der Druck wahrscheinlich dreimal höher ist als das, was Experimente reproduzieren können.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, führten Mookherjee und Mitarbeiter ihre Simulation bis zu sechs Monate lang in der Hochleistungsrechenanlage der FSU sowie in einer Rechenanlage der National Science Foundation durch. Dies beseitigte einen Großteil der statistischen Unsicherheiten in früheren Arbeiten.

„Die Erde ist ein großer Planet, daher ist der Druck in der Tiefe wahrscheinlich sehr hoch“, sagte Suraj Bajgain, ein ehemaliger Postdoktorand an der FSU, der jetzt Gastdozent an der Lake Superior State University ist. „Selbst wenn wir die Viskosität von Magma an der Oberfläche kennen, sagt uns das nicht die Viskosität Hunderte von Kilometern darunter. Das herauszufinden ist sehr schwierig.“

Die Forschung trägt auch dazu bei, die chemische Vielfalt im unteren Erdmantel zu erklären. Lavaproben – der Name für Magma, nachdem es die Erdoberfläche durchbrochen hat – von Graten am Meeresboden und Vulkaninseln wie Hawaii und Island kristallisieren zu Basaltgestein mit ähnlichem Aussehen, aber unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, eine Situation, die hat lange ratlos Erdwissenschaftler.

„Warum haben sie unterschiedliche Chemie oder chemische Signale?“ sagte Mookherjee. „Da das Magma von unterhalb der Erdoberfläche stammt, bedeutet dies, dass die Quelle des Magmas dort eine chemische Vielfalt aufweist. Wie hat diese chemische Vielfalt überhaupt begonnen und wie hat sie die geologische Zeit überdauert?“

Der Ausgangspunkt der chemischen Vielfalt im Mantel lässt sich erfolgreich durch einen Magmaozean in der Frühgeschichte der Erde mit geringer Viskosität erklären. Weniger viskoses Magma führte zu einer schnellen Trennung der darin suspendierten Kristalle, ein Prozess, der oft als fraktionierte Kristallisation bezeichnet wird. Dadurch entstand im Magma eher eine Mischung unterschiedlicher Chemie als eine einheitliche Zusammensetzung.

Der Doktorand Aaron Wolfgang Ashley von der FSU sowie Dipta Ghosh und Bijaya Karki vom Department of Geology and Geophysics der Louisiana State University waren Co-Autoren dieser Arbeit.