Zoals alle andere aardse planeten (Mercurius, Venus en Mars) bestaat de Aarde uit vele lagen. Dit is het resultaat van planetaire differentiatie, waarbij dichtere materialen naar het centrum zinken om de kern te vormen, terwijl lichtere materialen zich rond de buitenkant vormen. Terwijl de kern voornamelijk uit ijzer en nikkel bestaat, bestaat de bovenste laag van de aarde uit silicaatgesteente en mineralen.
Dit gebied staat bekend als de mantel en beslaat het overgrote deel van het volume van de aarde. Beweging, of convectie, in deze laag is ook verantwoordelijk voor alle vulkanische en seismische activiteit op aarde. Informatie over de structuur en samenstelling van de aardmantel is ofwel het resultaat van geofysisch onderzoek, ofwel van directe analyse van gesteenten uit de aardmantel, of van blootgelegde aardmantel op de oceaanbodem.
Definitie:
De aardmantel bestaat uit silicaathoudend gesteente met een gemiddelde dikte van 2.886 kilometer en bevindt zich tussen de aardkorst en de bovenste kern van de aarde. De aardmantel beslaat 84% van het volume van de aarde, tegen 15% in de kern en de rest in de korst. Hoewel de mantel overwegend vast is, gedraagt deze zich als een viskeuze vloeistof omdat de temperaturen in deze laag dicht bij het smeltpunt liggen.
Onze kennis van de bovenmantel, met inbegrip van de tektonische platen, is afgeleid van analyses van aardbevingsgolven; warmtestroom-, magnetische en zwaartekrachtstudies; en laboratoriumexperimenten op gesteenten en mineralen. Tussen 100 en 200 kilometer onder het aardoppervlak ligt de temperatuur van het gesteente dicht bij het smeltpunt; gesmolten gesteente dat door sommige vulkanen tot uitbarsting komt, is afkomstig uit dit deel van de mantel.
Structuur en samenstelling:
De mantel is verdeeld in secties die zijn gebaseerd op resultaten van seismologie. Dit zijn de bovenmantel, die zich uitstrekt van ongeveer 7 tot 35 km van het aardoppervlak tot aan het aardoppervlak.7 mi) vanaf het oppervlak tot een diepte van 410 km (250 mi); de overgangszone, die zich uitstrekt van 410 tot 660 km (250 – 410 mi); de onderste mantel, die zich uitstrekt van 660 km tot een diepte van 2.891 km (410 – 1.796 mi); en de kern-mantelgrens, die een variabele dikte heeft (gemiddeld ~200 km of 120 mi).
In de bovenste mantel worden twee hoofdzones onderscheiden. De binnenste daarvan is de binnenste asthenosfeer, die bestaat uit plastisch vloeigesteente met een gemiddelde dikte van ongeveer 200 km (120 mi). De buitenste zone is het onderste deel van de lithosfeer, die bestaat uit stijf gesteente en ongeveer 50 tot 120 km dik is.
Het bovenste deel van de lithosfeer is de aardkorst, een dunne laag van ongeveer 5 tot 75 km dik, die van de aardkorst is gescheiden.6 mi) dik is, die van de aardmantel wordt gescheiden door de Mohorovicische discontinuïteit (of “Moho”, die wordt gedefinieerd door een sterke toename naar beneden van de snelheid van aardbevingsgolven).
Op sommige plaatsen onder de oceaan ligt de aardmantel daadwerkelijk bloot. Er zijn ook een paar plaatsen op het land waar mantelgesteente door tektonische activiteit naar de oppervlakte is geduwd, met name de Tablelands-regio van het Gros Morne National Park in Newfoundland en Labrador, Canada, St. John’s Island, Egypte, of het eiland Zabargad in de Rode Zee.
In termen van de samenstellende elementen bestaat de mantel uit 44,8% zuurstof, 21,5% silicium, en 22,8% magnesium. Verder zit er ijzer, aluminium, calcium, natrium en kalium in. Deze elementen zijn allemaal gebonden in de vorm van silicaatgesteenten, die allemaal de vorm van oxiden aannemen. De meest voorkomende is siliciumdioxide (SiO2) met 48%, gevolgd door magnesiumoxide (MgO) met 37,8%. Voorbeelden van gesteenten die je in de mantel kunt aantreffen zijn: olivijn, pyroxeen, spinel en granaat.
Convectie:
Omdat er een temperatuurverschil is tussen het aardoppervlak en de buitenkern, is er een convectieve materiaalcirculatie in de aardmantel. Deze bestaat uit de langzame, kruipende beweging van de silicaatmantel van de aarde over het aardoppervlak, waarbij warmte uit het inwendige van de aarde naar het oppervlak wordt gevoerd. Terwijl heet materiaal naar de oppervlakte stijgt, zinkt koeler, zwaarder materiaal naar beneden.
De lithosfeer is verdeeld in een aantal platen die voortdurend worden gevormd en verbruikt aan hun tegenoverliggende plaatgrenzen. Neerwaartse beweging van materiaal vindt plaats in subductiezones, plaatsen op convergerende plaatgrenzen waar de ene mantellaag onder de andere beweegt. Accretie treedt op als materiaal wordt toegevoegd aan de groeiende randen van een plaat, hetgeen gepaard gaat met spreiding van de zeebodem.
Dit chaotische proces wordt verondersteld een integraal onderdeel te zijn van de beweging van platen, die op haar beurt aanleiding geeft tot continentale drift. Subductie van oceanische korst leidt ook tot vulkanisme, zoals blijkt uit de Pacific Ring of Fire.
Exploratie:
Wetenschappelijk onderzoek en exploratie van de aardmantel vindt over het algemeen plaats op de zeebodem, vanwege de relatieve dikte van de oceanische korst in vergelijking met de continentale korst. De eerste poging om de aardmantel te onderzoeken (bekend als Project Mohole) bereikte een diepste penetratie van ongeveer 180 meter (590 voet). Het werd in 1966 gestaakt na herhaalde mislukkingen en kostenoverschrijdingen.
In 2005 bereikte het oceaanboorschip JOIDES Resolution een boorgat dat 1.416 meter (4.646 ft) diep onder de zeebodem lag. In 2007 heeft een team van wetenschappers aan boord van het Britse onderzoeksschip RRS James Cook een studie uitgevoerd op een blootgelegd stuk mantel tussen de Kaapverdische Eilanden en de Caribische Zee.
In de afgelopen jaren werd een methode voorgesteld om de aardlagen te onderzoeken met behulp van een kleine, dichte, warmteproducerende sonde. Deze zou zijn weg door de korst en de mantel smelten en communiceren via akoestische signalen die worden opgewekt door zijn penetratie in de rotsen. De sonde zou bestaan uit een buitenmantel van wolfraam met een kern van kobalt-60, dat als radioactieve warmtebron fungeert.
Berekend werd dat een dergelijke sonde in minder dan 6 maanden de oceaan Moho zou bereiken en in enkele tientallen jaren onder zowel de oceaan als de continentale lithosfeer een minimumdiepte van meer dan 100 km zou bereiken. In 2009 heeft een supercomputerapplicatie een simulatie gemaakt die nieuw inzicht verschafte in de verdeling van minerale afzettingen vanaf het moment dat de aardmantel zich 4,5 miljard jaar geleden ontwikkelde.
Hoewel de aardmantel nog niet op significante diepte is onderzocht, is er de afgelopen eeuwen veel geleerd uit indirecte studies. Naarmate de menselijke verkenning van het zonnestelsel voortschrijdt, zullen we zeker meer te weten komen over aardse planeten, hun geologische gedrag en hun vorming.
We hebben hier bij Universe Today veel artikelen geschreven over het inwendige van de Aarde. Hier is er een over de aardmantel, de ontdekking van de binnenste kern van de aarde, Wat is het verschil tussen magma en lava, en een artikel over hoe de aardkern sneller draait dan de aardkorst.
Voor meer informatie kun je kijken bij de United States Geological Survey (USGS).
Astronomy Cast heeft ook een aflevering over dit onderwerp. Luister er hier naar, Aflevering 51: Aarde.