Transition between the Pacific and African mantle domains beneath southwest Pacific marginal basins

Diep onder het aardoppervlak is de binnenkant van de planeet geen uniforme, kolkende soep. In plaats daarvan is deze verdeeld in uitgestrekte, duidelijke provincies die al honderden miljoenen jaren gescheiden zijn gebleven. Stel je de mantel voor als een gigantische, langzaam bewegende oceaan van gesteente. Al een lange tijd weten wetenschappers dat het gesteente onder de Stille Oceaan chemisch verschilt van het gesteente onder de Atlantische en Indische Oceaan. Dit verschil is een erfenis van hoe de tektonische platen van de aarde gedurende eonen hebben bewogen en tegen elkaar zijn gebotst. Terwijl platen diep in de mantel duiken, nemen ze stukken van de aardkorst met zich mee, wat de chemische samenstelling van het gesteente eronder verandert. Door de tijd heen creëerde dit proces een scherpe verdeling: aan de ene kant van de planeet bevindt zich een "Pacifische" stijl van mantel, terwijl de andere kant een "Afrikaanse" stijl bevat. De grote vraag voor geologen is geweest waar deze onzichtbare lijn precies loopt en hoe deze is verschoven terwijl de continenten dreven en de oceanen openden en sloten.

Een team van onderzoekers heeft nu deze grens getraceerd door de gesteenten van het zuidwestelijke Stille Oceaangebied, een regio waar de aardkorst al miljoenen jaren wordt uitgerekt en uiteenvalt. Door de chemische vingerafdrukken van oude lavaproefjes van de oceaanbodem te analyseren, ontdekten zij dat de scheidslijn tussen deze twee mantelwerelden niet op een vaste plek staat. In plaats daarvan heeft deze bewogen en geëvolueerd, gevormd door de complexe geschiedenis van subductiezones waar de ene plaat onder de andere glijdt. Hun werk onthult dat de grens niet slechts een eenvoudige lijn op een kaart is, maar een dynamische zone die in positie en diepte is veranderd door de tijd heen, waarbij een duidelijk verslag heeft achtergelaten in de gesteenten die daar zijn gevormd.

De wetenschappers concentreerden hun studie op een reeks bassins in de zuidwestelijke Stille Oceaan, waaronder de Tasmanzee, de Koraalzee en de Santa Cruz-bekken. Deze gebieden zijn bijzonder omdat ze ontstonden toen het oude continent Zealandia en het Australische continent uit elkaar begonnen te trekken. Terwijl het land uitrekte en de oceaanbodem zich spreidde, steeg magma vanuit de diepte van de aarde op om de gaten te vullen, waardoor nieuw gesteente werd gecreëerd. De onderzoekers verzamelden monsters van dit gesteente, specifiek kijkend naar mid-ocean ridge basalten, wat de meest voorkomende soort lava is die op de oceaanbodem wordt gevonden, en oceaneilandbasalten, die vergelijkbaar zijn met de lava's die worden gevonden bij vulkanische eilanden zoals Hawaï. Zij dateerden deze gesteenten om te bepalen wanneer ze zijn gevormd, waarbij sommige monsters zo oud waren als 84 miljoen jaar en andere zo jong als 22 miljoen jaar.

Om de oorsprong van deze gesteenten te begrijpen, mat het team de ratio's van specifieke elementen binnen hen, zoals strontium, neodymium, lood en hafnium. Deze elementen fungeren als een chemische identiteitskaart voor de bron in de mantel. De onderzoekers vonden een duidelijk patroon: de gesteenten uit de oudere, continentale marginale bassins, die vormden tussen 84 en 50 miljoen jaar geleden, droegen de chemische signatuur van het "Afrikaanse" manteldomein. Dit was het geval, ondanks dat deze bassins zich in de Pacifische regio bevinden. In contrast hiermee vertoonden de jongere gesteenten, gevormd na 50 miljoen jaar in de oceanische bassins verder naar het oosten, de duidelijke signatuur van de "Pacifische" mantel. Deze verschuiving suggereert dat de grens tussen de twee manteldomeinen ooit verder naar het oosten lag, direct langs de rand van het continent Zealandia, voordat deze naar de huidige positie bewoog.

De studie onderzocht ook de diepere delen van de mantel door gesteenten te bestuderen die zijn gevormd uit hotspots, oftewel pluimen van heet materiaal die opstijgen vanuit de diepste lagen van de mantel. De onderzoekers ontdekten dat de hotspots in het noorden, zoals de Tasmantid- en Lord Howe-ketens, gesteenten produceerden met een chemische signatuur die bekend staat als EM-1, die geassocieerd wordt met het verrijkte Afrikaanse manteldomein. Echter, de hotspots in het zuiden, nabij de marges van Zealandia en Antarctica, produceerden gesteenten met een andere signatuur genaamd HIMU, die gelinkt is aan de diepe Pacifische mantel. Dit geeft aan dat terwijl de bovenste laag van de mantel in deze regio werd gedomineerd door de Afrikaanse stijl, de diepe mantel eronder nog steeds van Pacifische aard was. De twee domeinen waren op elkaar gestapeld, wat een complex gelaagd effect creëerde.

Een van de belangrijkste bevindingen van het artikel is dat de grens tussen deze twee mantelwerelden niet wordt gedefinieerd door de moderne subductiezones die we vandaag de dag zien. Voor een lange tijd dachten wetenschappers dat de huidige subductiezone, waar de Pacifische plaat onder de Australische plaat duikt, de scheidslijn markeerde. Echter, het chemische bewijs uit de oudere gesteenten toont aan dat deze lijn ooit veel verder naar het oosten lag, langs de continentale marge van Zealandia. De onderzoekers betogen dat de beweging van de subductiezone in de loop der tijd, specifelijk een omkering in de richting van de subductie rond 5 hoog 50 miljoen jaar geleden, de grens naar het westen heeft geduwd. Deze beweging maakte het mogelijk dat de Pacifische mantel in het gebied stroomde dat voorheen werd gedomineerd door de Afrikaanse mantel.

Het onderzoek sluit ook verschillende andere verklaringen uit voor de chemische verschillen die in de gesteenten worden gezien. De onderzoekers overwogen of de menging van materialen van gesubduceerde sedimenten of het uiteenvallen van de oude continentale korst de patronen zou kunnen verklaren, maar de gegevens ondersteunden deze ideeën niet. In plaats daarvan wijst het bewijs sterk naar de beweging van de manteldomeinen zelf als de primaire drijfveer. De chemische signaturen zijn te onderscheidend en wijdverspreid om het resultaat te zijn van lokale contaminatie of kleinschalige menging. De patronen suggereren een grootschalig, globaal proces waarbij de diepe mantel gedurende honderden miljoenen jaren gescheiden is gebleven in twee afzonderlijke provincies.

Door de chemische gegevens te combineren met modellen van hoe de aardplaten door de tijd heen hebben bewogen, waren de onderzoekers in staat de geschiedenis van deze grens te reconstrueren. Zij stellen voor dat tijdens de tijd dat het supercontinent Pangea werd samengesteld, de langdurige subductie van de Pacifische plaat een ring van verrijkte mantel rond de Stille Oceaan creëerde. Deze ring fungeerde als een barrière, die de Pacifische en Afrikaanse manteldomeinen gescheiden hield. Naarmate de continenten uit elkaar gingen en de subductiezones verschoven, bewoog de grens tussen deze domeinen, maar het fundamentele chemische verschil bleef bestaan. De studie biedt een gedetailleerde kaart van hoe deze grens is geëvolueerd, en laat zien dat het een fundamenteel kenmerk is van de aardmantel dat door meerdere cycli van supercontinentvorming en -opbraak heeft standgehouden.

De implicaties van dit werk strekken zich uit voorbij het begrijpen van de geschiedenis van alleen de zuidwestelijke Stille Oceaan. Het biedt een nieuwe manier om naar de werking van de aarde op een wereldwijde schaal te kijken. Het feit dat deze manteldomeinen zo lang onderscheidend zijn gebleven, suggereert dat de binnenkant van de aarde stabieler en georganiseerder is dan voorheen werd aangenomen. De beweging van de grens is niet willekeurig, maar wordt gedreven door de grootschalige krachten van de platentektoniek. Dit helpt wetenschappers om de langetermijn evolutie van de planeet beter te begrijpen en hoe het diepe binnenste de oppervlakte beïnvloedt. De studie benadrukt ook het belang van het bekijken van zowel de ondiepe als de diepe delen van de mantel om een compleet beeld te krijgen, aangezien de twee lagen verschillend kunnen reageren en elk een ander deel van het verhaal vertellen.

Uiteindelijk schetst het onderzoek een beeld van een dynamische aarde waarbij de grenzen tussen haar interne provincies niet vaststaan, maar voortdurend worden hergevormd door de beweging van de platen daarboven. De chemische vingerafdrukken in de gesteenten van de zuidwestelijke Stille Oceaan dienen als een tijdcapsule, die de geschiedenis van deze bewegingen en de verschuiving van de manteldomeinen bewaart. De bevindingen bevestigen dat de verdeling tussen de Pacifische en Afrikaanse mantel een echte, fysieke grens is die in de loop der tijd heeft bewogen en een duidelijk spoor heeft achtergelaten in de gesteenten die daar zijn gevormd. Dit werk helpt de hiaten in ons begrip van de diepe binnenkant van de aarde op te vullen en biedt een helderder beeld van hoe de planeet zich in de afgelopen honderden miljoenen jaren heeft veranderd.