Vroeg in het voorjaar van 1961 begon een groep geologen een gat te boren in de zeebodem voor de Pacifische kust van Baja California. De expeditie, de eerste in zijn soort, was de eerste fase van een project dat bedoeld was om door de aardkorst te dringen en de onderliggende mantel te bereiken. Ze wisten niet dat hun inspanningen snel zouden worden overschaduwd toen John F. Kennedy in mei van dat jaar de race naar de maan lanceerde.
gerelateerde inhoud
- Inner Earth krioelt van exotische levensvormen
- We weten eindelijk hoeveel de Dino-dodende asteroïde de aarde heeft hervormd
- Hier is een zeer goede reden om diep in een actieve fout te boren
- Er kan een tweede massieve oceaan diep onder het oppervlak zijn
Tegen het einde van 1972, na miljarden dollars en via de collectieve inspanning van duizenden wetenschappers en ingenieurs, landden zes Apollo-missies op de baan van de aarde en brachten meer dan 841 pond maanrotsen en aarde mee naar huis.
Ondertussen bleven de aardgebonden geologen die droomden een glimp op te vangen van de innerlijke werking van de aarde met lege handen achter met de restanten van verschillende programma's dankzij bezuinigingen op de begroting.
Sinds de jaren 1960 hebben onderzoekers geprobeerd in de aardmantel te boren, maar hebben nog geen succes gehad. Sommige inspanningen zijn mislukt vanwege technische problemen; anderen zijn ten prooi gevallen aan verschillende soorten pech - inclusief, zoals achteraf ontdekt, het kiezen van ongelegen plekken om te boren. Niettemin hebben die inspanningen aangetoond dat de technologie en expertise om naar de mantel te boren bestaat. En nu boort de eerste fase van de meest recente poging om dit belangrijke deel van onze planeet te bereiken, door een dun stuk oceaanbodem in de zuidwestelijke Indische Oceaan.
Maak je geen zorgen: wanneer de boormachines uiteindelijk de mantel doorboren, zal heet gesmolten gesteente het gat niet oplopen en in een vulkaanuitbarsting op de zeebodem morsen. Hoewel mantelrotsen wel stromen, doen ze dat met een snelheid die lijkt op de groeisnelheid van een vingernagel, zegt Holly Given, een geofysicus bij Scripps Institution of Oceanography in San Diego.
De mantel is het grootste deel van deze planeet die we thuis noemen, maar wetenschappers weten er relatief weinig van door directe analyse. Het dunne laagje korst waarop we leven, maakt ongeveer een procent uit van het volume van de aarde. De binnenste en buitenste kern - vaste en vloeibare massa's die grotendeels zijn gemaakt van ijzer, nikkel en andere dichte elementen - beslaan slechts 15 procent van het volume van de planeet. De mantel, die tussen de buitenste kern en de korst ligt, maakt naar schatting 68 procent van de planeetmassa uit en maar liefst 85 procent van zijn volume.
Beschouw de mantel als een lavalamp ter grootte van een planeet waar materiaal warmte opneemt aan de grens van de kernmantel, minder dicht wordt en in drijvende pluimen naar de onderste rand van de aardkorst stijgt en vervolgens langs dat plafond stroomt totdat het afkoelt en zinkt terug naar de kern. De circulatie in de mantel is uitzonderlijk loom: volgens één schatting kan een retour van korst naar kern en weer terug zo lang als 2 miljard jaar duren.
Het verkrijgen van een ongerept stuk van de mantel is belangrijk omdat het planetaire wetenschappers zou helpen om beter te weten te komen uit welke grondstoffen de aarde toenam toen ons zonnestelsel jong was. "Het zou grondwaarheid zijn voor waar de wereld van is gemaakt", zegt Given. De samenstelling zou ook aanwijzingen geven over hoe de aarde aanvankelijk werd gevormd en hoe deze evolueerde naar de meerlagige bol die we vandaag bewonen, zegt ze.
Wetenschappers kunnen veel over de mantel afleiden, zelfs zonder een monster. De snelheden en paden van door aardbevingen gegenereerde seismische golven die door de planeet passeren, geven inzicht in de dichtheid, viscositeit en algemene kenmerken van de mantel, evenals hoe die eigenschappen van plaats tot plaats variëren. Dat geldt ook voor de snelheid waarmee de aardkorst omhoog springt na te zijn belast door massieve ijskappen die onlangs (in geologische termen) zijn gesmolten.
Metingen van de magnetische en zwaartekrachtvelden van onze planeet geven nog meer informatie, waardoor de soorten mineralen die in de diepte kunnen worden gevonden, worden beperkt, zegt Walter Munk, een fysieke oceanograaf bij Scripps. De wetenschapper, nu 98, maakte deel uit van een kleine groep onderzoekers die voor het eerst op het idee kwam om in de mantel te boren in 1957. Maar deze indirecte methoden kunnen een wetenschapper slechts zoveel vertellen, merkt hij op. "Er is geen vervanging voor het hebben van een deel van wat je wilt analyseren in je handen."
Onderzoekers hebben voorbeelden van de mantel in de hand, maar ze zijn niet ongerept. Sommigen van hen zijn stukjes rots die naar het aardoppervlak worden gedragen door uitbarstende vulkanen. Anderen werden omhoog geheven door botsingen tussen tektonische platen te verkruimelen. Weer anderen zijn gestegen naar de zeebodem langs langzaam verspreidende mid-oceanische ruggen, zeggen geologen Henry Dick en Chris MacLeod. Dick, van de Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts, en MacLeod, van Cardiff University in Wales, zijn co-leiders van de diepborende expeditie die zich net in de zuidwestelijke Indische Oceaan bevindt.
Alle huidige mantelmonsters zijn veranderd door de processen die ze naar het aardoppervlak hebben gebracht, aan de atmosfeer zijn blootgesteld of gedurende langere tijd in zeewater zijn ondergedompeld - mogelijk al het bovenstaande. Die mantelmonsters die zijn blootgesteld aan lucht en water hebben waarschijnlijk enkele van hun gemakkelijker opgeloste originele chemische elementen verloren.
Vandaar het grote verlangen om een onbezoedeld stuk mantel te bemachtigen, zegt Dick. Eenmaal beschikbaar, konden wetenschappers de algehele chemische samenstelling van een monster analyseren, evenals de mineralogie, de dichtheid van het gesteente bepalen en bepalen hoe gemakkelijk het hitte en seismische golven geleidt. De resultaten kunnen worden vergeleken met de waarden afgeleid uit indirecte metingen, die deze technieken valideren of betwisten.
Boren helemaal tot aan de mantel zou ook geologen een blik geven op wat zij de discontinuïteit Mohorovičić noemen, of kortweg Moho. Boven deze mysterieuze zone, genoemd naar de Kroatische seismoloog die het in 1909 ontdekte, reizen seismische golven met ongeveer 4, 3 mijl per seconde, een snelheid die consistent is met die golven die door basalt of gekoelde lava reizen. Onder de Moho scheuren de golven voort met ongeveer 5 mijl per seconde, vergelijkbaar met de snelheid die ze door een kiezelarm type stollingsgesteente, peridotiet genaamd, afleggen. De Moho ligt meestal tussen de 3 en 6 mijl onder de oceaanbodem en ergens tussen de 12 en 56 mijl onder de continenten.
Deze zone wordt al lang beschouwd als de grens van de korstmantel, waar materiaal geleidelijk afkoelt en kleeft aan de bovenliggende korst. Maar sommige laboratoriumstudies suggereren dat het mogelijk is dat de Moho de zone vertegenwoordigt waar water dat uit de bovenliggende korst sijpelt, reageert met mantelperidotieten om een soort mineraal te creëren dat serpentine wordt genoemd. Deze mogelijkheid is opwindend, suggereren Dick en MacLeod. De geochemische reacties die serpentine genereren, produceren ook waterstof, dat vervolgens kan reageren met zeewater om methaan te produceren, een energiebron voor sommige soorten bacteriën. Of, merken de onderzoekers op, de Moho kan iets heel anders zijn dat de wetenschap niet kent.
De sleutel tot het ontsluiten van de geheimen van de mantel is om de juiste locatie te vinden om te boren. Mantelmateriaal stijgt naar de oceaanbodem op mid-oceanische ruggen, waar tektonische platen langzaam uit elkaar drukken. Maar die voorbeelden doen het gewoon niet. Door een paar kilometer korst onder de oceaanbodem te werken, verandert het materiaal aanzienlijk, waardoor het mantelmonster niet representatief is voor wat diep in de aarde is. En dieper boren in een van deze richels is ook problematisch, zegt Dick. "Op een oceaanrug of de onmiddellijke flanken is de korst te heet om meer dan ongeveer een of twee kilometer te boren."
Dus boren hij en zijn collega's op een plek in de zuidwestelijke Indische Oceaan, Atlantis Bank genaamd, die ongeveer 808 mijl ten zuidoosten van Madagaskar ligt. Vele factoren maken deze locatie een uitstekende plek voor de expeditie om te boren, zegt Dick.
Structurele geoloog Carlotta Ferrando onderzoekt enkele kernen op breuken en aders die haar kunnen vertellen of de rotsen zijn vervormd. (Bill Crawford, IODP JRSO) 
De kleine, vervormde minerale korrels in dit monster van de onderste korst, dun gesneden en ingeklemd tussen materialen zodat het gepolariseerd licht doorlaat, vertellen hoe het gedeeltelijk gesmolten gesteente werd geperst en uitgerekt toen het opsteeg naar de zeebodem bij Atlantis Bank. (Bill Crawford, International Ocean Discovery Program) 
Geoloog James Natland (links) en expeditie co-hoofdwetenschappers Henry Dick (midden) en Chris MacLeod (rechts) kijken naar wat het team gelooft als de breedste kern ooit hersteld door het oceaanboringsprogramma. (Benoit Ildefonse, IODP) In de eerste plaats ligt dit stuk zeebodem in Denver-formaat op een oceaanbodem van ongeveer 11 miljoen jaar oud, waardoor het koel genoeg is om in te boren. Voor een ander is de bovenkant van de oever een plateau van 9, 7 vierkante kilometer dat zich op 2.300 voet van het oceaanoppervlak bevindt. Dat maakt het tikken op de oceaanbodem daar, in tegenstelling tot de 3, 7-mijl diepe zeebodem in de buurt, een no-brainer. Sterke zeestromingen in het gebied hebben ervoor gezorgd dat sedimenten zich niet ophopen op de zeebodem, waardoor de korst daar grotendeels zichtbaar bleef. Het is ook relatief dun - een eerder seismisch onderzoek van het gebied vond dat de korst daar slechts 2, 5 km dik is.
Bovendien vormde de oceaankorst onder Atlantis Bank zich op een deel van de middenrichel, waar de bovenste lagen van de ontluikende korst zich in één richting vanaf de kloof verspreidden, terwijl de onderste lagen in de andere bewogen. Wetenschappers weten nog niet zeker hoe of waarom dit is gebeurd. Maar vanwege deze zogenaamde asymmetrische verspreiding, die waarschijnlijk optreedt bij een substantieel deel van de ruggen van de Midden-Oceaan ter wereld, is Atlantis Bank niet bedekt met broze lagen van de bovenste korst die kunnen breken en in een gat vallen tijdens het boren, zegt Dick. Dergelijk vuil kan de boor beschadigen of ervoor zorgen dat deze vastloopt, en het ook moeilijk maken om kleinere stukjes steen en modder uit het gat te spoelen.
Ondanks de voordelen van boren bij Atlantis Bank, heeft de expeditie te maken gehad met tegenslagen die veel oceaanboringsprojecten gemeen hebben. Problemen met het laden van het schip vertraagden het vertrek van het team uit Colombo, Sri Lanka met een dag. Eenmaal ter plaatse brak het team een boor, maar voordat ze de stukken uit hun gat konden vissen, moesten ze zich inpakken en een ziek bemanningslid naar het noorden in de richting van Mauritius brengen om een helikopter aan wal te ontmoeten voor een medische evacuatie. Het schip, genaamd de JOIDES-resolutie, keerde na bijna een week weg terug en moest vervolgens een paar dagen doorbrengen met behulp van een sterke magneet om te proberen de stukken van hun gebroken boor terug te halen.
Ze hebben die ontbrekende stukjes nooit gevonden. Maar tijdens een laatste poging met behulp van een sterk vacuüm om ze op te slurpen, bracht de expeditie terug wat mogelijk de brok oceaan korst is met de grootste diameter ooit hersteld. De cilinder van donker, grofkorrelig gesteente, genaamd gabbro, is 7 inch breed - drie keer de normale grootte - en 20 inch lang.
De doeldiepte van het team voor deze expeditie was 4265 voet in de korst, nauwelijks halverwege de mantel. Helaas had het boren vanaf 22 januari slechts een diepte van 2330 voet onder de zeebodem bereikt.
Tegen de tijd dat dit artikel wordt gepubliceerd, zullen booroperaties worden afgerond bij Atlantis Bank - voor dit deel van het project. Een tweede, reeds goedgekeurde poot van de missie zou hopelijk de taak voltooien en de mantel aanboren. Maar dat kan vanaf nu twee tot vijf jaar zijn. De concurrentie om scheepstijd van andere teams die elders in de wereld willen boren is hevig, zegt Dick.
Het wetenschapsteam zal de eerste fase van dit project echter niet met lege handen verlaten, zegt MacLeod. Het terugwinnen van monsters uit de aardkorst is ook belangrijk. "We hebben geen idee wat de bulk samenstelling van de oceaanbodem is op elke plaats op de wereldbol", zegt Dick. Lagere korstrotsen die eerder zijn teruggevonden op andere diepteboringen, zijn niets geweest zoals onderzoekers hadden verwacht, zegt hij.
Het Atlantis Bank-project zou een blik werpen op de chemische samenstelling van de onderste korst. En een volledig profiel door de hele laag zou wetenschappers helpen begrijpen hoe magma's daar chemisch en fysiek worden getransformeerd - inclusief hoe mantelrotsen kristalliseren en zich hechten aan het onderste oppervlak van de korst.
Zodra onderzoekers uiteindelijk hun mantelmonster krijgen, kunnen andere teams het project meenemen met eigen experimenten, zegt MacLeod. "Toekomstige expedities laten misschien jarenlang instrumenten door het gat vallen." Bijvoorbeeld, seismologen kunnen sensoren naar het kilometers diepe gat sturen en vervolgens direct de snelheden meten van seismische golven die door de aardkorst pulseren, in plaats van ze via laboratorium af te leiden testen op kleine monsters rots. Onderzoekers kunnen ook een reeks temperatuursensoren in het gat laten zakken om de warmtestroom vanuit het binnenland van onze planeet te meten.
Ongetwijfeld zullen de monsters van oceaankorst en mantel die uiteindelijk zijn opgehaald bij Atlantis Bank - evenals gegevens die zijn verzameld uit het achtergelaten gat - geologen en geofysici nog tientallen jaren bezig houden. Maar geduld is een deugd, en hun tijd afwachten is wat Dick, MacLeod en hun geofysische broeders al tientallen jaren doen.
Noot van de redactie: dit artikel is bijgewerkt om de toeschrijving van een seismisch onderzoek van Atlantis Bank te corrigeren.
