Waarom heeft de Aarde continenten (en Mars niet)?

Basaltische, gesilificeerde lava van 3.41 miljard jaar oud. De typische kussenvorm als gevolg van het contact van de lava met zeewater is hier niet bewaard, maar afgeplat door de vervorming van het gesteente na de silificatie. De grijs-blauwe zones bestaan uit zuiver siliciium (SiO2) (Nondweni, Zuid-Afrika, courtesy of A. Hofmann and A. Wilson).

Van alle planeten in het zonnestelsel is de Aarde de enige die omvangrijke continenten heeft. Het oppervlak van de andere rotsachtige planeten (zoals Mars) bestaat voornamelijk uit basaltgesteenten zonder duidelijk te onderscheiden continenten. Hoe kunnen we dat verschil verklaren?

Al vele jaren houdt deze vraag het team van Luc André, onderzoeker en professor bij de ULB en hoofd van het departement Aardwetenschappen van het KMMA, in de ban. Een vraag die hij deelt met de onderzoeksgroepen van professoren Foley (Macquarie University Sydney, Australië) en Hofmann (University of Johannesburg, Zuid-Afrika).

De drie onderzoeksteams publiceerden een studie in Nature Geoscience die het belang onderstreept van het mechanisme waarbij de basaltgesteenten, bron waaruit de continenten zich hebben ontwikkeld, in silicium worden verrijkt bij het contact met de primitieve oceaan op Aarde. Dit was de missing link om eindelijk de continentvorming die uniek is aan onze de blauwe planeet, te kunnen verklaren.

Water, een noodzakelijke facilitator

Het grootste deel van de continentale korst waaruit de continenten vandaag bestaan, is meer dan drie miljard jaar geleden gevormd. Maar hoe gebeurde dat juist? Wetenschappers vermoedden dat de aanwezigheid van water op Aarde de cruciale factor was voor het ontstaan van de continenten: de gesteenten gevormd uit het smelten van de mantel, zouden bij contact met de primitieve oceaan gehydrateerd basalten doen ontstaan, die op hun beurt na opsmelten de continentale korst konden vormen.

Er was echter één groot probleem met dit model: naarmate gehydrateerde basalten naar de diepere delen van de aarde worden getransporteerd, verliezen ze geleidelijk aan water nog vooraleer ze smelten. Hoe is dan hun smeltproces te verklaren, en dus de vorming van de continentale korst?

De sleutel: het zware siliciumisotoop

De onderzoeksteams van professoren André, Foley en Hofmann ontdekten de sleutel tot het antwoord op deze vraag: de gehydrateerde, basaltachtige gesteenten werden verrijkt met silicium tijdens hun contact met de primitieve oceaan van de Aarde.

De wetenschappers onderzochten de oudste continentale gesteenten van het Afrikaanse continent in Zuid-Afrika (Barberton craton). Ze bepaalden hun silicium isotopensamenstelling door middel van een speciale massaspectrometer. Zo toonden ze aan dat de gesteenten waaruit de vroege continenten bestaan, een abnormaal hoge hoeveelheid van de silicium-30 isotoop bevatten. En dat kan alleen maar afkomstig zijn uit het zeewater uit die tijd.

Luc André, eerste auteur van de studie en onderzoeker aan het KMMA en de ULB, legt uit: “Water heeft een fundamentele maar indirecte rol gespeeld bij het ontstaan van de continenten. De interactie van het basalt op de vroege oceaanbodem met het oceaanwater, dat veel opgelost silicium bevatte, heeft ervoor gezorgd dat de gesteenten verrijkt werden met de silicium-30 isotoop. Het is deze overschot aan silicium als gevolg van de silificatie van de basaltgesteenten die ervoor zorgde dat het basalt op lagere temperaturen kon smelten wanneer het in de diepte, naar het binnenste van de aardbol werd getransporteerd. Het vroegtijdige verdwijnen van de oceanen op Mars vier miljard jaar geleden heeft wellicht precies deze silificatie verhinderd. En dat kan verklaren waarom er op Mars geen continenten zijn.”

Een onderzoek en samenwerking van lange duur

Dit onderzoek is uitgevoerd kunnen worden dankzij een multicollector plasma spectrometer, die in 2014 werd aangekocht dankzij een krediet van het FNRS in het kader van het samenwerkingsverband tussen de ULB en het KMMA. Met dit toestel kan silicium op zeer hoge temperatuur geïoniseerd worden (ca. 10 000°C). Zo kan de benodigde nauwkeurigheid (<0.05‰) bekomen worden om de subtiele verschillen in de isotopensamenstelling (relatieve percentages van de isotopen 28, 29 en 30 van silicium) van de gesteenten te bepalen.

“De isotopensamenstelling van silicium in zulke oude gesteenten meten is een oude droom die al teruggaat tot het einde van de jaren 1980. Deze ontdekking is dan ook het resultaat van een erg lang proces van bijna 30 jaar onderzoek”, licht Luc André toe. In 2003 al zette zijn team als eerste ter wereld de techniek op punt voor het analyseren van siliciumisotopen door spectrometrie.

Basaltische, gesilificeerde lava van 3.47 miljard jaar oud waarbij de ronde kussenvormige structuur, die resulteert uit het vrijkomen van de lava onder water, bewaard is gebleven. (Barberton, Zuid-Afrika, courtesy of A. Hofman and A. Wilson)