Een baanbrekende reis om in rotsen op de bodem van de Atlantische Oceaan te boren, heeft wetenschappers het beste inzicht tot nu toe gegeven in hoe de aarde er onder haar korst uit zou kunnen zien.

Onderzoekers hebben een vrijwel ononderbroken monster van 1268 meter lang groen, marmerachtig gesteente verzameld uit een gebied waar de aardmantel – de dikke binnenlaag die meer dan 80% van de planeet uitmaakt – de oceaanbodem is binnengedrongen. De repetities, die plaatsvinden op 8 augustusWetenschapbeschreven, bieden ongekend inzicht in de processen die tot korstvorming leiden.

‘We hadden een verhaal in ons hoofd’ over hoe dergelijke rotsen eruit moesten zien, maar het is compleet anders als ‘je het daar op een tafel ziet liggen’, zegt Natsue Abe, een petroloog bij het Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology in Yokohama.

De prestaties van de expeditie zijn een ‘fantastische mijlpaal’, zegt Rosalind Coggon, marien geoloog aan de Universiteit van Southampton, VK. “Oceaanboringen bieden de enige toegang tot monsters diep in de aarde, die van cruciaal belang zijn voor het begrijpen van de vorming en evolutie van onze planeet.”

Scientists in hard hats and face masks examine core samles in a lab on board JOIDES Resolution research vessel

De oceanische mantel van de aarde – het type korst dat voornamelijk onder de zeeën van de aarde wordt aangetroffen in plaats van onder de continenten – bestaat voornamelijk uit dicht, vulkanisch gesteente dat basalt wordt genoemd. Het is veel dunner en jonger dan de continentale korst, omdat de rotsen voortdurend worden gerecycled door de bewegingen van tektonische platen.

Basalt ontstaat wanneer magma door onderzeese kloven langs mid-oceanische ruggen naar boven dringt. Het magma zelf is afkomstig van een proces dat gedeeltelijk smelten van de mantel wordt genoemd en dat grotendeels bestaat uit doorschijnende, groene, magnesiumrijke mineralen. Naarmate het materiaal in de mantel stijgt, daalt de druk erboven, waardoor sommige van deze mineralen smelten en microscopisch kleine films van magma tussen bergkristallen vormen.

Normaal gesproken barst alleen magma uit op de oceaanbodem. Maar op sommige plaatsen komt mantelgesteente ook naar de oppervlakte, waar het in contact komt met zeewater in een reactie die serpentinisatie wordt genoemd. Hierdoor verandert de structuur van het gesteente – waardoor het een marmerachtig uiterlijk krijgt – en komen er verschillende stoffen vrij, waaronder waterstof.

Gemakkelijk te boren

Bezocht in mei 2023JOIDES-resolutieeen plaats waar dit gebeurde: een onderwaterberg genaamd het Atlantismassief, gelegen ten westen van de mid-oceanische rug van de Atlantische Oceaan. Het 143 meter lange schip is uitgerust met een 62 meter hoge kraan voor onderwaterboringen.

De onderzoekers aan boord besloten dat te doen Verloren stad om te boren, een locatie aan de zuidkant van het massief. De regio wordt gekenmerkt door hydrothermale ventilatieopeningen waarin microbiële extremofielen de ontsnappende waterstof gebruiken.

“We waren van plan slechts 200 meter te boren, omdat dat de diepste plek was waar mensen ooit in mantelgesteente hadden kunnen boren”, zegt Johan Lissenberg, een petroloog aan de Universiteit van Cardiff, Verenigd Koninkrijk. Maar het boren was verrassend eenvoudig en drie keer sneller dan normaal, en het leverde lange, ononderbroken cilinders van steen op die kernen werden genoemd. “Dus hebben we besloten om door te gaan”, zegt Lissenberg. Het team stopte pas toen de expeditie volgens schema eindigde.

De onderzoekers hebben inmiddels hun eerste resultaten gepubliceerd. "Wat we rapporteren is letterlijk wat je op het schip kunt doen. Een team van dertig wetenschappers die zich twee maanden lang dag en nacht over de kernen buigen en stap voor stap documenteren hoe ze tevoorschijn komen."

Deep-sea drilling: Diagram showing how researchers on a ship drilled into rock that originated in the Earth's mantle.

Toen wetenschappers de structuur van het gesteente gedetailleerd onderzochten, merkten ze 'schuine kenmerken' op, een kenmerkende signatuur van de heersende theorie over hoe magma zich van de mantel scheidt en onderdeel wordt van de korst, zegt Lissenberg. Het mantelgesteente werd ook afgewisseld met andere soorten gesteente in de kernen, wat erop wijst dat de grens tussen mantel en korst niet zo scherp is als seismografische gegevens doorgaans suggereren, zegt Jessica Warren, een geochemicus aan de Universiteit van Delaware in Newark. Deze resultaten samen “zijn cruciaal voor hoe we de vorming van tektonische platen in de oceanen begrijpen”, zegt ze.

Onzekere toekomst

De reis vormt de afsluiting van een waardige carrière van vier decennia voor deJOIDES-resolutie, dat de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) had gehuurd van een particulier bedrijf. Maar de NSF heeft aangekondigd dat zij de 72 miljoen dollar per jaar die het kost om het schip te exploiteren niet langer kan betalen nadat zij aan haar IODP-verplichtingen heeft voldaan, en dat het programma zal worden beëindigd. Dat zorgt ervoor dat sommige wetenschappers, vooral degenen aan het begin van hun carrière, onzeker zijn over de toekomst van het vakgebied, zegt Aled Evans, een mariene geoloog aan de Universiteit van Southampton.

Een resterende ‘grote uitdaging’ voor geowetenschappers is het boren door de basaltlaag en over de grens van de korst-mantel – de Mohorovičić-discontinuïteit of ‘Moho’ genoemd. Hierdoor zouden ze toegang kunnen krijgen tot maagdelijke mantelrotsen die niet hebben gereageerd met zeewater. “We hebben nog niet in de echte mantel geboord”, zegt Abe. De verrassend soepele boringen bij Lost City zijn een goed voorteken voor deze toekomstige pogingen van het Japanse onderzoeksschipChikyuzou kunnen worden uitgevoerd, voegt ze eraan toe. “Mantelrotsen vormen het meest voorkomende deel van onze hele planeet”, zegt Evans. “Het bemonsteren ervan zou van fundamenteel belang zijn om te begrijpen waar onze planeet van gemaakt is.”