Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

En lille læk i Jordens kerne

Jordens kerne er ikke så isoleret fra resten af kloden, som man hidtil har troet. En international forskergruppe anført af Aarhus Universitet har fundet ud af, at bittesmå mængder af jern fra kernen 2900 km. under os siver ud i kappen og helt op til vulkanøer på jordens skorpe.

29.04.2020 | Peter F. Gammelby

Glødende orange lavafontæner på sort baggrund.

Lavafontæner fra spalteudbruddet i Holuhraun i Island i september 2014. Sammensætningen af jernisotoper i basalten afspejler en læk i Jordens kerne. Foto: Joschenbacher - Eget arbejde, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/ w/index.php?curid=35599563

Grafik viser lagene i Jordens indre.

Skematisk tværsnit af Jordens Indre. 1. Jordskorpe (kontinental) 2. Jordskorpe (havbund) 3. Øvre kappe 4. Nedre kappe 5. Ydre kerne (flydende) 6. Indre kerne (solid) A: Skorpe-kappegrænsen (også kaldet Mohorovičić diskontinuiteten) B: Kerne-kappegrænsen (også kaldet Gutenberg diskontinuiteten). Det er her, de tunge jernisotoper ifølge det nye studie lækker over i Jordens kappe. C: Grænsen mellem den indre og ydre kerne. Grafik: Dake, CC BY-SA 2.5.

Det har længe været betragtet som umuligt, at materiale eller kemiske signaler fra Jordens kerne, som befinder sig 2.900 km under os, ville kunne nå jordens overflade.

I de senere år har forskning af grundstoffet wolfram imidlertid vist, at materiale fra kernen måske når jordens overflade via de såkaldte hotspots, som danner vulkanske øer som Island og Hawaii.

Og nu har forskere fra Danmark, USA og Canada brugt jern som et bevis for, at der faktisk kan ske transport af materiale fra kernen op gennem kappen til overfladen. Eller rettere: de har brugt forskellige udgaver af jern, nemlig isotoper (altså jernatomer med forskellige antal neutroner).

De har taget udgangspunkt i de særlige isotop-signaturer – altså fordelingen af forskellige wolfram og jernisotoper – som findes i den vulkanske bjergart basalt på oceanøer som Island og Hawaii.

Tungt jern flyder opad

"Det har vi fundet en forklaring på. Vi har vist, at isotopsammensætningen af jern i basalten på nogle oceanøer kan være en afspejling af, hvad der sker mellem jordens kerne og kappe. Jordens kerne består af 90 pct. jern, og en smule af det lækker ud i kappen,” siger Charles E. Lesher, som er professor for Earth System Petrology på Aarhus Universitet og leder af forskerholdet bag studiet, som er offentliggjort i Nature Geoscience.

Forklaringen er, at overgangen mellem Jordens kerne og kappe består af et tyndt lag (ingen ved præcist, hvor tykt laget er, men det er under 100 km.) hvor temperaturen falder dramatisk med ca. 1500 grader. Når det metalliske jern krydser dette lag, ændres dets kemi. I en proces, der kaldes termodiffusion, migrerer de lidt tungere jern-isotoper mod den lavere temperatur (altså væk fra kernen), mens de lettere jern-isotoper bevæger sig tilbage ned mod kernen. Således er der relativt flere tungere jern-isotoper i det jern, der når jordens kappe (se faktaboks).

Der findes fire naturligt forekommende og stabile jernisotoper, 54Fe, 56Fe (som der er langt mest af), 57Fe og 58Fe. Tallene angiver atomets masse. Når flydende jern fra kernen infiltrerer kerne-kappegrænsen, ændres sammensætningen, således at de lidt tungere jern isotoper, 57Fe og 58Fe, migrerer op mod Jordens kappe og de lettere isotoper, 54Fe og 56Fe, tilbage mod Jordens kerne.

Det har Leshers hold fundet ud af ved at simulere processen i eksperimenter under højt tryk og høje temperaturer. Eksperimenterne viste, at det kernemateriale, som krydser kerne-kappegrænsen, systematisk har en tydelig overvægt af tunge jernisotoper og peger i retning af den isotop-signatur, man finder i basalt fra vulkanøerne.

Hvad kan man ellers finde?

Forskernes computer-modelleringer viser desuden, at separationen af jernisotoper kan udvikles over en relativ kort geologisk tidskala, og at det modificerede kernemateriale derefter kan transporteres op gennem kappen af varmt opstigende materiale – ved en proces, der kaldes plumer og bedst kan illustreres ved den klassiske lavalampe – og til sidst nå jordens overflade via lava.

”Det nye og overraskende er, at det tyder på, at der er kontakt fra kernen helt op til skorpen. Vi har udviklet en model, der kan bruges til at undersøge signaler, som måske kommer fra Jordens kerne. Nu har vi set, at sådanne signaler fra jern i kernen kan komme op til jordens overflade. Så er spørgsmålet, hvad kan vi ellers lære om vores planet? Over 95% af jordens værdifulde metaller (såsom guld og platin) befinder sig i kernen; grundstoffer, som er af stor økonomisk og strategisk betydning,” siger Charles E. Lesher.


Yderligere information

Du kan læse den videnskabelige artikel i Nature Geoscience her: Iron isotope fractionation at the core–mantle boundary by thermodiffusion

Kontakt

Professor Charles E. Lesher
Institut for Geoscience
Aarhus Universitet
Mail: lesher@geo.au.dk
Mobil: 2382 3082    

Institut for Geoscience