Helium i Jordas dype indre (og i 17. mai-ballonger)

Av: Reidar G. Trønnes, Naturhistorisk museum og Senter for Jordas utvikling og dynamikk, Universitetet i Oslo og Chris Erik Mohn og Katharine Eigenmann, Senter for Jordas utvikling og dynamikk, UiO.

Edelgassen helium har viktige bruksområder og etterspørselen er økende, særlig til nedkjøling av super-ledende elektromagneter.  Her fokuserer vi på undersøkelser av mobiliteten til helium gjennom  krystallstrukturen til Jordas mest utbredte mineral, bridgmanitt. Undersøkelsene våre legger grunnlaget for å forstå Jordas dype struktur, tidligste utvikling og dagens bevegelser (dynamikk).   

Helium er det nest letteste grunnstoffet, etter hydrogen.  Hydrogen (kjemisk symbol, H) og helium (He) er de to eneste grunnstoffene som ble dannet i store mengder i det store smellet (Big Bang) for 14 milliarder år siden. Innholdet av He i universet øker i forhold til H, fordi He dannes ved kjernefysisk fusjon i vanlige stjerner.  I dag består massen i solsystemet vårt av nesten 71% H, nesten 28% He og under 2% andre grunnstoffer.  Dette vil si at antallet H- og He-atomer utgjør henholdsvis 91,0 og 8,9%.  Resten av grunnstoffene i solsystemet utgjør under 0,2% av alle atomene!  Navnet helium kommer forøvrig fra det greske ordet for Sola, helios.

Egenskaper og bruk

På 17. mai stiger løsrevne heliumballonger mot himmelen, fordi både H2-molekylene og He-atomene er lettere enn molekylene av okygen og nitrogen som utgjør mesteparten av lufta.  Oppholdstiden til hydrogen og helium i lufta er svært kort og disse grunnstoffene unnslipper kontinuerlig til verdensrommet. 

Selv om det er enorme mengder av helium i Sola og de to store gassplanetene, Jupiter og Saturn, er det dyrt å fremstille rent He på Jorda. He konsentreres og fremstilles hovedsakelig ved kondensering av naturgass.  Flytende He ved et trykk på omtrent 1 bar holder en temperatur på 269 minusgrader (4 grader over det absolutte nullpunktet) og benyttes i superledende elektromagneter. Supermagneter brukes til mange forskningsformål og til medisinske MR-instumenter (magnetisk resonans) som benyttes til å studere menneskekroppens indre organer, skjelettet og muskulatur på sykehus og diagnose-klinikker.

Helium-isotopene i solsystemet og Jordas indre

Den mest utbredte He-isotopen, 4He, har to protoner og to nøytroner i atomkjernen, og dannes i stor skala ved radioaktiv nedbrytning av uran og thorium i vanlige bergarter, særlig i Jordas mantel som utgjør hele 65 volum% av planeten vår. Den andre He-isotopen, 3He, med bare ett nøytron, er ikke dannet ved radioaktiv nedbrytning, men finnes fremdeles i Jordas indre.  Likevel synker 3He/4He-forholdet i Jorda med tiden.  Fordi dette forholdet er så lavt som 0,00000139 i dagens atmosfære, normaliserer vi det ofte til atmosfære-forholdet, slik at dette blir 1.  Den øvre mantelen og basalt-lavaen som kommer opp langs midthavsryggene har et 3He/4He-forhold som er 8 ganger høyere enn atmosfæren.  Gassen i den ytre delen av Jupiter bevarer trolig solsystemets opprinnelige 3He/4He-forhold, og dette er 120.  Forskjellen mellom 120 og 8 reflekterer den radioaktive produksjonen av 4He i Jordas indre.

Basalt-lava som kommer fra vulkanene i store basaltprovinser og i aktive vulkansentre som Island, Hawaii, Galapagos, Samoa, Yellowstone og Kamerun har atmosfære-normaliserte 3He/4He-forhold som er mellom 8 og 120.  De aktive vulkansentrene skyldes vertikale kanaler med varmt oppstrømmende materiale, som begynner å smelte delvis når trykket reduseres til 3-5 gigapascal øverst i mantelen ved 100-160 km dyp.  Kanalene med de varme bergartsmassene starter like over grensen til Jordas kjerne på 2900 km dyp. De store basaltprovinsene kommer fra smeltevolumene som ble generert da hodet til en ny kanal nærmet seg overflaten.  De høyeste 3He/4He-forholdene målt på Jorda (cirka 50) er fra den Nord-Atlantiske basaltprovinsen. Dette betyr at det finnes bergartsmasser  i den nedre mantelen som har langt høyere 3He/4He-forhold enn i den øvre mantelen.  For å forstå strukturen og utviklingen av Jordas dype indre, er kunnskapen om slike bergartsmasser grunnleggende.

Helium-diffusjon og Jordas utvikling

Edelgassene har fulle elektronskall og vil derfor unngå kjemiske bindinger med andre grunnstoffer.  Fordi He-atomet er så lite, kan det hoppe ganske uhindret mellom de andre atomene (ionene) i faste og flytende materialer.  Mange av oss har erfart at He-ballonger skrumper inn og taper oppdriften sin i løpet av natten etter et selskap. Det skyldes at mange av He-atomene har sluppet gjennom den tynne gummi-membranen. He-atomene kan også bevege seg ganske lett mellom åpningene (ione-posisjonene) i et krystallgitter under svært høye trykk.  Diffusjonshastigheten for helium og den nest minste edelgassen, neon (Ne), er langt høyere enn for andre grunnstoffer i Jordas dype indre. Ved delvis oppsmelting og krystallisering i mantelen vil helium, neon, uran, thorium og de fleste andre sporelementene trekkes ut av krystallene og anrikes i smelten. Den høye mobiliteten til He og Ne tillater imidlertid at disse små edelgassatomene kan bevege seg tilbake til de bergartsmassene som er utarmet som følge av fjerning av en smelte.   

For å forstå fordelingen av He og Ne med varierende isotopforhold i ulike bergartsmasser i Jordas nedre matel, er godt fastlagte diffusjonshastigheter viktige.  Ved Senter for Jordas utvikling og dynamikk måler vi hyppigheten av hoppene til helium- og neon-atomer i bridgmanitt og ferroperiklas. Vi gjør molekyl-dynamiske simuleringer ved help av det norske tungregne-nettverket, NOTUR.  Basert på frekvensen av hoppene kan vi regne ut diffusjons-hastigheten.

Figur 1 illustrerer skjematisk hvordan He-atomene hopper mellom de store A-posisjonene i bridgmanitt, som er Jordas mest utbredte mineral.  Bridgmanitt utgjør tre firedeler av den nedre mantelen og dermed mer enn en tredel av hele Jorda. 

Se også blogginnlegget mitt fra 2014 på forskning.no, Jordas mest utbredte mineral har fått navn: bridgmanitt og artikkelen min, Jubileum for ny innsikt i Jordas dynamikk.

Figur 1. Forenklet fremstilling av hoppene til He-atomer gjennom krystallstrukturen til bridgmanitt. (Figur: R.G. Trønnes)
Figur 1. Forenklet fremstilling av hoppene til He-atomer gjennom krystallstrukturen til bridgmanitt. (Figur: R.G. Trønnes)

Resultatene våre gir rimelig høye diffusjonshastigheter for He og Ne. Ved en temperatur på 100 grader under smeltepunktet (smeltekurven) til mantel-bergarten peridotitt vil disse små edelgass-atomene bevege seg så raskt i bridgmanitt at smelte-utarmete, bridgmanittiske bergartsmasser med dimensjoner opp til 10 km kan bli oppladet og kanskje mettet i løpet av Hadeikum-epoken som omfatter de første 500 millioner år av Jordas historie. 

Det er imidlertid svært sannsynlig at de nederste 1200 km av mantelen (på 1700- 2900 km dyp) fremdeles inneholdt smelte gjennom mesteparten av Hadeikum.  Denne smelten er restene av Jordas tidligste magmahav som ble til da alt steinmaterialet smeltet som følge av varmeutviklingen mens Jorda vokste fra kolliderende små-planeter.  

I de nederste 1100 km av mantelen var smelten tyngre enn mineralene fordi den var anriket på jern og dessuten mer komprimerbar enn mineralene. Så lenge den nedre mantelen  inneholdt  smelte, ville temperaturen være nær smeltepunktet til bergarten peridotitt, og edelgassene kunne bevege seg enda litt raskere og lengre i de faste mineralene.

Jordas dype struktur og helium-kildene

De første bergartsmassene (kumulatene) som krystalliserte fra det nedre magmahavet ble dannet på cirka 1700 km dyp. Disse kumulatene av jern-fattig bridgmanitt var også sterkt utarmet  på uran (U), thorium (Th) og He.  I motsetning til U og Th som har ekstremt lav diffusjonshastighet i mantelmineraler, kunne He diffundere inn i bridgmanitt-krystallene etterhvert som He-konsetrasjonen steg i magmahavet og de sent krystalliserte bergartene i omgivelsene. 

Som vist i Figur 2, vil de sakte mantelstrømmene (konveksjon i fast fase) samle det bridgmanittiske materialet med høy viskositet (stor seighet) i mega-linser.  Slike linser og klumper med varierende størrelse og høye He/U, He/Th og 3He/4He-forhold er relativt stive (seige) og motstandsdyktige mot utdragning og ødeleggelse i rolige strømnings-celler (konveksjons-celler). 

Dermed kan linsene overleve gjennom hele eller mesteparten av Jordas 4.5 milliarder år lange historie. Det er imidlertid sannsynlig at mega-linsene kan eroderes av og inkorporeres i varme og sterke oppdriftsstrømmer som oppstår ulike steder med ujevne mellomrom.

Figur 2.  Struktur og bergartsdomener i Jordas mantel i dag (til høyre) og like etter at det nedre magmahavet hadde krystallisert i slutten av Hadeikum for ca. 4 milliarder år siden (til venstre). (Figur: R.G. Trønnes)
Figur 2.  Struktur og bergartsdomener i Jordas mantel i dag (til høyre) og like etter at det nedre magmahavet hadde krystallisert i slutten av Hadeikum for ca. 4 milliarder år siden (til venstre). (Figur: R.G. Trønnes)

Vi ser tydelige tegn til at høye 3He/4He-forhold i primitive basalter i flere vulkansentre og store basaltprovinser er knyttet magnesium-rike og utarmete kilder. De 62 millioner år gamle magnesium-rike basaltene fra Baffin Island og Vest-Grønland som representerer starten på den Nord-Atlantiske basaltprovinsen og hodet til den nåværende Islandskanalen fra kjerne-mantelgrensen, har de høyeste 3He/4He-forholdene som er målt på Jorda (opp til 50 ganger atmosfærisk). Sammenholdt med flere andre geokjemiske indikatorer, blant annet xenon- og wolfram-isotopsammensetningen, gir disse basaltene spennende innsikt i den aller tidligste utviklingen av Jordas dype indre.

Andre har foreslått alternative kilder for He med høyt 3He/4He-forhold i vulkansentre knyttet til dype oppdriftskanaler fra området like over kjernen. To store og antipodiske  provinser under Stillehavet og Afrika har lav seismisk hastighet og består sannsynligvis av materiale dominert av tung og jern-rik bridgmanitt, krystallisert fra de siste restene av det jern-anrikete magmahavet (Figur 2 og artikkelen, Jubileum for ny innsikt i Jordas dynamikk) Selv om disse provinsene er blitt foreslått som reservoarer for He med høyt 3He/4He-forhold, er det sannsynlig at de har så høyt innhold av U og Th at 4He-produksjonen gjennom Jordas historie har vært for høy.

Den flytende jern-legeringen i Jordas ytre kjerne kan være et He-reservoar, og dersom He-konsentrasjonen er rimelig høy samtidig som U- og Th-konsentrasjonene er meget lave i jern-smelten, vil kjernen kunne opprettholde et høyt 3He/4He-forhold. Eksperimentelle undersøkelser tyder på at kjerne-smelten kan ha høye He-innhold. 

Samtidig viser også noen andre eksperimenter at U kan gå inn i metall-smelten dersom oksygen-innholdet i det sam-eksisterende magmahavet med steinsmelte er ekstra lavt. Slike forhold kan være relevante for tidlige stadier av Jordas vekst og separasjon av en jern-smelte fra magmahavet. I de første 500-1000 millioner år av Jordas historie vil 3He/4He-forholdet under alle omstendigheter være ganske lavt. I en slik tidlig periode er det mulig at kjernen kunne bidra med He som kunne diffundere inn i områder med lave U- og Th-konsentrasjoner. 

Etterhvert som temperaturen i den nedre mantelen synker langt under smeltepunktet, blir imidlertid diffusjons-avstandene fra kjerne-grensen til de fleste mega-linsene av jern-fattig bridgmanitt trolig for store til at denne prosessen blir effektiv (Figur 2).