Ny model til transportbånd til dyb kappe i jordens kerne

Geofysikere ved Earth-Life Science Institute (ELSI) ved Tokyo Institute of Technology rapporterer i Naturgeovidenskab en ny model for eksistensen af ​​et dybtransportbåndsystem, der muligvis har fungeret inde i Jorden siden dets dannelse for omkring 4,5 milliarder år siden.

De fleste jordskælv, vulkaner, bjergbygning, spredning af havbunden, og andre store geologiske aktiviteter på Jorden er drevet af såkaldt pladetektonik, hvor store dele af jordskorpen bevæger sig som sammenhængende blokke - eller plader - der styrter sammen, trække fra hinanden, glide oven på hinanden, og passerer hinanden ved deres grænser. Under pladerne ligger den 3000 km tykke stenmantel, sammensat af varm bøjelig sten, der langsomt deformeres og knurrer under det enorme pres og temperaturer i det dybe indre. Denne bevægende bevægelse, eller kappe konvektion, virker til at fjerne varme fra Jordens indre, ligner cirkulationen i en langsomt kogende gryde med gryderet. Mantelkonvektion driver i sidste ende bevægelsen af ​​tektoniske plader. På tur, pladerne omrører også kappen, hvor de subduceres på grund af at de glider oven på hinanden, og synke gennem kappen til store dybder.

Forskere har længe spekuleret på, om Jordens kappe er godt blandet af denne omrøring og de snurrende konvektive bevægelser (kappe konvektion), eller hvis den nederste del af kappen er forskellig i sammensætning end den øvre del. At nogle plader er subduceret til selve bunden af ​​kappen, kørte 3000 km på omkring 200 millioner år, er traditionelt taget som bevis for en godt omrørt og blandet kogegryde.

Den dårligt blandede Jordens kappe gryderet

I denne forskning, forskerne tog en ny tilgang ved at overveje, om den kemiske sammensætning af kappeklipper påvirker den konvektive bevægelse. Nogle sten deformeres og flyder lettere end andre, opfører sig som vand i modsætning til væsker med høj viskositet, såsom honning. For eksempel, hældning af vand i en gryde med gryderet resulterer i, at vandet blandes med gryderetten, selv uden meget omrøring. Det er overflødigt at sige, det ville tage meget mere tid for honning at blande sig med gryderet. Især hvis dumplings sættes i gryderet, så blandes begge komponenter aldrig. Selvom dumplings generelt er deformerbare; den kogende gryderet flyder bare rundt om dumplingsne, fordi den er meget mere deformerbar, eller mindre tyktflydende, end dumplings.

Nu, i Jorden, lavere kappe-klipper opfører sig mere som stuvning end dumplings (eller mere som vand end honning) afhængigt af deres kemiske sammensætning. Hvis sten i den nedre kappe er relativt beriget med silica (eller SiO2, som også er hovedkomponenten i sand), de er mere tyktflydende og opfører sig mere som dumplings sammenlignet med silica-forarmede klipper, som er svagere og opfører sig mere som selve gryderet. Dette er spændende, fordi mange meteoritter, der betragtes som byggestenene på jorden, har et højere siliciumindhold end klipper i den øverste del af Jordens kappe. For at udgøre balancen af ​​silica-nedbrydning i de fleste kappe, der er blevet undersøgt, i det mindste nogle klipper i den nedre kappe skulle være relativt silica-rige. Så, Jordens kappe kan være lidt som en godt blandet, silica-tømt gryderet med nogle dårligt blandede silica-rige dumplings tæt på bunden.

For at studere den kogende bevægelse af kappe gryderet, Maxim Ballmer og hans kolleger på ELSI tilføjede et stærkt silica-rigt lag til numeriske simuleringer af kappekonvektion. De fandt ud af, at efter en større væltning af den oprindeligt pålagte lagdeling, kappen blev organiseret i store rulle-lignende konvektionsceller, hvor svage silica-udtømte klipper fylder den øvre kappe og cirkulerer omkring stærke silica-rige blokke i den nedre kappe langs et kæmpe transportbånd (figur 1).

Kæmpe blokke af gamle klipper gemt under Afrika og Stillehavet?

I simuleringerne dette mønster af konveksion forblev stabilt i mange milliarder år, og længere end Jordens alder. De stærke silica-rige blokke i den nedre kappe er sandsynligvis mere end 1000 km i diameter og 10, 000 km lang, udgør cirka 15% af kappeens masse. Ballmer og hans kolleger tror, ​​at de er skjult langt under Afrika og Stillehavet, formet som kæmpepølser eller donuts.

Eksistensen af ​​sådanne stærke domæner kan forklare, hvorfor nogle af de subducerede plader ikke synker mod bunden af ​​kappen, men snarere dam på mellemliggende dybder, hvor de støder på de stærke pølser eller donuts. Den langsigtede stabilitet af disse domæner kan yderligere redegøre for den geokemiske mangfoldighed af dybt hentede lavas på jordens overflade. Mens nogle lavas er relateret til smeltning af kappe, der er blevet genanvendt fra skorpen nær overfladen og cirkuleret gennem kappen, andre sporer beviser for gamle domæner, der har undgået cirkulation og genbrug siden de tidligste dage på vores planet.

Overlevelsen af ​​gamle sten i den overbevisende kappe har været et mangeårigt puslespil for mange forskere, men kan nu løses som en konsekvens af ineffektiv blanding mellem stærke silica-berigede sten og den meget svagere silica-udarmede kappe.