Tager jordens indre temperatur:Overraskende ny undersøgelse viser, at kappen er varmere, end vi troede

Temperaturen i Jordens indre påvirker alt fra bevægelsen af ​​tektoniske plader til dannelsen af ​​planeten.

En ny undersøgelse ledet af Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) tyder på, at kappen - den for det meste solide, stenet del af Jordens indre, der ligger mellem dens overophedede kerne og dens ydre skorpelag - kan være varmere end tidligere antaget. Det nye fund, offentliggjort 3. marts i tidsskriftet Videnskab , kunne ændre, hvordan videnskabsmænd tænker om mange emner inden for jordvidenskab, herunder hvordan havbassiner dannes.

"Ved højdedragene midt i havet, de tektoniske plader, der danner havbunden, gradvist spredes fra hinanden, " sagde undersøgelsens hovedforfatter Emily Sarafian, en kandidatstuderende i MIT-WHOI Joint Program. "Sten fra den øverste kappe stiger langsomt for at fylde tomrummet mellem pladerne, smelter, når trykket falder, derefter afkøling og gen-størkning for at danne ny skorpe langs havbunden. Vi ønskede at være i stand til at modellere denne proces, så vi havde brug for at kende den temperatur, ved hvilken stigende kappesten begynder at smelte."

Men at bestemme den temperatur er ikke let. Da det ikke er muligt at måle kappens temperatur direkte, geologer skal vurdere det gennem laboratorieforsøg, der simulerer de høje tryk og temperaturer inde i Jorden.

Vand er en kritisk komponent i ligningen:jo mere vand (eller brint) i sten, jo lavere temperatur vil det smelte ved. Peridotiten, der udgør den øvre kappe, er kendt for at indeholde en lille mængde vand. "Men vi ved ikke specifikt, hvordan tilsætning af vand ændrer dette smeltepunkt, " sagde Sarafians rådgiver, WHOI geokemiker Glenn Gaetani. "Så der er stadig meget usikkerhed."

For at finde ud af, hvordan vandindholdet i kappesten påvirker dets smeltepunkt, Sarafian udførte en række laboratorieeksperimenter ved hjælp af et stempel-cylinder-apparat, en maskine, der bruger elektrisk strøm, tunge metalplader, og stakke af stempler for at forstærke kraften til at genskabe de høje temperaturer og tryk, der findes dybt inde i Jorden. Efter standard eksperimentel metodologi, Sarafian skabte en syntetisk kappeprøve. Hun brugte en kendt, standardiseret mineralsammensætning og tørret det ud i en ovn for at fjerne så meget vand som muligt.

Indtil nu, i eksperimenter som disse, forskere, der studerer sammensætningen af ​​sten, har måttet antage, at deres udgangsmateriale var helt tørt, fordi de mineralkorn, de arbejder med, er for små til at analysere for vand. Efter at have kørt deres eksperimenter, de korrigerer deres eksperimentelt bestemte smeltepunkt for at tage højde for mængden af ​​vand, der vides at være i kappen.

"Problemet er, udgangsmaterialerne er pulvere, og de adsorberer atmosfærisk vand, "Sagde Sarafian." Så, uanset om du tilføjede vand eller ej, der er vand i dit eksperiment."

Sarafian tog en anden tilgang. Hun modificerede sin startprøve ved at tilføje kugler af et mineral kaldet olivin, som forekommer naturligt i kappen. Kuglerne var stadig små - omkring 300 mikrometer i diameter, eller størrelsen af ​​fine sandkorn - men de var store nok til, at Sarafian kunne analysere deres vandindhold ved hjælp af sekundær ionmassespektrometri (SIMS). Derfra, hun var i stand til at beregne vandindholdet i hele sin startprøve. Til hendes overraskelse, hun fandt, at den indeholdt omtrent den samme mængde vand, som man ved, var i kappen.

Baseret på hendes resultater, Sarafian konkluderede, at kappesmeltningen skulle begynde på en lavere dybde under havbunden end tidligere forventet.

For at verificere hendes resultater, Sarafian drejede magnetotellurik - en teknik, der analyserer den elektriske ledningsevne af skorpen og kappen under havbunden. Smeltet bjergart leder elektricitet meget mere end fast bjergart, og ved hjælp af magnetotelluriske data, geofysikere kan fremstille et billede, der viser, hvor der sker smeltning i kappen.

Men en magnetotellurisk analyse offentliggjort i Natur i 2013 af forskere ved Scripps Institution of Oceanography i San Diego viste, at kappesten smeltede på en dybere dybde under havbunden, end Sarafians eksperimentelle data havde antydet.

I starten Sarafians eksperimentelle resultater og de magnetotelluriske observationer syntes at være i konflikt, men hun vidste, at begge dele måtte være rigtige. Afstemning af temperaturer og tryk Sarafian målte i sine eksperimenter med smeltedybden fra Scripps-undersøgelsen førte hende til en overraskende konklusion:Den oceaniske øvre kappe skal være 60°C (~110°F) varmere end de nuværende estimater, " sagde Sarafian.

En stigning på 60 grader lyder måske ikke af meget sammenlignet med en smeltet kappetemperatur på mere end 1, 400°C. Men Sarafian og Gaetani siger, at resultatet er betydeligt. For eksempel, en varmere kappe ville være mere flydende, hjælper med at forklare bevægelsen af ​​stive tektoniske plader.