Forskere opdager, hvorfor sten flyder langsomt i Jordens midterkappe

I årtier, forskere har undersøgt Jordens indre ved hjælp af seismiske bølger fra jordskælv. Nu er en nylig undersøgelse, ledet af Arizona State University's School of Earth and Space Exploration lektor Dan Shim, har i laboratoriet genskabt de betingelser, der findes dybt i jorden, og brugte dette til at opdage en vigtig egenskab ved det dominerende mineral i Jordens kappe, en region, der ligger langt under vores fødder.

Shim og hans forskerhold kombinerede røntgenteknikker i synkrotronstrålingsanlægget ved U.S. Department of Energy's National Labs og atomopløsnings elektronmikroskopi ved ASU for at bestemme, hvad der forårsager usædvanlige strømningsmønstre i sten, der ligger 600 miles og mere dybt inde i jorden. Deres resultater er blevet offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences .

Langsom strømning, dybt nede

Planet Earth er bygget af lag. Disse inkluderer skorpen på overfladen, kappen og kernen. Varme fra kernen driver en langsom bevægelse af kappeens faste silikatsten, som langsomt kogende fudge på en komfurbrænder. Denne transportbåndsbevægelse får skorpeens tektoniske plader ved overfladen til at skubbe mod hinanden, en proces, der har fortsat i mindst halvdelen af ​​Jordens 4,5 milliarder år lange historie.

Shims team fokuserede på en forvirrende del af denne cyklus:Hvorfor bremser mønsteret pludseligt pludselig i dybder på omkring 600 til 900 miles under overfladen?

"Nylige geofysiske undersøgelser har antydet, at mønsteret ændres, fordi kappe sten flyder mindre let på den dybde, "Sagde Shim." Men hvorfor? Ændrer stensammensætningen sig der? Eller bliver sten pludselig mere tyktflydende ved den dybde og det pres? Ingen ved."

For at undersøge spørgsmålet i laboratoriet, Shims team studerede bridgmanit, et jernholdigt mineral, som tidligere arbejde har vist, er den dominerende komponent i kappen.

"Vi opdagede, at der sker ændringer i bridgmanit ved det pres, der forventes for 1, 000 til 1, 500 km dybde, "Shim sagde." Disse ændringer kan forårsage en stigning i bridgmanitens viskositet - dets modstand mod strømning. "

Teamet syntetiserede prøver af bridgmanit i laboratoriet og udsatte dem for højtryksbetingelser, der findes på forskellige dybder i kappen.

Mineralnøgle til kappen

Eksperimenterne viste teamet, at over en dybde på 1, 000 kilometer og under en dybde på 1, 700 km, bridgmanit indeholder næsten lige store mængder af oxiderede og reducerede former for jern. Men ved tryk fundet mellem de to dybder, bridgmanit gennemgår kemiske ændringer, der ender med at sænke koncentrationen af ​​jern, det indeholder, betydeligt.

Processen starter med at drive oxideret jern ud af bridgmanitten. Det oxiderede jern forbruger derefter de små mængder af metallisk jern, der er spredt gennem kappen som valmuefrø i en kage. Denne reaktion fjerner det metalliske jern og resulterer i mere reduceret jern i det kritiske lag.

Hvor går det reducerede jern hen? Svaret, sagde Shims team, er, at det går ind i et andet mineral, der findes i kappen, ferropericlase, som er kemisk tilbøjelig til at absorbere reduceret jern.

"Således ender bridgmanitten i det dybe lag med mindre jern, "forklarede Shim, bemærker, at dette er nøglen til, hvorfor dette lag opfører sig, som det gør.

"Da det mister jern, bridgmanit bliver mere tyktflydende, "Shim sagde." Dette kan forklare de seismiske observationer af bremset kappestrøm på den dybde. "