Geovidenskabsfolk finder forklaring på forvirrende stenlommer dybt i jordens kappe

Et hold ledet af geovidenskabsmænd fra Arizona State University og Michigan State University har brugt computermodellering til at forklare, hvordan lommer af grødet sten samler sig ved grænsen mellem Jordens kerne og kappe.

Disse lommer, ligger omtrent 2, 900 kilometer (1, 800 miles) under overfladen, har været kendt i mange år, men manglede tidligere en forklaring på, hvordan de dannede sig.

De relativt små stenlegemer kaldes "zoner med ultralav hastighed", fordi seismiske bølger i høj grad bremser, når de passerer gennem dem. Geovidenskabsmænd har troet, at zonerne er delvist smeltede, alligevel er lommerne forvirrende, fordi mange er observeret i køligere områder af den dybe kappe.

"Disse små områder er blevet antaget at være en delvist smeltet version af klippen, der omgiver dem, " siger Mingming Li, hovedforfatter af undersøgelsen, som udkom 2. august, 2017, i journalen Naturkommunikation . "Men deres globale fordeling og store variationer i tæthed, form, og størrelsen tyder på, at de har en anden sammensætning end kappen."

Li sluttede sig til ASU's School of Earth and Space Exploration (SESE) i denne måned som adjunkt. Han var kandidatstuderende hos tidligere SESE-lektor Allen McNamara, også medforfatter på papiret; McNamara er nu ved Michigan State's Department of Earth and Environmental Sciences. De yderligere medforfattere er SESE-professor Edward Garnero og hans ph.d.-studerende Shule Yu.

"Vi ved ikke, hvad zoner med ultralav hastighed er, " siger McNamara. "De er enten varme, delvist smeltede dele af ellers normal kappe, eller de er noget helt andet, en anden sammensætning."

Fordi seismiske beviser tillader begge muligheder, han siger, "Vi besluttede at modellere kappekonvektion ved hjælp af computer for at undersøge, om deres former og positioner kan besvare spørgsmålet."

Relaterer lommer sig til klatter?

For omkring år siden, Garnero, McNamara, og SESE-lektor Dan Shim rapporterede, at to gigantiske strukturer af sten dybt inde i Jorden sandsynligvis er lavet af noget andet end resten af ​​kappen. De kaldte de store strukturer "termokemiske bunker, "eller mere enkelt, klatter.

"Mens oprindelsen og sammensætningen af ​​disse klatter er ukendt, Garnero sagde dengang, "vi formoder, at de har vigtige spor om, hvordan Jorden blev dannet, og hvordan den fungerer i dag."

Hvad de store klatter er lavet af, og hvordan de er dannet, er stadig ukendt, siger Garnero. "Men den nye computermodellering forklarer, hvordan disse ultralavhastighedszoner er forbundet med de meget større klatter."

Li siger, "Zonerne med ultralav hastighed er generelt omkring ti kilometer høje, og hundreder af kilometer brede eller mindre. De er for det meste placeret nær kanterne af de meget større klatter, men nogle af dem opdages både inde i klatterne og langt væk fra dem."

Resultatet af computermodelleringen viste, at de fleste af disse ultralavhastighedszoner er forskellige i sammensætning fra den omgivende kappe, siger Li. Hvad mere er, modelleringen viste, at lommer af sten med forskellige sammensætninger vil migrere fra hvor som helst på kerne-kappegrænsen mod kanten af ​​de store klatter.

"Marginerne af de termokemiske pæle er, hvor kappestrømningsmønstre konvergerer, " McNamara siger, "og derfor giver disse områder et 'opsamlingsdepot' for tættere stentyper."

Samlet af varme

Kraften, der driver denne bevægelse, er varme, som driver konvektion i kappen.

Jordens kappe er lavet af varm sten, men det opfører sig mere som fudge, der simrer langsomt på et komfur. I kappen, varme kommer både fra radioaktivitet i kappeklippen og fra planetens kerne, hvis centrum er omtrent lige så varmt som Solens overflade. Mantelklippen reagerer på denne varme med en langsom kværnende-konvektiv-bevægelse.

"Detaljen er ikke helt klar, " siger Li. Men modelleringen viser, at klipper af forskellig sammensætning reagerer på konvektionen på en måde, der samler sammensætningsmæssigt lignende materialer sammen. Dette flytter de små lommer af kemisk adskilte klipper til kanterne af de varmere klatter over kerne-kappegrænsen.

"Vi kørte 3D-computermodellering i høj opløsning, og vi udviklede en metode til at spore bevægelsen af ​​både de små lommer i zoner med ultralav hastighed og de meget større termokemiske pæle." Li forklarer, "Dette gav os mulighed for at undersøge, hvordan de små lommer bevæger sig rundt, og hvordan deres placeringer kan relateres til deres oprindelse."

McNamara siger, "Hvad der var nyt ved vores tilgang - og også beregningsmæssigt udfordrende - var, at modelleringen samtidig tog højde for vidt forskellige bevægelsesskalaer." Disse spændte fra globale konvektionsmønstre i kappeskala, til de store termokemiske bunker i den nedre kappe, og ned til de meget små lommer af ultra-lavhastighedszone i bunden.

"Hvad vi i sidste ende fandt, " han siger, "er, at hvis zoner med ultralav hastighed er forårsaget af smeltning af ellers normal kappe, de skal være placeret godt inde i de termokemiske bunker, hvor kappetemperaturerne er de varmeste."

Men han tilføjer, "Hvis klippens lommer med ultralav hastighed har en anden sammensætning end den almindelige kappesten, så ville kappekonvektion konstant føre dem til kanterne af pæle, hvor de samles.

"Dette er i overensstemmelse med, hvad vi ser i de seismiske observationer."

Sten dykker dybt?

Hvor kommer de forskellige materialer i den dybe kappe fra i første omgang?

"Der er flere muligheder, " siger Garnero. "Noget materiale kan være forbundet med tidligere basaltisk oceanisk skorpe, der blev trukket dybt ned. Eller det kan være forbundet med kemiske reaktioner mellem den ydre kernes jernrige væske og den krystallinske silikatkappe."

Garnero siger, at hvor klippen i zoner med ultralav hastighed oprindeligt kom fra, er i øjeblikket uløst. Men processen med at samle dette materiale i små lommer af sten er klar.

"Du kan have forskellige mekanismer, såsom pladetektonik, der skubber sten af ​​forskellig kemi ind i den dybeste kappe overalt på Jorden, " han siger.

"Men når disse forskellige klipper er gået dybt ned, konvektion vinder og fejer dem til de varme områder, nemlig hvor de termokemiske pæle i kontinental størrelse ligger."