Oldtidens jords varme indre skabte kirkegård af kontinentale plader

Pladetektonikken har formet jordens overflade i milliarder af år:Kontinenter og oceanisk skorpe har skubbet og trukket på hinanden, konstant omarrangering af planetens facade. Da to massive plader kolliderer, man kan give efter og glide under den anden i en proces, der kaldes subduktion. Den subducerede plade glider derefter ned gennem jordens tyktflydende kappe, som en flad sten gennem en pøl af honning.

For det meste, nutidens understøtningsplader kan kun synke så langt, til omkring 670 kilometer under overfladen, før kappens makeup skifter fra en honninglignende konsistens, til pastaen - for tæt til, at de fleste plader kan trænge længere ind. Forskere har mistænkt, at dette tæthedsfilter eksisterede i kappen i det meste af Jordens historie.

Nu, imidlertid, geologer ved MIT har fundet ud af, at denne tæthedsgrænse var meget mindre udtalt i den gamle Jords kappe, 3 milliarder år siden. I et blad udgivet i Earth and Planetary Science Letters , forskerne bemærker, at den gamle Jord rummede en kappe, der var så meget som 200 grader celsius varmere, end den er i dag - temperaturer, der måske er blevet mere ensartede, mindre tæt materiale gennem hele kappelaget.

Forskerne fandt også ud af, at sammenlignet med nutidens stenede materiale, den gamle skorpe var sammensat af meget tættere ting, beriget med jern og magnesium. Kombinationen af ​​en varmere kappe og tættere sten fik sandsynligvis subduktionsplader til at synke helt til bunden af ​​kappen, 2, 800 kilometer under overfladen, danner en "kirkegård" af plader på toppen af ​​Jordens kerne.

Deres resultater tegner et meget andet billede af subduktion end hvad der sker i dag, og antyder, at Jordens gamle kappe var meget mere effektiv til at trække stykker af planetens skorpe ned.

"Vi finder ud af, at for omkring 3 milliarder år siden, subducerede plader ville have forblevet mere tæt end den omgivende kappe, selv i overgangszonen, og der er ingen grund fra et opdriftssynspunkt til, hvorfor plader skal sidde fast der. I stedet, de skal altid synke igennem, hvilket er et meget mindre almindeligt tilfælde i dag, " siger hovedforfatter Benjamin Klein, en kandidatstuderende i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS). "Dette tyder på, at der var en stor ændring tilbage i Jordens historie med hensyn til, hvordan kappekonvektion og pladetektoniske processer ville være sket."

Kleins medforfattere er Oliver Jagoutz, lektor i EAPS, og Mark Behn fra Woods Hole Oceanographic Institution.

Temperaturforskel

"Der er dette åbne spørgsmål om, hvornår pladetektonikken virkelig startede i Jordens historie, " siger Klein. "Der er generel konsensus om, at det sandsynligvis foregik tilbage for mindst 3 milliarder år siden. Det er også, når de fleste modeller tyder på, at Jorden var på sit varmeste."

For omkring 3 milliarder år siden, kappen var sandsynligvis omkring 150-200 C varmere, end den er i dag. Klein, Jagoutz, og Behn undersøgte, om varmere temperaturer i Jordens indre gjorde en forskel i, hvordan tektoniske plader, en gang underkastet, blev transporteret gennem kappen.

"Vores arbejde startede som dette tankeeksperiment for at sige, hvis vi ved, at temperaturerne var meget varmere, hvordan kunne det have moduleret, hvordan tektonikken så ud, uden at ændre det engros?", siger Klein. "Fordi debatten før var dette binære argument:Enten var der pladetektonik, eller der var ikke, og vi foreslår, at der er mere plads imellem. "

Et "density flip"

Holdet udførte sin analyse, med den antagelse, at pladetektonikken faktisk formede jordens overflade for 3 milliarder år siden. De søgte at sammenligne tætheden af ​​subduktionsplader på det tidspunkt med tætheden af ​​den omgivende kappe, hvis forskel ville bestemme, hvor langt plader ville være sunket.

For at vurdere tætheden af ​​gamle plader, Klein kompilerede et stort datasæt på mere end 1, 400 tidligere analyserede prøver af både moderne bjergarter og komatiitter - klassiske bjergarter, der var omkring 3 milliarder år siden, men som ikke længere produceres i dag. Disse sten indeholder en højere mængde tæt jern og magnesium sammenlignet med nutidens oceaniske skorpe. Klein brugte sammensætningen af ​​hver stenprøve til at beregne tætheden af ​​en typisk subdukterende plade, for både nutiden og for 3 milliarder år siden.

Han estimerede derefter gennemsnitstemperaturen for en moderne versus en gammel subduktionsplade, i forhold til temperaturen af ​​den omgivende kappe. Han begrundede, at afstanden en plade synker afhænger af ikke kun dens tæthed, men også dens temperatur i forhold til kappen:Jo koldere et objekt er i forhold til dets omgivelser, jo hurtigere og længere skal den synke.

Holdet brugte en termodynamisk model til at bestemme tæthedsprofilen for hver subduktionsplade, eller hvordan dens tæthed ændrer sig, når den synker gennem kappen, givet kappens temperatur, som de tog fra andres skøn og en model af pladens temperatur. Ud fra disse beregninger, de bestemte den dybde, hvor hver plade ville blive mindre tæt end den omgivende kappe.

På dette tidspunkt, de antog, at et "density flip" skulle forekomme, sådan at en plade ikke skal kunne synke forbi denne skel.

"Der ser ud til at være dette kritiske filter og kontrol over bevægelsen af ​​plader og derfor konvektion af kappen, " siger Klein.

Et sidste hvilested

Holdet fandt ud af, at deres estimater for, hvor denne grænse forekommer i den moderne kappe - omkring 670 kilometer under overfladen - stemte overens med de faktiske målinger taget af denne overgangszone i dag, bekræfter, at deres metode også kan estimere den gamle Jord nøjagtigt.

"I dag, når plader kommer ind i kappen, de er tættere end den omgivende kappe i den øvre og nedre kappe, men i denne overgangszone, tæthederne vender, " siger Klein. "Så inden for dette lille lag, pladerne er mindre tætte end kappen, og er glade for at bo der, næsten flydende og stillestående. "

For den gamle jord, 3 milliarder år siden, fandt forskerne ud af, fordi den gamle kappe var så meget varmere end i dag, og pladerne meget tættere, et tæthedsflip ville ikke have fundet sted. I stedet, subducerende plader ville være sunket direkte til bunden af ​​kappen, etablere deres sidste hvilested lige over Jordens kerne.

Jagoutz siger, at resultaterne tyder på, at engang mellem 3 milliarder år siden og i dag, efterhånden som jordens indre afkøles, kappen skiftede fra et et-lags konvektionssystem, hvor plader flød frit fra øvre til nedre lag af kappen, til en to-lags konfiguration, hvor plader havde sværere ved at trænge igennem til den nederste kappe.

"Dette viser, at når en planet begynder at køle ned, denne grænse, selvom det altid er der, bliver et væsentligt mere dybtgående tæthedsfilter, " siger Jagoutz. "Vi ved ikke, hvad der vil ske i fremtiden, men i teorien, det er muligt, at Jorden går fra et dominerende regime af et-lags konvektion, til to. Og det er en del af hele Jordens udvikling."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.