Forstå jorden under Hawaii

I 1960'erne, omkring 50 år efter at den tyske forsker Alfred Wegener foreslog sin kontinentaldriftshypotese, teorien om pladetektonik gav forskere en samlende ramme for at beskrive den store bevægelse af overfladepladerne, der udgør Jordens litosfære-en ramme, der efterfølgende revolutionerede geovidenskaben.

Hvordan disse plader bevæger sig rundt om jordens overflade, styres af bevægelse inden i kappen - hvis drivkraft er konvektion på grund af termiske anomalier, med kompositionsmæssig heterogenitet også forventet. Imidlertid, den tekniske udfordring ved at visualisere strukturer inde i en optisk uigennemtrængelig, 6, 371 kilometer radius klippekugle har gjort det muligt at forstå kappens sammensætning og termiske tilstand, såvel som dens dynamiske udvikling, en mangeårig udfordring inden for jordvidenskab.

Nu, i et papir, der blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation , forskere fra MIT, Imperial College, Rice University, og Institut for Jordvidenskab i Frankrig rapporterer direkte bevis for laterale variationer i kappesammensætning under Hawaii. Resultaterne giver forskere vigtig ny indsigt i, hvordan Jorden har udviklet sig i løbet af sin 4,5 milliarder års historie, hvorfor det er som det er nu, og hvad dette betyder for stenede planeter andre steder.

Sammensætningsvariation

Forskere behandler kappen som to lag - den nedre kappe og den øvre kappe - adskilt af et grænselag kaldet kappeovergangszonen (MTZ). Fysisk, MTZ er afgrænset af to seismiske hastighedsafbrydelser nær 410 km og 660 km dybde (omtalt som 410 og 660). Disse diskontinuiteter, som skyldes faseovergange i silikatmineraler, spiller en vigtig rolle i modulering af mantelflow. Laterale variationer i dybden til disse diskontinuiteter har været meget udbredt til at udlede termiske anomalier i kappen, som mineralfysik forudsiger en lavere 410 og en dybere 660 i kolde områder og en dybere 410 og en lavere 660 i varme områder.

Tidligere petrologiske og numeriske undersøgelser forudsiger også sammensætningssegregering af basaltisk og harzburgitisk materiale (og dermed sammensætningsheterogenitet) nær bunden af ​​MTZ i de relativt varme lavviskositetsmiljøer nær kappeopvækninger. Men observationsbeviser for en sådan proces har været knappe.

Den nye undersøgelse, imidlertid, viser klart bevis for lateral variation i sammensætning nær bunden af ​​MTZ under Hawaii. Dette bevis kan have vigtige konsekvenser for vores generelle forståelse af kappedynamik.

Som hovedforfatter Chunquan Yu Ph.D. '16, en tidligere gradstuderende i Hilst Group på MIT, der nu er postdoc hos Caltech, forklarer, "Ved midterhavsrygge, pladeseparation resulterer i stigende og delvis smeltning af kappematerialet. En sådan proces forårsager differentiering af den oceaniske litosfære med basaltisk materiale i skorpen og harzburgitisk rest i kappen. Når den differentierede oceaniske litosfære afkøles, den sænker sig tilbage i kappen langs subduktionszonen. Basalt og harzburgit er vanskelige at adskille i kolde omgivelser. Imidlertid, de kan adskille sig i relativt varme miljøer med lav viskositet, såsom nær kappe upwellings, muligvis en vigtig kilde til sammensætningsheterogenitet i Jordens kappe. "

Ser med jordskælv

For at udforske denne idé, Yu og hans kolleger brugte en seismisk teknik, der involverede analyse af forskydningsbølgerreflektioner på undersiden af ​​kappekontinuiteter - kendt som SS -forstadier - til at studere MTZ -strukturer under Stillehavet omkring Hawaii.

"Når der opstår et jordskælv, det udstråler både kompressions- (P) og forskydningsbølge (S) energi. Både P- og S -bølger kan reflektere fra grænseflader i Jordens indre, "Yu forklarer." Hvis en S -bølge forlader en kilde nedad og reflekterer ved den frie overflade, før den ankommer til modtageren, det betegnes SS. SS-prækursorer er underside-S-bølgereflektioner fra kappekontinuiteter. Fordi de rejser ad kortere stråleveje, de er forudgående for SS. "

Ved hjælp af en ny seismisk array -teknik, teamet var i stand til at forbedre signal-støj-forholdet mellem SS-forstadierne og fjerne forstyrrende faser. Som resultat, meget mere data, der ellers ville være blevet kasseret, blev tilgængelige for analyse.

De anvendte også såkaldt amplitude versus offset analyse, et værktøj, der er meget udbredt i udforskningseismologi, at begrænse elastiske egenskaber nær MTZ diskontinuiteter.

Analysen finder stærke laterale variationer i radiale kontraster i massetæthed og bølgehastighed over 660, mens der ikke blev observeret sådanne variationer langs 410. Som supplement til dette, teamets termodynamiske modellering, langs en række kappe temperaturer for flere repræsentative kappe sammensætninger, udelukker en termisk oprindelse for de udledte laterale variationer i elastiske kontraster på tværs af 660. I stedet de udledte 660 kontraster kan forklares ved lateral variation i kappesammensætning:fra gennemsnittet (pyrolytisk; omkring 60 procent olivin) kappe under Hawaii til en blanding med mere smeltforarmet harzburgit (ca. 80 procent olivin) sydøst for hotspot. En sådan sammensætningsheterogenitet er i overensstemmelse med numeriske forudsigelser om, at adskillelse af basaltisk og harzburgitisk materiale kunne forekomme nær bunden af ​​MTZ nær varme dybe kappeopbøjninger som den, der ofte påberåbes for at forårsage vulkansk aktivitet på Hawaii.

"Det er blevet foreslået, at sammensætningssegregering mellem basaltiske og harzburgitiske materialer kunne danne et tyngdekraftstabilt lag over bunden af ​​MTZ. Hvis det er tilfældet, kan det tilvejebringe et filter til plade nedadgående og nedadgående kappe, og påvirker således kraftigt kappekonvektionsmåden og dens kemiske cirkulation, "siger Yu.

Denne undersøgelse præsenterer en lovende teknik til at få begrænsninger på den hidtil undvigende fordeling af sammensætningsheterogenitet inden for Jordens kappe. Sammensætningssegregering nær bunden af ​​MTZ har været forventet siden 1960'erne, og bevis for, at denne proces faktisk forekommer, har vigtige konsekvenser for vores forståelse af Jordens kemiske 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.