Geokemikere løser mysteriet om Jordens forsvindende skorpe

Gudskelov for jordskorpen:Det er, trods alt, det solide, yderste lag af vores planet, der understøtter alt over det.

Men meget af, hvad der sker under det lag, forbliver et mysterium, inklusive skæbnen for dele af skorpen, der forsvinder tilbage i Jorden. Nu, et team af geokemikere baseret på Florida State University-hovedkvarteret National High Magnetic Field Laboratory har afsløret nøglespor om, hvor disse sten har gemt sig.

Forskerne fremlagde nye beviser for, at mens det meste af jordskorpen er relativt ny, en lille procentdel består faktisk af ældgamle bidder, der for længe siden var sunket tilbage i kappen og senere dukkede op igen. De fandt også, baseret på mængden af ​​den "genbrugte" skorpe, at planeten har kværnet skorpen ud konsekvent siden den blev dannet for 4,5 milliarder år siden - et billede, der modsiger gængse teorier.

Deres forskning er publiceret i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

"Som laks, der vender tilbage til deres gydepladser, noget havskorpe vender tilbage til sin yngleplads, de vulkanske højdedrag, hvor frisk skorpe er født, " sagde medforfatter Munir Humayun, en MagLab geokemiker og professor ved Florida State's Department of Earth, Ocean and Atmospheric Science (EOAS). "Vi brugte en ny teknik til at vise, at denne proces i bund og grund er et lukket kredsløb, og at genbrugsskorpen er fordelt ujævnt langs højdedragene."

Ud over Humayun, forskerholdet omfattede MagLab postdoc-forsker Shuying Yang, hovedforfatter på papiret, og MagLab Geochemistry Group Director og EOAS-formand Vincent Salters.

Jordens oceaniske skorpe dannes, når kappesten smelter nær sprækker mellem tektoniske plader langs undersøiske vulkanske højdedrag, giver basalt. Når der laves ny skorpe, det skubber den ældre skorpe væk fra højderyggen mod kontinenter, som et super langsom transportbånd. Til sidst, det når områder kaldet subduktionszoner, hvor den tvinges under en anden plade og sluges tilbage i Jorden.

Forskere har længe teoretiseret om, hvad der sker med subduceret skorpe efter at være blevet reabsorberet i den varme, højtryksmiljø af planetens kappe. Det kan synke dybere ned i kappen og sætte sig der, eller stige tilbage til overfladen i faner, eller hvirvle gennem kappen, som chokoladestrå gennem en gul marmorkage. Noget af den "chokolade" kan til sidst stige op, gensmeltes ved midterhavsrygge, og danne ny klippe til endnu en million år lang tjenesterejse på havbunden.

Dette nye bevis understøtter "marmorkage"-teorien.

Forskere havde allerede set spor, der understøttede teorien. Nogle basalter indsamlet fra middelhavsrygge, kaldet berigede basalter, har en højere procentdel af visse grundstoffer, der har tendens til at sive fra kappen ind i smelten, hvorfra basalt dannes; andre, kaldet udtømte basalter, havde meget lavere niveauer.

For at kaste mere lys over mysteriet om den forsvindende skorpe, holdet analyserede kemisk 500 prøver af basalt indsamlet fra 30 områder af havrygge. Nogle blev beriget, nogle var udtømte og nogle var midt imellem.

Tidligt, holdet opdagede, at de relative andele af germanium og silicium var lavere i smeltninger af genbrugsskorpe end i den "jomfruelige" basalt, der dukkede op fra smeltet kappesten. Så de udviklede en ny teknik, der brugte dette forhold til at identificere et særskilt kemisk fingeraftryk for subduceret skorpe.

De udtænkte en præcis metode til at måle dette forhold ved hjælp af et massespektrometer på MagLab. Derefter knuste de tallene for at se, hvordan disse forhold adskilte sig blandt de 30 regioner, der blev udvalgt, forventer at se variationer, der ville kaste lys over deres oprindelse.

Først afslørede analysen intet bemærkelsesværdigt. Berørte, Yang, en ph.d.-kandidat på det tidspunkt, rådført sig med sin rådgiver. Humayun foreslog at se på problemet fra en bredere vinkel:I stedet for at sammenligne basalter fra forskellige regioner, de kunne sammenligne berigede og udtømte basalter.

Efter hurtigt genknusning af dataene, Yang var begejstret for at se klare forskelle mellem disse grupper af basalter.

"Jeg var meget glad, " huskede Yang, hovedforfatter på papiret. "Jeg troede, 'Jeg vil være i stand til at tage eksamen!'"

Holdet havde opdaget lavere germanium-til-silicium-forhold i berigede basalter - det kemiske fingeraftryk for genbrugsskorpe - i alle de regioner, de prøvede, peger på dens marmorkage-lignende spredt over hele kappen. I det væsentlige, de løste mysteriet om den forsvindende skorpe.

Det var en lektion i at savne skoven for træerne, sagde Humayun.

"Nogle gange ser man for nøje efter, med næsen i data, og du kan ikke se mønstrene, " sagde han. "Så træder du tilbage og går, 'Hov!'"

At grave dybere ned i de mønstre, de fandt, forskerne afslørede flere hemmeligheder. Baseret på mængderne af berigede basalter fundet på globale midtocean-rygge, holdet var i stand til at beregne, at omkring 5 til 6 procent af Jordens kappe er lavet af genbrugsskorpe, en figur, der kaster nyt lys over planetens historie som skorpefabrik. Videnskabsmænd havde vidst, at Jorden trækker skorpen ud med en hastighed på et par centimeter om året. Men har den gjort det konsekvent gennem hele sin historie?

Deres analyse, Humayun sagde, angiver, at "Hastighederne for skorpedannelse kan ikke have været radikalt forskellige fra, hvad de er i dag, hvilket ikke er, hvad nogen forventede."